于乃術(shù)

(濟(jì)南鐵路局 濟(jì)南西機(jī)務(wù)段青島整備車間,山東青島266021)

濟(jì)南西機(jī)務(wù)段青島地區(qū)2009年3月份開始配屬HXD3型交流傳動(dòng)電力機(jī)車用于客車牽引。先后于2009年8月30日HXD3-445機(jī)車第4牽引電機(jī)發(fā)生竄軸故障;2009年10月6日HXD3-441機(jī)車發(fā)生第6牽引電機(jī)冒煙故障;2009年10月14日HXD3-445機(jī)車第4電機(jī)軸承固著故障。HXD3機(jī)車牽引電機(jī)故障均在停車區(qū)間乘務(wù)員下車檢查時(shí)發(fā)現(xiàn),均未對(duì)旅客運(yùn)輸產(chǎn)生較大影響。

如何在現(xiàn)有的條件下盡可能在庫(kù)內(nèi)預(yù)防或提早發(fā)現(xiàn)HXD機(jī)車牽引電機(jī)故障,降低由此引發(fā)的機(jī)車運(yùn)行事故是我段目前著重考慮的問題,下面就對(duì)此問題進(jìn)行深入探討。

1 HXD3型機(jī)車牽引電機(jī)的構(gòu)造

HXD3型機(jī)車牽引電機(jī)是逆變器供電的三相鼠籠式異步Y(jié)J85A牽引電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)為滾抱結(jié)構(gòu),單端輸出;采用強(qiáng)迫外通風(fēng),冷卻風(fēng)從非傳動(dòng)端進(jìn)入傳動(dòng)端排出;采用3軸承結(jié)構(gòu),3個(gè)軸承均為絕緣軸承;傳動(dòng)端采用圓柱滾子軸承;非傳動(dòng)端采用雙軸承結(jié)構(gòu),承受徑向力的為圓柱滾子軸承,承受軸向力的為4點(diǎn)接觸球軸承。在兩端蓋處設(shè)有注油口,使用中可補(bǔ)充潤(rùn)滑脂。

2 牽引電機(jī)故障的機(jī)理

(1)流經(jīng)牽引電機(jī)軸承電流的影響

HXD3機(jī)車原邊電流是通過受電弓進(jìn)入機(jī)車,經(jīng)高壓隔離開關(guān)和主斷路器,通過高壓互感器進(jìn)入機(jī)車,經(jīng)25 kV高壓電纜與變壓器原邊一端,變壓器原邊另一端通過6個(gè)并聯(lián)回流裝置EB1～EB6,從輪對(duì)回流至鋼軌。如圖1所示。

圖1 機(jī)車主電路圖

由于原邊電流是通過輪對(duì)回流至鋼軌,就會(huì)不可避免出現(xiàn)電流流經(jīng)軸承表面的問題,電流流經(jīng)軸承表面,就會(huì)產(chǎn)生電火花,從而熔融滾道表面,形成電流腐蝕。由此可在滾道表面形成可見斑點(diǎn),在顯微鏡下可觀察到斑點(diǎn)是由細(xì)小的凹坑簇集而成,進(jìn)一步發(fā)展就可導(dǎo)致波紋狀表面。這種斑點(diǎn)將導(dǎo)致軸承表面運(yùn)行惡化、過熱,從而引起軸承固著故障。

(2)輪對(duì)表面擦傷或剝離的影響

輪對(duì)表面出現(xiàn)擦傷或剝離問題,隨機(jī)車高速運(yùn)行,擦傷部位將對(duì)鋼軌產(chǎn)生周期性沖擊力作用,這種沖擊力將會(huì)部分作用到牽引電機(jī)軸承上,速度越大這種沖擊力越大,從而引起電機(jī)軸承故障。

