加装导流环解决牵引电机轴承电腐蚀问题

□ 徐 君

西门子交通技术(北京)有限公司上海分公司 上海 200082

1 问题情况

上海轨道交通的车辆维保人员在日常巡检中发现,车辆以低速返回车库时,车下走行部转向架附近有异响。技术人员随即展开进一步监测,确认异响来自于车辆转向架其中一台牵引电机。使用振动监测设备探测牵引电机振动,监测信号显示牵引电机壳体靠近驱动端位置有异常振动产生,根据经验初步判断为由牵引电机驱动端轴承问题导致。解体牵引电机,发现牵引电机驱动端球轴承的滚珠表面有金属剥落,轴承外圈滚道有连续波纹状凹槽出现,判断为典型的轴承电腐蚀现象。通过分析牵引电机轴承产生电腐蚀的根本原因,提出为牵引电机添加导流环的技术方案,有效解决了牵引电机因轴电压过大而导致的轴承电腐蚀问题。

2 故障分析

通常情况下,牵引电机轴承故障的原因主要分为两大类。第一类为机械类原因,如轴承润滑不良、轴承安装不合理等。第二类为电气类原因,如轴承电腐蚀。

技术人员对产生异响的牵引电机进行了分解分析。牵引电机技术参数见表1。

表1 牵引电机技术参数

分解牵引电机后,目视检查定子、转子,无异常。牵引电机两端轴承包括驱动端深沟球轴承和非驱动端圆柱滚子轴承,如图1所示。分解牵引电机两端轴承,检查结果显示,牵引电机驱动端深沟球轴承外圈滚道表面颜色灰暗,伴有波纹状凹槽,滚珠表面颜色灰暗,有剥落缺陷,轴承内圈滚道表面有磨损及压痕,如图2所示。对牵引电机非驱动端圆柱滚子轴承进行检查,结果无异常。

图1 牵引电机两端轴承

根据GB/T 24611—2020《滚动轴承 损伤和失效 术语、特征及原因》,初步判断牵引电机驱动端深沟球轴承为电腐蚀损伤。然后经专业检测机构对故障轴承进一步分析,确认为典型轴承电腐蚀。专业检测机构检测结果见表2。

表2 专业检测机构检测结果

图2 牵引电机驱动端深沟球轴承分解结果

3 牵引电机控制原理

轨道交通车辆牵引电机通过牵引逆变器实现控制,牵引逆变器作为轨道交通车辆交流传动系统的重要组成部分,可以完成从直流高压形式电能向交流形式电能的转换,进而实现轨道交通车辆变频调速功能。牵引逆变器采用脉冲宽度调制模式,改善牵引逆变器的输出波形。将接触网1 500 V直流电逆变为0～1 150 V三相交流电供给牵引电机,通过调压、调频实现对牵引电机进行牵引、制动、调速控制。与其它控制形式的逆变器相比,脉冲宽度调制技术可以降低牵引电机的谐波损耗,减小转矩脉动,简化逆变器结构,加快速度调节,提高系统的动态响应性能。

脉冲宽度调制模式的应用,显著改善了牵引电机的调速性能,但是牵引逆变器输出的脉冲宽度调制波无法达到完全的三相平衡,产生的高频共模电压将在牵引电机轴上感应出高幅值轴电压,并且形成轴电流。

轨道交通车辆牵引电机的类型为三相对称异步电机,牵引电机定子绕组中性点对地的电压定义为共模电压UCM,牵引电机A相、B相、C相的端电压依次为uA、uB、uC,则共模电压UCM为:

UCM=(uA+uB+uC)/3

(1)

当牵引电机由脉冲宽度调制逆变器驱动时,共模电压不为0。共模电压通过电机内部电容耦合作用,在转子上感应出轴电压,通过电机轴承,形成电流流通路径。在牵引电机中,有三种耦合电容,即定子绕组和转子之间的电容、定子绕组和定子铁心之间的电容、转子和定子铁心之间的电容。共模电压通过上述三种电容,在牵引电机转子上感应出轴电压。

牵引电机轴承滚道由内圈滚道和外圈滚道组成。牵引电机正常运行时,轴承滚珠在油脂中高速运转,滚珠被油脂包裹。因为油脂的绝缘作用,内外圈滚道没有金属接触,整个轴承可以等效为一个电容。当轴电压超过油脂的击穿电压时,油脂被击穿,轴承内外圈滚道类似于形成短路,沿轴承之间电阻最小的路径放电,形成放电电流,即轴电流,如图3所示。

