和諧型機車牽引電機C6修技術研究

張培軍

(中車永濟電機有限公司 技術中心檢修技術部， 西安 710016)

隨著和諧型機車牽引電機運營里程和時間的增加、在線運行情況和故障的反饋，牽引電機的檢修工作重點是從檢修基礎技術研究、檢修工藝提升等方面展開。目前配屬HXD3/HXD3C型電力機車的YJ85A/A1牽引電機已陸續進入C6修階段，運行里程已達200萬km，HXD2/HXD2C型電力機車牽引電機、HXN3型內燃機車牽引電機在隨后幾年將陸續進入C6修階段。中車永濟電機有限公司(簡稱：永濟電機公司)通過對各和諧型機車牽引電機2年檢、C5修的檢修數據和工藝進行匯總分析，為和諧型機車牽引電機C6修的檢修技術、檢修工藝改進提升提供理論依據。

1 和諧型機車牽引電機性能參數

永濟電機公司生產制造的幾種和諧型機車牽引電機主要性能參數如表1。

表1 和諧型機車牽引電機參數表

2 和諧型機車牽引電機C6修研究

目前，HXD3/HXD3C型機車YJ85A/A1牽引電機已陸續進入C6修，永濟電機公司重點開展其檢修技術研究。截止2017年12月永濟電機公司檢修HXD3/HXD3C型機車YJ85A/YJ85A1牽引電機共15303臺，其中檢修YJ85A電機8 931臺， YJ85A1電機6 372臺，東芝電機810臺(見表2)。

在檢修的過程中，從數據和故障統計等方面分析入手，不斷對電機設計及工藝過程進行改進，實現對關鍵零部件的可靠性壽命預測，為牽引電機C6修程提供理論依據。2015年6月將HXD3型機車牽引電機使用SKF軸承的電機全部更換為NTN軸承；2015年11月對HXD3型機車牽引電機傳感器固定螺栓增加平墊圈，避免傳感器固定螺栓與線夾無法緊密貼合。2017年5月對HXD3型機車高級修牽引電機轉軸軸錐根部退刀槽進行加工改制，有效避免轉軸運行過程中出現疲勞裂紋造成斷軸故障。

表2 HXD3/HXD3C型機車牽引電機檢修級別分類統計

2.1 基于電機故障數據統計分析

根據檢修過程統計分析，機車牽引電機故障多為電機接地及傳感器故障(見表3)。

2.1.1對接地故障進行分析

對檢修后出現絕緣故障的45臺電機進行拆解、分析，判定35臺為接地故障，具體情況見表4。

表3 牽引電機故障統計

表4 絕緣故障電機分析

進一步對35臺接地故障電機拆解分析并尋找接地原因，發現由于絕緣薄弱造成接地的有17臺，具體情況見表5～表6，圖1～圖2。

表5 YJ85A電機接地原因分析

表6 YJ85A1電機接地原因分析

圖1 YJ85A電機接地原因占比

圖2 YJ85A1電機接地原因占比

根據上述統計分析可知，YJ85A/A1牽引電機運行故障主要是接地問題，主要原因為電機線圈絕緣及三相線焊接薄弱，從總運行時間和在線運行電機數量看，接地故障率較低，且隨檢修級別增加故障率并未增加，絕緣性能趨于穩定。故C6修時應對牽引電機絕緣性能進行進一步分析驗證，驗證絕緣結構的可靠性。

2.1.2對傳感器故障的分析

據統計，機車運行中速度傳感器故障率為1.07%，速度傳感器故障表現為小齒輪遲緩、電機無速度信號等嚴重故障。鑒于YJ85A/YJ85A1牽引電機C6修時速度傳感器已使用200萬km(12年)，下次C5修為300萬km(18年)，C6修為400萬km(24年)，為避免隨后電機運用過程中出現大量速度傳感器故障，建議在C6修對速度傳感器進行更新。

2.1.3對軸承故障的分析

HXD3/HXD3C型機車牽引電機為3套軸承結構，傳動端裝配NU330軸承，非傳動端裝配NU320和QJ318軸承。其中C5修(100萬km)時對NU330軸承、QJ318軸承進行更新，NU320軸承檢測合格后繼續使用。牽引電機C6修時已運行200萬km，需對NU330、NU320、QJ318 3套軸承全部進行更新。

2.2 牽引電機試驗項目

為保證HXD3/HXD3C型機車YJ85A/YJ85A1牽引電機C6修后的質量和性能，檢修過程中進行以下試驗項點，與C5修相同(見表7)。

表7 牽引電機C6修試驗項點

3 和諧型機車牽引電機檢修工藝提升

3.1 鑄鋼部件常見螺孔損壞問題與解決辦法

牽引電機結構部件大多是鑄鋼材質，其中鑄造機座螺孔損傷最為常見，牽引電機多以滾抱懸掛方式安裝在轉向架上，例如YJ85A/YJ85A1牽引電機機座上8個M36吊掛螺孔為對外安裝接口，螺孔質量直接關系到機車運行安全。由于機車在行駛過程中受到較大彎矩、沖擊，加之檢修過程中與螺孔配合的螺栓的頻繁拆卸會導致螺孔損傷，因此明確機座吊掛螺孔允許存在的缺陷范圍及螺孔修復方案尤為重要。

