王立國

（中國北車集團 大連機車車輛有限公司 技術開發(fā)部，遼寧大連116022）

IGBT逆變器供電的電力機車轉向架軸承失效分析

王立國

（中國北車集團 大連機車車輛有限公司 技術開發(fā)部，遼寧大連116022）

對由IGBT變流元件構成的交流傳動逆變器供電的電力機車轉向架的驅動裝置軸承和軸箱軸承的電流通路進行探索、分析，特別對Electric Discharge Machining（EDM）電流進行了分析，提出了判斷軸承電蝕失效的依據及相應的解決措施。

交流傳動電力機車；IGBT逆變器；轉向架軸承；EDM電流；軸承失效

近年來，隨著鐵路向高速重載方向發(fā)展，電力機車和動車組牽引已經實現了由交直傳動到交直交傳動的轉變。我國干線鐵道電力牽引采用工頻25 k V供電系統［1］。目前，由IGBT等功率元件組成的變頻逆變器供電的大功率交流傳動系統，廣泛應用于機車和動車組驅動裝置和驅動系統中。由于牽引交流電路電流經車軸軸端接地，給電力機車轉向架上的軸承帶來了失效威脅［3-4］。國內外的研究人員，特別是交流電機研究人員，對如何避免電機軸承損傷做了相當多的研究，關于這方面的文獻也頗多［6，8，10，13］，但其僅僅局限于電機本身，很少論及與電機相連的負載。要想確定影響軸承失效的具體因素，特別是與電機相連的負載中所包含的軸承損傷，需要對整個交流傳動系統有整體上的認識，需要從系統的角度來分析。

1 電力機車牽引系統電流通路介紹

對轉向架軸承有影響電流通路總結起來，主要有原邊電流接地通路、主電路牽引系統電流通路以及列車間的電流平衡通路。

1.1 電力機車原邊電流通路

電力機車在單機運行時，電力機車牽引系統的電流有兩個主要的通路。一個為原邊電流通路，如圖1所示。接觸網25 k V，經受電弓PG，高壓套管HVB，高壓隔離開關QS，主斷路器MCB，到主變壓器TM1，與主變壓器TM1的原邊繞組A端子連接，經主變壓器原邊繞組后，經X端子流出，經過6個并聯的軸端接地裝置EB1～EB6接地，從輪對回流至鋼軌返回變電所。

1.2 電力機車主牽引系統電流通路

電力機車單機運行時，另一通路為25 k V單相交流電經過變壓器TM1（圖1），二次繞組轉換的低壓單相交流電，連接到相應的由IGBT元件構成的網側變流器（圖2），一般采用四象限變流器這是主牽引系統的整流環(huán)節(jié)；整流后的電流經過中間直流環(huán)節(jié)后，經電機側整流器，由IGBT元件構成的逆變器逆變?yōu)榻涣麟姍CM1～M4適用的三相交流電，這是主電路的逆變環(huán)節(jié)，如圖2所示。

圖1 電力機車牽引系統原邊電流路徑示意圖

圖2 交流傳動主電路系統示意圖

正是由于采用IGBT元件構成的逆變器供電，牽引電機才會產生EDM電流。EDM電流是造成軸承電蝕失效的主要原因，也是本文分析的重點。

1.3 電力牽引的列車間的電流通路

電力牽引的列車主要分為兩類，一類為電力機車牽引客車組成的客運列車，另一類為電力機車牽引貨車組成的貨運列車。機車與被牽引車輛間也存在平衡電流，此平衡電流會對轉向架軸箱軸承造成電蝕影響。可參考文獻［3-4］。

2 轉向架輪對驅動裝置組成及EDM電流路徑

2.1 轉向架輪對驅動裝置組成

電力機車或車輛轉向架（走行部）可以大致分為兩類，一類是帶牽引電機的轉向架，稱為動力轉向架，一類是不帶動力的轉向架，稱為非動力轉向架。對于目前我國正在運行的主力機型六軸、八軸電力機車而言，均為動力轉向架。對于無動力客車和貨車轉向架，均安裝非動力的兩軸轉向架。本文主要針對交流傳動六軸電力機車及轉向架組成的電流通路及轉向架部分相關軸承的失效分析。

