加裝導流環解決牽引電機軸承電腐蝕問題

□ 徐 君

西門子交通技術(北京)有限公司上海分公司 上海 200082

1 問題情況

上海軌道交通的車輛維保人員在日常巡檢中發現,車輛以低速返回車庫時,車下走行部轉向架附近有異響。技術人員隨即展開進一步監測,確認異響來自于車輛轉向架其中一臺牽引電機。使用振動監測設備探測牽引電機振動,監測信號顯示牽引電機殼體靠近驅動端位置有異常振動產生,根據經驗初步判斷為由牽引電機驅動端軸承問題導致。解體牽引電機,發現牽引電機驅動端球軸承的滾珠表面有金屬剝落,軸承外圈滾道有連續波紋狀凹槽出現,判斷為典型的軸承電腐蝕現象。通過分析牽引電機軸承產生電腐蝕的根本原因,提出為牽引電機添加導流環的技術方案,有效解決了牽引電機因軸電壓過大而導致的軸承電腐蝕問題。

2 故障分析

通常情況下,牽引電機軸承故障的原因主要分為兩大類。第一類為機械類原因,如軸承潤滑不良、軸承安裝不合理等。第二類為電氣類原因,如軸承電腐蝕。

技術人員對產生異響的牽引電機進行了分解分析。牽引電機技術參數見表1。

表1 牽引電機技術參數

分解牽引電機后,目視檢查定子、轉子,無異常。牽引電機兩端軸承包括驅動端深溝球軸承和非驅動端圓柱滾子軸承,如圖1所示。分解牽引電機兩端軸承,檢查結果顯示,牽引電機驅動端深溝球軸承外圈滾道表面顏色灰暗,伴有波紋狀凹槽,滾珠表面顏色灰暗,有剝落缺陷,軸承內圈滾道表面有磨損及壓痕,如圖2所示。對牽引電機非驅動端圓柱滾子軸承進行檢查,結果無異常。

圖1 牽引電機兩端軸承

根據GB/T 24611—2020《滾動軸承 損傷和失效 術語、特征及原因》,初步判斷牽引電機驅動端深溝球軸承為電腐蝕損傷。然后經專業檢測機構對故障軸承進一步分析,確認為典型軸承電腐蝕。專業檢測機構檢測結果見表2。

表2 專業檢測機構檢測結果

圖2 牽引電機驅動端深溝球軸承分解結果

3 牽引電機控制原理

軌道交通車輛牽引電機通過牽引逆變器實現控制,牽引逆變器作為軌道交通車輛交流傳動系統的重要組成部分,可以完成從直流高壓形式電能向交流形式電能的轉換,進而實現軌道交通車輛變頻調速功能。牽引逆變器采用脈沖寬度調制模式,改善牽引逆變器的輸出波形。將接觸網1 500 V直流電逆變為0～1 150 V三相交流電供給牽引電機,通過調壓、調頻實現對牽引電機進行牽引、制動、調速控制。與其它控制形式的逆變器相比,脈沖寬度調制技術可以降低牽引電機的諧波損耗,減小轉矩脈動,簡化逆變器結構,加快速度調節,提高系統的動態響應性能。

脈沖寬度調制模式的應用,顯著改善了牽引電機的調速性能,但是牽引逆變器輸出的脈沖寬度調制波無法達到完全的三相平衡,產生的高頻共模電壓將在牽引電機軸上感應出高幅值軸電壓,并且形成軸電流。

軌道交通車輛牽引電機的類型為三相對稱異步電機,牽引電機定子繞組中性點對地的電壓定義為共模電壓UCM,牽引電機A相、B相、C相的端電壓依次為uA、uB、uC,則共模電壓UCM為:

UCM=(uA+uB+uC)/3

(1)

當牽引電機由脈沖寬度調制逆變器驅動時,共模電壓不為0。共模電壓通過電機內部電容耦合作用,在轉子上感應出軸電壓,通過電機軸承,形成電流流通路徑。在牽引電機中,有三種耦合電容,即定子繞組和轉子之間的電容、定子繞組和定子鐵心之間的電容、轉子和定子鐵心之間的電容。共模電壓通過上述三種電容,在牽引電機轉子上感應出軸電壓。

牽引電機軸承滾道由內圈滾道和外圈滾道組成。牽引電機正常運行時,軸承滾珠在油脂中高速運轉,滾珠被油脂包裹。因為油脂的絕緣作用,內外圈滾道沒有金屬接觸,整個軸承可以等效為一個電容。當軸電壓超過油脂的擊穿電壓時,油脂被擊穿,軸承內外圈滾道類似于形成短路,沿軸承之間電阻最小的路徑放電,形成放電電流,即軸電流,如圖3所示。