根據永濟電機公司經驗和企業標準Q/YD41-035-1999規定，機座吊掛部位允許非相鄰兩個螺孔中的一個螺孔的頭2齒因螺紋中徑超差造成止規通過，但超差螺孔的個數應符合表8規定。

表8 機座吊掛部位螺孔的牙型缺陷

螺孔1.2倍孔徑深度之下允許因鑄造缺陷出現螺紋不完整，但其缺陷直徑(周長)不得大于螺孔直徑的1/3(或1/3倍直徑×3.14倍周長)，且缺陷不得貫穿至相鄰螺孔。吊掛面每邊只允許存在兩處，且兩處必須是機座吊掛中心兩邊各一處。超出允許范圍的螺孔允許返修處理，處理方案優先選用安裝鋼絲螺套方式修。

鋼絲螺套是一種內螺紋緊固件，是由冷軋高精度菱形截面的不銹鋼絲精確加工而成的一種彈簧狀內外螺紋同心體，自由狀態的鋼絲螺套比其欲裝入的內螺孔稍大，裝配過程中施加到安裝工具的扭力使其通過引導圈直徑進行收縮，從而進入了用鋼絲螺套專用絲錐加工好的安裝內螺紋中，安裝好以后鋼絲螺套產生類似彈簧作用的膨脹，使其牢固地固定于內螺孔中，從而形成符合標準的高精度內螺紋，見圖3，圖4。

鋼絲螺套可嵌入鋁、鎂合金、鑄鐵、玻璃鋼、塑料等低強度的工程材料的螺紋孔中，形成標準的螺紋，也可用于修復磨損或損壞的螺孔。鋼絲螺套能夠增加螺紋連接的承載力和疲勞強度，使螺栓與連接鋼絲螺套的螺紋之間形成彈性連接，因而消除了內外螺紋之間的螺距和牙型半角誤差，可在規定的長度上使每圈螺紋上的載荷均勻分布，因而加強了內螺紋連接強度，并能起到減振作用，因此可以提高螺紋連接的疲勞強度，見圖5。

圖3 鋼絲螺套

圖4 鋼絲螺套修復后的機座吊掛螺孔

圖5 鋼絲螺套收縮旋入底孔示意圖

鋼絲螺套由極硬的冷軋不銹鋼絲制成，似鏡面的表面減少了摩擦和磨損，可使螺栓上由于摩擦而產生的阻力減少90%，從而用最少的旋緊力矩得到最大預警力矩和螺栓拉力，防止螺栓松脫，使螺栓處于最佳使用狀態。

鋼絲螺套安裝操作簡單、可重復性好，既快速又經濟，對于螺孔損壞的重要部件，只要將其重新攻絲，安裝鋼絲螺套，配件即可繼續使用(見圖6)。且鋼絲螺套安裝不僅不受安裝位置限制，也不受安裝個數限制，即配件上所有螺孔損壞均可以用安裝鋼絲螺套的方法修復，而采用傳統的加鋼堵(或滿焊)重新鉆孔攻絲的方式修復螺孔會受到嚴格的條件限制，如機座吊掛螺孔允許加鋼堵修復的條件應符合企業標準Q/YD41-035-1999規定(見表9)。

圖6 裝入鋼絲螺套力矩示意圖

吊掛部位的螺孔個數≤4≤6≤10≤20>20允許修復的螺孔個數12346

針對電機運行后出現的配件螺孔損壞故障，采取相應的措施進行修復，鋼絲螺套作為一種新興的螺孔修復方式，應用范圍會越來越廣泛，對于延長電機及部件的使用壽命具有重大意義。

針對檢修產品修復工藝進行研究，不斷總結檢修經驗，借助先進的修復手段，即可保證產品質量，又可節約檢修成本、創造經濟效益。

3.2 牽引電機熱套配件拆解效率提升

和諧型機車牽引電機(HXD2、HXD2C、HXD3/HXD3C、HXN3)拆解外封環、內封環、軸承內圈等熱套件時原采用手動液壓泵、人工抬升及移動液壓單作用油缸的拆解的工藝方式，生產效率低、勞動強度大。為了提高生產效率、減輕勞動強度，對檢修工藝進行研究和提升，設計采用電動泵、專用升降行走平臺的工藝提升方案對拆解工藝過程進行優化。

從原來的人工操作液壓泵、人工抬升移動單作用液壓油缸(質量約20 kg)改變為機械升降移動，大大減輕了工人勞動強度。經實際操作驗證，檢修6臺牽引電機，最高可節省110 min，明顯提升了檢修作業效率，見圖7，圖8。