六軸電力機車轉向架軸式為C0－C0，主要由構架、電機懸掛、輪對、基礎制動裝置、一、二系懸掛裝置等構成。此種類型的轉向架，根據電機懸掛裝置的安裝方式，又分為半懸掛和全懸掛轉向架。即交流牽引電機一端通過抱軸箱軸承非彈性的抱合在車軸上，另一端通過彈性橡膠關節(jié)，懸掛在構架的橫梁上。牽引電動機質量的一半通過帶有彈性橡膠關節(jié)的電機吊桿，懸掛在構架上，另一端通過與抱軸箱相連接，為滾動抱軸形式。當前，120 km等級的客貨運電力機車而言，均采用半懸掛形式，本文主要研究半懸掛形式的電力機車轉向架。如圖3所示為電力機車輪對驅動裝置剖面示意圖。

牽引電機3為電壓型PWM逆變器供電的交流異步牽引電機，單機功率可以達到1 200 k W到1 600 k W。牽引電機非驅動端通過抱軸箱軸承8，與車軸9相連，驅動端通過牽引主動齒輪5與套裝在車軸上的大齒輪7嚙合，傳遞力矩。車軸兩端分別通過軸箱軸承11與軸箱相連，有的軸箱還帶有軸端接地裝置10。三相交流電機運行時，產生的EDM電流，通過電機軸上安裝的齒輪5，與安裝在車軸上的從動齒輪7相連，經過車軸9和抱軸箱軸承8到軸端，經軸端接地裝置10，將電流接地。其通路如圖3中箭頭標志所示。

圖3 驅動裝置剖面示意圖［5］

由圖3可以看到，在共模電流流經的路徑上，電機軸兩端軸承（非驅動端和驅動端）、抱軸箱軸承以及軸箱軸承均暴露于EDM電流中，存在電蝕的風險。

3 電力機車轉向架軸承的失效分析

3.1 電力機車轉向架軸承介紹

目前國內主要型號電力機車轉向架的軸承可以分為3類：牽引電機軸承、驅動裝置齒輪箱軸承和軸箱軸承。采用的軸承種類主要有圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、深溝球軸承和4點接觸球軸承等見圖3。

3.2 軸承失效模式及原因

軸承失效的原因大致分為3類：①潤滑不良；②機械損傷；③電火花放點加工（EDM）或者稱為軸承電流。本文重點分析電火花放電加工（EDM）或者稱為軸承電流導致的軸承損傷。

3.3 牽引電機變頻供電下的電機軸電流問題

電力機車牽引電機及其驅動裝置組成的通路中，有兩種類型的電流。一種為環(huán)路電流，一種為共模電流，共模電流又分為d v/d t（電壓變化率）電流和EDM電流（又稱為電火花加工電流）其產生機理可參考文獻［10］。d v/d t電流主要是由于電源電壓零序分量的存在而引起，通過電容的充放電使軸承出現放電，從而產生d v/d t電流。d v/d t電流與逆變器載波頻率和電壓上升時間有關，逆變器的載波頻率越高，一個調制周期波周期內產生的d v/d t電流數量越多，但電流幅值不變。

牽引電機軸電壓產生循環(huán)軸電流早在19世紀20年代，就被Alger發(fā)現［6］。目前，由IGBT功率元件構成的PWM逆變器驅動裝置中，關于電機軸電壓、電機和負載軸承電流的產生，主要有3個原因：

（1）由于相間電壓不平衡或者是共模電壓導致的電源供應的不平衡產生的靜電感應電機軸電壓。

（2）快速開關PWM供電電源，會產生快速的電壓瞬變（高d v/d t）和高的PWM載波頻率。

（3）主要是由于磁場不對稱或者是磁通量不平衡產生的軸向轉子電壓。

對于交流傳動來說，電機軸電壓及軸承和負載電流產生的主要的原因，主要是由共模電壓產生的轉子靜電感應電勢。

如圖4所示為典型的PWM供電的變頻調速電機系統。圖5所示為簡化驅動示意圖。電力機車的牽引電機由于采用由IGBT元件構成的逆變器變頻驅動，電源電壓含有比較高次的諧波分量，使電源中點電壓產生零點漂移，即中點電壓不再為零，從而通過電路中存在的零序回路產生軸電壓，該電壓將在系統中產生零序電流。電壓源零點對地電壓，也就是電壓源的零序電壓，可以由式（1）表示：