圖3 軸電流產生示意圖

上述放電頻率極高,達每小時幾百萬次,電流具有很強的熱效應,發熱導致軸承溫度迅速上升。軸承內部接觸面局部金屬熔融,內外圈滾道表面出現大量麻點,即凹坑,摩擦力增大,導致軸承滾珠表面磨損嚴重,甚至剝落,潤滑油脂熔化溢出。與此同時,在軸承內外圈滾道上還會產生波紋狀凹槽,造成內外圈滾道表面前期損傷。軸承滾道與滾珠的機械磨損將使牽引電機產生異響和異常振動,磨損嚴重時還將導致軸承卡滯、失效,影響軌道交通車輛運營安全。

根據國內牽引電機的故障統計,牽引電機軸承25%的損壞由軸電壓和軸電流造成,隨著以絕緣柵雙極晶體管為功率器件的脈沖寬度調制逆變器作為牽引電機驅動電源被廣泛應用,牽引電機軸電壓和軸電流的問題日益嚴重。

4 解決措施

經過上述軸電壓和軸電流的分析可知,軸電壓是軸承電腐蝕問題產生的根源。通過建立一個有效的軸電壓放電旁路,可以達到降低軸承外圈和內圈之間軸電壓的目的。筆者提出加裝導流環抑制軸電壓的方案,導流環工作原理如圖4所示。

圖4 導流環工作原理

在牽引電機轉軸上加裝導流環,提供一個牽引電機軸到牽引電機殼體的低阻抗通路,導流環將牽引電機殼體與牽引電機軸直接短接,以疏導的方式降低軸電壓,減小軸電流。

為了驗證方案的有效性,選取同一軌道交通車輛一個轉向架上的兩臺相同牽引電機,在相同工況下在軌道正線進行牽引電機軸電壓測試,其中1號牽引電機設置加裝導流環,2號牽引電機無導流環。測試結果如圖5所示。

圖5 牽引電機軸電壓測試結果

由圖5可以看出,1號牽引電機軸電壓測試曲線平緩,數值小于10 V,2號牽引電機軸電壓測試曲線起伏異常明顯,數值達到105.2 V,由此充分證明了加裝導流環在降低牽引電機軸電壓方面的有效性和可行性。

通過對現有牽引電機的機械結構分析,在不改變牽引電機結構的前提下,結合導流環的安裝條件,決定將導流環安裝于牽引電機非驅動端,位于牽引電機非驅動端軸承蓋與牽引電機端蓋之間的空腔內,如圖6所示。

導流環安裝于牽引電機非驅動端空腔中,空腔內存在油污、潤滑油脂及其它細小顆粒,容易附著在導流環的導電纖維表面,會造成導電效果不暢。為了使導流環與油污、油脂等隔絕,在牽引電機非驅動端設計加裝迷宮環,使導流環位于迷宮環與牽引電機端蓋之間的封閉腔體內。

圖6 導流環安裝位置

設計方案由導流環、迷宮環A、迷宮環B組成,如圖7所示。

迷宮式密封是非接觸密封,無固相摩擦,不需要潤滑,適用于高溫、高壓、高速旋轉條件。在轉軸周圍設若干個依次排列的環行密封齒,齒與齒之間形成一系列節流間隙與膨脹空腔,被密封介質在通過曲折迷宮的間隙時產生節流效應,進而達到阻漏密封的目的。

導流環由鋁環和導電纖維組成,在鋁環內圈安裝有導電纖維,導電纖維與迷宮環B表面接觸,形成可靠的電路連接。導流環實物如圖8所示。

迷宮環A與導流環采用過盈配合,壓裝形成一個整體,與牽引電機殼體螺栓連接。迷宮環A實物如圖9所示。

迷宮環B與牽引電機轉軸采用定制螺栓連接,成為一個整體,隨著牽引電機軸的高速旋轉而轉動。迷宮環B實物如圖10所示。

最終形成由牽引電機軸、迷宮環B、導流環、迷宮環A、牽引電機殼體組成的電流通路。

為了驗證加裝導流環的可靠性,分析導流性能與壽命,特別搭建了一臺模擬牽引電機工作狀態的測試架,如圖11所示。

轉子運行模擬牽引電機加速、勻速、制動、換向等旋轉狀態,經過10 000 h監測,導流環的導電能力良好,導電纖維幾何外觀無變化,證明導電纖維具有良好的可靠性。導流環性能測試結果見表3。

圖10 迷宮環B實物

圖11 模擬牽引電機工作狀態測試架

表3 導流環性能測試結果

通過上述設計,完整地實現了加裝導流環的功能。導電纖維性能穩定,使用壽命長,迷宮環同樣工作可靠。在軌道交通車輛的整個架修期內,導流環與迷宮環可以免維護,由此極大節省牽引電機的維護成本。

5 結束語

牽引電機是軌道交通車輛牽引系統的核心部件之一,確保牽引電機正常運轉,是保障軌道交通車輛運營的關鍵。筆者分析了軸電壓、軸電流的產生原理,確定了軸電流的流通路徑,通過對牽引電機加裝導流環,有效降低了牽引電機軸電壓,為最終解決牽引電機軸承電腐蝕問題提供了可行的技術方案。