(3)牽引電機(jī)軸承設(shè)計(jì)安裝方式與齒輪齒形影響

HXD3機(jī)車牽引電機(jī)傳動(dòng)端采用圓柱滾子軸承;非傳動(dòng)端采用雙軸承結(jié)構(gòu)。HXD3機(jī)車牽引電機(jī)的齒端小齒輪與輪對(duì)采用斜齒配合。斜齒輪從原理上講在傳遞力矩的過程將產(chǎn)生軸向力矩,這個(gè)軸向力矩隨其傳遞徑向力矩成正比。由牽引電機(jī)的軸承設(shè)計(jì)安裝可知,整個(gè)軸向力均作用在4點(diǎn)接觸球軸承上。這個(gè)軸向力隨牽引電機(jī)不同轉(zhuǎn)向而相反。4點(diǎn)接觸球軸承從結(jié)構(gòu)上講,其承受軸向作用能力是有限的。過大的軸向力極易導(dǎo)致其發(fā)生故障,從而引起竄軸或固著。

3 機(jī)車小輔修時(shí)的牽引電機(jī)軸承質(zhì)量控制預(yù)防措施

(1)回流裝置EB1～EB6的檢查

由流經(jīng)牽引電機(jī)軸承電流影響機(jī)理分析可知,一旦回流裝置發(fā)生故障或接觸不良,原邊電流不能通過回流裝置流回到鋼軌,勢(shì)必將導(dǎo)致該回流電流部分通過輪對(duì)軸承和牽引電機(jī)軸承回流到鋼軌。從而造成該處所的軸承出現(xiàn)電流腐蝕,這種腐蝕達(dá)到一定程度,就將導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)中軸承過熱固著,引發(fā)機(jī)車故障。

2009年10月14日HXD3-445機(jī)車第4電機(jī)軸承發(fā)生固著故障,在10月25日更換牽引電機(jī)后,11月4日小修發(fā)現(xiàn)回流裝置EB4出現(xiàn)質(zhì)量問題,該裝置碳刷四周出現(xiàn)1 mm左右凹痕,存在卡阻現(xiàn)象,有過熱及燒灼跡象。如圖2所示。

圖2 回流裝置EB4出現(xiàn)的卡阻現(xiàn)象

從上述情況看,加強(qiáng)對(duì)回流裝置EB的檢查對(duì)預(yù)防牽引電機(jī)軸承故障是有一定意義的。因此,在防止?fàn)恳姍C(jī)軸承故障的措施中,加強(qiáng)回流裝置的技術(shù)檢查是必不可少的,需引起技術(shù)管理人員的注意,將其納入預(yù)防故障技術(shù)檢查措施中進(jìn)行落實(shí),建議每次小輔修時(shí)打蓋檢查。

對(duì)回流裝置的檢查要求:①檢查接地電刷不小于59 mm,接觸面良好,不小于80%,連接線狀態(tài)良好,連接應(yīng)牢固。②集電環(huán)狀態(tài)良好,無異物。③彈簧無裂紋,無變形。④各部固定螺栓緊固良好,密封良好。

(2)牽引齒輪箱的打蓋檢查

HXD3型大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車的輔修周期為走行5.0+5%萬 km,修制安排為:輔—輔—小,小1—小2—小3—中 1,中1—中2—中3—大1。

因此定期在小輔修時(shí)打開牽引變速齒輪箱檢查牽引電機(jī)油封狀態(tài),對(duì)提前預(yù)防牽引電機(jī)竄軸、軸承故障有良好的作用。

由于牽引電機(jī)油封由轉(zhuǎn)子齒端過量程套管和電機(jī)齒端端蓋組成的迷宮式油封,在外觀上是看不到的,只能通過觀察過量程套管外端與牽引電機(jī)齒端端蓋位移變化進(jìn)行判斷。既通過用高度尺進(jìn)行兩端面距離測(cè)量,并將6個(gè)牽引電機(jī)端面檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行比較,以此觀察位移變動(dòng)情況;同時(shí),需再次將機(jī)車入庫(kù)檢查時(shí)運(yùn)行的反方向牽引運(yùn)行一段距離,再做上述測(cè)量,再觀察位移變動(dòng)情況,發(fā)現(xiàn)異常時(shí),落電機(jī)分解檢查。上述測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)予以保留,逐步做到在進(jìn)行同期比較的同時(shí)同一電機(jī)的歷史數(shù)據(jù)比較,對(duì)提前發(fā)現(xiàn)牽引電機(jī)故障更有指導(dǎo)意義。