圖4 PWM交流電機控制示意圖［7］

圖5 可調速逆變器示意圖

圖6 三相正弦波電壓

在三相平衡的正弦波供電情況下，VCM＝0，而在逆變器供電時，VCM取決于逆變器的開關狀態(tài)，其值將不再是零，而是隨著逆變器開關狀態(tài)改變而改變［7］。

逆變器技術及共模：

變流元件IGBT構成的PWM逆變器變頻調速系統，由于其6開關三相拓撲結構會產生共模電壓，任意時刻，6個晶體管中的3個處于開通狀態(tài)。如圖7、圖8所示。圖8為t1時刻S1、S4、S5閉合時的示意圖，圖9所示為其閉合時的等效電路圖。此時產生共模電壓為VCM＝VB/6。

圖7 基本6開關逆變器/三相電機電路示意圖

圖8 時間為t1時刻SW1、SW2、SW3閉合時的電路圖

圖9 時間為t1時刻SW1、SW4、SW5閉合時的等效電路

圖10為t2時刻SW2、SW4、SW5閉合時的示意圖，圖11所示為其閉合時的等效電路圖，此時共模電壓VCM＝－VB/6

圖10 時間為t2時刻SW2、SW4、SW5閉合時電路

圖11 時間為t2時刻SW2、SW4、SW5閉合時的等效電路

圖12為六階躍逆變器作用時共模電壓示意圖，圖13所示正弦波PWM波形產生與共模電壓，此時共模電壓峰值可以達到VCM＝VB/2。由此可見共模電壓是很高的。

圖12 六階躍逆變器作用時共模電壓（開關順序1－6－3－2－5－4）（若電機基頻為f0則共模電壓頻率為3 f0）

圖13 正弦波PWM波形產生與共模電壓（共模電壓頻率＝載波頻率fc轉折或階躍數＝6fc）

由以上的分析看，共模電壓的峰值為中間直流母線電壓的1/2，因此，對與功率在1 200～1 600 k W的交流牽引電機來說，其中間直流回路電壓VB可達2 800 V，其共模電壓峰值可以達到1 400 V左右，數值是非常高的。

3.4 導致軸承損傷的電壓和電流范圍

根據德國標準［3］對于通過列車軸端軸承電流的相關研究表明，只有通過軸承的電流密度超過一定的界限值時，才會對軸承造成損傷。

接觸電壓：軸承剛導電時的接觸電壓，也就是燒熔損壞電壓，公認的限值為0.5 V；

軸承電流密度：在接觸面上，依照赫茲點接觸原理［8-9］，實際經驗表明，通過電流密度的絕對下限值為0.1 A/mm2，當足夠的運轉時間達到軸承損壞時，接觸面上的電流密度極限值為0.7 A/mm2［3］。有研究表明當軸承電流密度小于0.8 A/mm2時，不會影響軸承機械壽命［8］。軸承壽命與電流密度之間的關系可以參考下圖14［8］所示。

圖14 軸承電流密度/（A·mm－2）與壽命之間關系

需要注意的是電流密度而不是電流的大小起決定作用。軸承電流密度的計算，除了需要測量電流大小外，還需要根據赫茲點接觸理論，計算軸承接觸面積。文獻［10］提供了電力機車抱軸箱軸承的一個仿真計算實例，可作參考。其主要研究了與牽引電機相連的抱軸箱軸承電流及其是否需要采用絕緣軸承。其變流器和電機參數為：電機在額定工況下牽引功率為300 k W。其余參數見表2所示。