图3 轴电流产生示意图

上述放电频率极高,达每小时几百万次,电流具有很强的热效应,发热导致轴承温度迅速上升。轴承内部接触面局部金属熔融,内外圈滚道表面出现大量麻点,即凹坑,摩擦力增大,导致轴承滚珠表面磨损严重,甚至剥落,润滑油脂熔化溢出。与此同时,在轴承内外圈滚道上还会产生波纹状凹槽,造成内外圈滚道表面前期损伤。轴承滚道与滚珠的机械磨损将使牵引电机产生异响和异常振动,磨损严重时还将导致轴承卡滞、失效,影响轨道交通车辆运营安全。

根据国内牵引电机的故障统计,牵引电机轴承25%的损坏由轴电压和轴电流造成,随着以绝缘栅双极晶体管为功率器件的脉冲宽度调制逆变器作为牵引电机驱动电源被广泛应用,牵引电机轴电压和轴电流的问题日益严重。

4 解决措施

经过上述轴电压和轴电流的分析可知,轴电压是轴承电腐蚀问题产生的根源。通过建立一个有效的轴电压放电旁路,可以达到降低轴承外圈和内圈之间轴电压的目的。笔者提出加装导流环抑制轴电压的方案,导流环工作原理如图4所示。

图4 导流环工作原理

在牵引电机转轴上加装导流环,提供一个牵引电机轴到牵引电机壳体的低阻抗通路,导流环将牵引电机壳体与牵引电机轴直接短接,以疏导的方式降低轴电压,减小轴电流。

为了验证方案的有效性,选取同一轨道交通车辆一个转向架上的两台相同牵引电机,在相同工况下在轨道正线进行牵引电机轴电压测试,其中1号牵引电机设置加装导流环,2号牵引电机无导流环。测试结果如图5所示。

图5 牵引电机轴电压测试结果

由图5可以看出,1号牵引电机轴电压测试曲线平缓,数值小于10 V,2号牵引电机轴电压测试曲线起伏异常明显,数值达到105.2 V,由此充分证明了加装导流环在降低牵引电机轴电压方面的有效性和可行性。

通过对现有牵引电机的机械结构分析,在不改变牵引电机结构的前提下,结合导流环的安装条件,决定将导流环安装于牵引电机非驱动端,位于牵引电机非驱动端轴承盖与牵引电机端盖之间的空腔内,如图6所示。

导流环安装于牵引电机非驱动端空腔中,空腔内存在油污、润滑油脂及其它细小颗粒,容易附着在导流环的导电纤维表面,会造成导电效果不畅。为了使导流环与油污、油脂等隔绝,在牵引电机非驱动端设计加装迷宫环,使导流环位于迷宫环与牵引电机端盖之间的封闭腔体内。

图6 导流环安装位置

设计方案由导流环、迷宫环A、迷宫环B组成,如图7所示。

迷宫式密封是非接触密封,无固相摩擦,不需要润滑,适用于高温、高压、高速旋转条件。在转轴周围设若干个依次排列的环行密封齿,齿与齿之间形成一系列节流间隙与膨胀空腔,被密封介质在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应,进而达到阻漏密封的目的。

导流环由铝环和导电纤维组成,在铝环内圈安装有导电纤维,导电纤维与迷宫环B表面接触,形成可靠的电路连接。导流环实物如图8所示。

迷宫环A与导流环采用过盈配合,压装形成一个整体,与牵引电机壳体螺栓连接。迷宫环A实物如图9所示。

迷宫环B与牵引电机转轴采用定制螺栓连接,成为一个整体,随着牵引电机轴的高速旋转而转动。迷宫环B实物如图10所示。

最终形成由牵引电机轴、迷宫环B、导流环、迷宫环A、牵引电机壳体组成的电流通路。

为了验证加装导流环的可靠性,分析导流性能与寿命,特别搭建了一台模拟牵引电机工作状态的测试架,如图11所示。

转子运行模拟牵引电机加速、匀速、制动、换向等旋转状态,经过10 000 h监测,导流环的导电能力良好,导电纤维几何外观无变化,证明导电纤维具有良好的可靠性。导流环性能测试结果见表3。

图10 迷宫环B实物

图11 模拟牵引电机工作状态测试架

表3 导流环性能测试结果

通过上述设计,完整地实现了加装导流环的功能。导电纤维性能稳定,使用寿命长,迷宫环同样工作可靠。在轨道交通车辆的整个架修期内,导流环与迷宫环可以免维护,由此极大节省牵引电机的维护成本。

5 结束语

牵引电机是轨道交通车辆牵引系统的核心部件之一,确保牵引电机正常运转,是保障轨道交通车辆运营的关键。笔者分析了轴电压、轴电流的产生原理,确定了轴电流的流通路径,通过对牵引电机加装导流环,有效降低了牵引电机轴电压,为最终解决牵引电机轴承电腐蚀问题提供了可行的技术方案。