(3)利用牽引齒輪箱換油時(shí)故障預(yù)防

牽引電機(jī)變速箱需15萬km更換齒輪箱油,齒輪箱油型號(hào)為SHC75W90LS廠家Mobil,該油油質(zhì)清澈,為暗紅色。如在更換齒輪箱油時(shí),發(fā)現(xiàn)油質(zhì)變色,或出現(xiàn)黑色污濁或雜質(zhì)時(shí),必須打開齒輪箱檢查孔蓋檢查牽引電機(jī)油封狀態(tài)。

對(duì)牽引電機(jī)及齒輪箱結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn),該結(jié)構(gòu)不同于我國(guó)DF8B、DF4A、B型機(jī)車結(jié)構(gòu)。電機(jī)齒端軸承出現(xiàn)問題發(fā)生潤(rùn)滑脂泄漏時(shí),該油脂不會(huì)從電機(jī)齒端部流到電機(jī)外部,而是流到牽引變速箱內(nèi)部(如圖3所示),與牽引變速箱齒輪油混合;發(fā)生潤(rùn)滑脂流出時(shí),從外觀是看不到有油溢出的痕跡。因此如換油時(shí)發(fā)現(xiàn)油質(zhì)異常,就必須注意,及時(shí)打蓋進(jìn)行檢查。

HXD3-0445機(jī)車2次發(fā)現(xiàn)第4牽引齒輪箱底部有油跡時(shí)都是在牽引電機(jī)故障軸承固死后出現(xiàn)的,在這之前沒有任何先兆。原因就在于HXD牽引齒輪箱與牽引電機(jī)結(jié)合設(shè)計(jì)的這種特殊結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只有在電機(jī)發(fā)生軸承固死故障,牽引齒輪箱發(fā)生嚴(yán)重彈性變形時(shí),才會(huì)有齒輪油從彈性變形產(chǎn)生的空間間隙內(nèi)(原密封結(jié)合面被變形破壞)泄漏出來,變形恢復(fù),泄漏消除,只留下了能從齒輪箱外部看見的油跡。因此,只有在發(fā)生故障時(shí)才會(huì)有潤(rùn)滑脂泄漏,有油跡出現(xiàn)。

圖3 電機(jī)齒端軸承發(fā)生潤(rùn)滑脂泄漏時(shí)的情況

4 運(yùn)用機(jī)車牽引電機(jī)質(zhì)量控制預(yù)防措施

(1)利用機(jī)車牽引電機(jī)保護(hù)監(jiān)視系統(tǒng)預(yù)防控制

由HXD3型機(jī)車主回路(圖1)可以發(fā)現(xiàn),在每一組牽引變流器的輸出回路中,設(shè)有輸出電流互感器CT U、CTW,見圖4所示,對(duì)牽引電機(jī)過載及牽引電機(jī)三相不平衡起控制和監(jiān)視保護(hù)作用,牽引電機(jī)過載保護(hù)的動(dòng)作值為 1 400 A(10 μ s和 1 ms);發(fā)生保護(hù)時(shí),四象限脈沖整流器和逆變器的門極均被封鎖,輸入回路中的工作接觸器斷開,同時(shí)向微機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出跳主斷的信號(hào)。

圖4 機(jī)車主電路的平衡控制和監(jiān)視保護(hù)電路

由于牽引電機(jī)軸承出現(xiàn)故障,將導(dǎo)致電機(jī)過載,從而導(dǎo)致過載保護(hù)動(dòng)作,因此途中出現(xiàn)牽引電機(jī)發(fā)生過流時(shí),TCMS顯示屏顯示故障,對(duì)該到達(dá)機(jī)車,非常有必要入庫(kù)進(jìn)行打蓋檢查。確認(rèn)是否出現(xiàn)竄軸等電機(jī)故障。