圖7 改進前拆解方式

圖8 改進后拆解方式

3.3 軸承徑向游隙檢測方法改進

為保證牽引電機軸承的裝配質量和機車在線運行安全，機車牽引電機軸承裝配前均須檢測軸承徑向游隙。

改進前軸承徑向游隙檢測方法為：使用塞尺片置于軸承上端滾子和內圈滾道圓周間，轉動內套和滾子保持架組件一周，滾子和滾道對塞尺片的擠壓力應以抽動塞尺時略有阻力為宜，在連續3個滾子上能通過的塞尺片的最大值為軸承的徑向游隙值見圖9。

改進后軸承徑向游隙檢測方法為：設計專用游隙檢測工裝，使用能夠精確檢測軸承游隙的千分表檢測軸承徑向游隙，提高檢測精度、可靠性。將軸承水平放置在底座平臺上用定位螺栓通過壓板將軸承內圈壓緊，安裝千分表，用手向軸承外圈施加千分表反方向的推力至推不動時，將千分表調，再用手向軸承外圈施加千分表方向推力至推不動為止，讀取千分表指針的讀數。然后松開壓板螺栓，將軸承在原位置順時針依次旋轉120°分別將軸承內圈壓緊，按上述方法檢測，讀取千分表指針的讀數，3次讀數的平均值即為軸承徑向游隙。

圖9 改進前軸承徑向游隙檢測示意圖

圖10 改進后軸承徑向游隙檢測示意圖

改進前的檢測方法人為干擾因素較大，測量數據為估算值，檢測精度較低；改進后排除了操作誤差，千分表3次測量取平均值后取得的數值能夠直觀、精確的檢測軸承徑向游間隙。

3.4 軸承軸向竄動量檢測方法改進

機車運行過程中由于斜齒輪軸向分力、軸向沖擊的影響，會導致軸承承受軸向力，因此軸承裝配后要求的軸向竄動量至關重要。

改進前軸承軸向竄量檢測方法為：牽引電機傳動端轉軸軸頭擰一個M30吊環，將磁座百分表吸在定子上，百分表側頭壓在傳動端外封環上，用撬棍將轉子推向一邊，記錄百分表讀數，然后將轉子再用撬棍拉向另一邊，記錄百分表讀數，2次讀數之差即為軸承軸向竄量見圖11。

改進后軸承軸向竄量檢測方法為：設計專用檢測工裝，使用電動液壓泵代替人工用撬棍推拉的方式檢測。將磁座百分表吸在傳動端軸承外蓋上，百分表側頭壓在傳動端外封環上，在非傳動端安裝專用的測軸竄工裝，利用電動液壓泵驅動將轉子裝配拉向非傳動端一側，記錄百分表讀數，然后調換壓板位置將轉子裝配推向另一邊，2次讀數之差即為軸承的軸向竄量，注意控制壓力不得超過70 MPa，見圖12。

圖11 改進前軸向竄動量檢測示意圖

改進后由于電動液壓泵可精確控制推拉力的大小，因此檢測精度與可靠性可有效改善。

圖12 改進后軸向竄動量檢測示意圖

3.5 轉軸退刀槽改制

2014年8月至2015年2月期間，其他廠家檢修后的HXD3/HXD3C機車牽引電機在運用過程中轉軸產生裂紋，甚至發生5起斷軸事故；針對轉軸裂紋故障，為了避免在線運行牽引電機出現疲勞裂紋進而發生斷軸的嚴重運行事故，通過充分計算和研討確認，轉軸疲勞裂紋產生的原因為主動齒輪與轉軸過盈量太大，使轉軸軸錐根部產生壓迫疲勞，在長期的交變載荷作用下，產生疲勞裂紋，見圖13所示。

在牽引電機高級修時采取對轉軸軸錐退刀槽進行加工改制方案，可有效避免原設計導致的轉軸運行疲勞裂紋故障。配屬HXD3/HXD3C機車的YJ85A/YJ85A1電機用的轉軸軸錐退刀槽改進方案見圖14。(改進說明：在原成品轉軸上加工掉圖15中飄黃色部分)

圖13 齒輪端面與轉軸接觸部位的裂紋

圖14 改進前轉軸軸錐退刀槽

圖15 改進后轉軸軸錐退刀槽

改制后的轉軸裝配主動齒輪后，由于轉軸退刀槽的延伸，可有效避免主動齒輪端面與轉軸的接觸，解決了牽引電機運行時產生的轉軸疲勞裂紋故障。

4 結束語

通過對和諧型機車牽引電機檢修和在線運用出現的問題不斷統計、分析、總結，在C6修時采取合理的優化改進和修復方案，在保證不失修不過修前提下，持續開展基于大數據分析和試驗驗證的檢修基礎技術研究，提升檢修技術和工藝水平、提高檢修效率、降低勞動強度、降低檢修成本、改善作業環境，從而保障檢修后牽引電機安全可靠運行。

[1] GB/T 24425.6-2009 鋼絲螺套技術條件[S].

[2] GB/T 24425.1-2009 普通型鋼絲螺套[S].

[3] Q/YD 41-035-1999 鑄造機座螺孔技術條件[S].