同時(shí)對(duì)途中出現(xiàn)上述保護(hù)報(bào)警時(shí),還需要乘務(wù)員在就近可停車地點(diǎn)下車進(jìn)行手摸檢查電機(jī)及輪對(duì),是否存在溫度過高。及時(shí)采取措施,避免事故擴(kuò)大化。

(2)牽引電機(jī)接地故障處理

當(dāng)牽引電機(jī)接地時(shí),TCMS會(huì)發(fā)出跳主斷的命令,同時(shí)顯示屏?xí)@示相應(yīng)的故障。此時(shí)將司控器主手柄回“0”位,按“復(fù)位”按鈕,如能合上主斷,手柄能提到位,觀察牽引電機(jī)牽引力,如發(fā)現(xiàn)一個(gè)及一個(gè)以上電機(jī)無牽引力,則根據(jù)牽引噸數(shù)來確定是否繼續(xù)牽引或是將整列車維持運(yùn)行到下一個(gè)車站。如合不上主斷,或是提手柄后就跳主斷,應(yīng)立即隔離相應(yīng)的CI,然后就能合上主斷、提手柄。維持運(yùn)行,到達(dá)就近可停車區(qū)段時(shí),乘務(wù)員要停車下車手摸檢查電機(jī)機(jī)體是否存在溫度過高,同時(shí)通過通風(fēng)窗對(duì)牽引電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行觀察,要預(yù)防電機(jī)爆膛及出現(xiàn)其他故障。并及時(shí)采取措施,避免事故擴(kuò)大化。

對(duì)出現(xiàn)接地故障報(bào)警的到達(dá)機(jī)車,必須進(jìn)行技術(shù)檢查。測(cè)量絕緣電阻:用1 000 V兆歐表測(cè)量定子繞組冷態(tài)絕緣電阻不低于100 M Ω;用500 V兆歐表測(cè)量轉(zhuǎn)軸對(duì)定子的絕緣電阻不低于5 MΩ。測(cè)量定子繞組線電阻,換算到20℃時(shí),其值應(yīng)與典型值0.079 48 Ω的相對(duì)誤差不超過±10%。

(3)電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示出現(xiàn)故障

當(dāng)機(jī)車正常運(yùn)行時(shí),出現(xiàn)嚴(yán)重空轉(zhuǎn)或無轉(zhuǎn)速,這是電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)沒有正常傳送到TCMS中去,可能是傳感器本身故障,也可能是傳輸線路問題,或電機(jī)竄軸導(dǎo)致傳感器失效故障。2009年8月30日發(fā)現(xiàn)HXD3-445機(jī)車第4牽引電機(jī)發(fā)生竄軸故障就是在電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示無轉(zhuǎn)速時(shí),打開防護(hù)罩檢查電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器時(shí)發(fā)現(xiàn)的。

在運(yùn)行中出現(xiàn)上述情況時(shí),乘務(wù)員要在就近停車地點(diǎn)停車下車手摸檢查電機(jī)軸承端蓋部位,是否存在溫度過高。對(duì)該車入庫(kù)后應(yīng)及時(shí)將途中信息反饋整備車間專業(yè)工程師,反饋信息要詳細(xì),并將個(gè)人手機(jī)號(hào)碼留下,以便在判斷故障需要進(jìn)一步了解信息時(shí),能及時(shí)進(jìn)行溝通。提高對(duì)故障的判斷處理。

(4)加強(qiáng)輪對(duì)踏面檢查來預(yù)防牽引電機(jī)軸承故障

對(duì)輪對(duì)踏面施行趟檢,對(duì)踏面擦傷或剝離達(dá)到技術(shù)規(guī)定的限定要求時(shí),必須及時(shí)進(jìn)行更換。踏面發(fā)生剝離或擦傷產(chǎn)生周期性沖擊對(duì)機(jī)車牽引電機(jī)的軸承影響是間接的,需要一定的時(shí)間累計(jì),其引發(fā)的故障往往因時(shí)間較長(zhǎng),最終導(dǎo)致故障歸罪于軸承質(zhì)量不良所致,使故障的真正原因被忽視或被掩蓋。

因此,對(duì)走行部質(zhì)量控制要樹立防微杜漸的思想。實(shí)際工作中,往往出現(xiàn)因輪對(duì)準(zhǔn)備不到位,對(duì)踏面擦傷或剝離超限輪對(duì)采取維持使用觀察,這樣的作法是不可取的。這種作法極易造成地勤檢查人員的質(zhì)量安全意識(shí)淡化,輕視走行部質(zhì)量檢查,而且由于踏面沖擊力的作用隨機(jī)車運(yùn)行速度而變化,這種變化導(dǎo)致軸承發(fā)生不確定性故障,極易導(dǎo)致發(fā)生重大運(yùn)輸事故。

踏面擦傷、剝離的技術(shù)檢查要求如下:車輪踏面擦傷深度不大于0.7 mm;車輪踏面剝離長(zhǎng)度不超過40 mm,且深度不超過1 mm;輪對(duì)踏面磨耗不大于7 mm,輪緣厚度不小于23 mm。工作中應(yīng)嚴(yán)格遵守此規(guī)定。

5 通過改變選用的軸承來降低軸承故障的建議

HXD3機(jī)車牽引電機(jī)的齒端小齒輪與輪對(duì)采用斜齒配合。斜齒輪從原理上講在傳遞力矩的過程中將產(chǎn)生軸向力,這個(gè)軸向力與其傳遞徑向力矩成正比。通過分析可以看出,4點(diǎn)接觸球軸承主要承擔(dān)軸向力,并起著轉(zhuǎn)子軸向定位的作用。如果4點(diǎn)接觸球軸承出現(xiàn)故障,才會(huì)出現(xiàn)竄軸故障。因此,建議將4點(diǎn)接觸球軸承改為雙列圓錐滾子軸承,將軸向力的承擔(dān)分別由兩列圓錐滾子軸承來承擔(dān),提高其承受軸向作用的能力。這對(duì)提高牽引電機(jī)工作可靠性是有幫助的。下面對(duì)兩種軸承略作簡(jiǎn)化分析,以示對(duì)比。

單列圓錐滾子軸承:當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷計(jì)算為

單列向心球軸承(4點(diǎn)接觸球軸承):當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷計(jì)算為

單列大錐角圓錐滾子軸承,取e為1.5tanβ時(shí),Y取 0.4ctanβ(β取 25°～ 29°);單列向心球軸承,取 e最大值0.44時(shí),Y取1(e取值越小,Y取值越大)。

取當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷P相等,將上述條件代入公式(1)、(2)可推導(dǎo)出

式中,Fα為軸向力;Fγ為徑向力;Y為軸向系數(shù);e為與軸承實(shí)際接觸角β有關(guān)的參數(shù)。

由于HXD3交流傳動(dòng)電力機(jī)車投入使用時(shí)間較短,牽引電機(jī)發(fā)生故障后,都是由廠家運(yùn)回分解,現(xiàn)場(chǎng)站段一般很難具體了解到發(fā)生故障的實(shí)際原因,這就為現(xiàn)場(chǎng)如何預(yù)防、發(fā)現(xiàn)故障帶來困難。造成牽引電機(jī)軸承故障的原因是多方面的,通過對(duì)HXD機(jī)車的運(yùn)用、故障現(xiàn)象、原理機(jī)制作出系統(tǒng)分析,希望能對(duì)提前發(fā)現(xiàn)HXD機(jī)車牽引電機(jī)故障以及預(yù)防發(fā)生運(yùn)行故障提供一些有益的幫助。

[1] HXD3型大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車保養(yǎng)使用說明書(1)、(2)[Z].中國(guó)北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司,2006.

[2] HXD3型大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車維修手冊(cè)[Z].中國(guó)北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司,2006.

[3] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) (上冊(cè)) (第2分冊(cè)) 第2版(修訂)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1987.