表2 300 kW電機及變流器參數

作者通過計算機仿真的方法，計算出齒輪箱抱軸箱軸承的電流密度如表3所示。

表3 計算所得軸承電流密度

結合上面4種情況，得出抱軸箱軸承電流密度小于0.1 A/mm2，因此抱軸箱軸承不需要絕緣軸承。并且依據D.Busse等人提出的軸承壽命公式［8］，在牽引電機的額定工況下計算，即取抱軸箱軸承電流密度最大值0.073 A/mm2，可以計算抱軸箱軸承的電氣使用壽命為：

式（2）中：Eleclife表示軸承電氣壽命。

對于單機功率為1 200～1 600 k W的大功率牽引電機來說，與其相連的抱軸箱軸承和軸箱軸承是否需要采用絕緣軸承，還需要進一步的仿真分析和研究。

4 判斷軸承電蝕的依據

4.1 軸承滾道的損傷

電蝕可以導致軸承損傷以致最終的永久失效。損傷的第一階段肉眼是看不見的，此階段由EDM電流現象產生的微觀小坑，跟點焊差不多。此過程發(fā)生次數以千計時，產生如圖15所示密布的微觀電蝕小坑，直徑在幾微米。損傷的第二階段與微觀小坑有關，通常被稱為銼痕性損傷，如圖16、圖17所示。在對軸承進行檢測時，如果出現以下癥狀，可以斷定軸承存在電蝕：軸承的外圈內滾道和內圈外滾道出現銼痕式的褶皺，或者油脂顏色變黑。

圖15 軸承外圈滾道輕微電蝕小坑［11］

圖16 軸承外圈滾道輕微銼痕［11］

圖17 軸承內圈圈滾道電蝕銼痕［11］

圖18 軸承油脂顏色變黑［11］

4.2 油脂的判斷

最后，電蝕會導致潤滑脂分解，老化。變黑的油脂是電蝕高級階段普遍的標志，因為局部的溫度峰值會導致潤滑脂中增稠劑、基油和添加劑發(fā)生反應，如圖18所示。

5 保護牽引電機及其相連接負載軸承措施

關于保護牽引電機本身及其相關負載中的軸承，例如驅動裝置抱軸箱軸承、軸箱軸承等，存在數種可行的減輕軸承電流的措施。這些措施在很大程度上是成功的，此處按照優(yōu)先順序給出。對于其中的一些措施，例如電機軸接地炭刷需要周期性的檢查和維護。采用電機接地刷；對于電流通路中的電機軸軸承，驅動裝置軸承及軸箱軸承全部采用絕緣軸承；采用隔離的軸承/全部（陶瓷軸承）；采用帶導電油脂的軸承；d v/d t濾波器（也稱為正弦濾波器）；采用法拉第屏蔽定子繞組的電機；共模變壓器（被動）共模濾波器（主動）采用雙PWM逆變器（12開關）等。

能夠減輕軸承電流，但是不能消除產生軸承電流電勢的措施：

降低PWM頻率到能接受的限值，在逆變器驅動和電機之間安裝3%～5%的電感（inductor），對電機定子疊片安全接地，降低逆變器驅動輸入電壓到最低可接受限值等措施。

在新設計交流傳動電力機車，特別是采用由IGBT元件構成的電壓型PWM調制逆變器作為電機的供電電源時，必須將由此產生的交流電機軸承電流現象予以考慮，并考慮其與齒抱軸箱軸承和軸箱軸承的連接關系及可能存在的電流通路。

最常用的消除軸承電流的方法是對軸承絕緣。需要特別注意的是必須對電機兩個軸承全部絕緣，如果僅僅對一端軸承進行絕緣，所有的電流將流經未絕緣的軸承，導致更快的軸承失效。如果電機軸承采用絕緣軸承的話，與電機相連的驅動裝置軸承也必須絕緣，否則的話，電流就會從電機軸流經負載中的軸承或者是轉速計軸承到大地。如果不能對驅動負載或者相連元件進行隔離的話，至少應該增加電機軸接地炭刷，以提供電流對地的低阻抗路徑。

6 結束語

提出了交流傳動電力機車流經轉向架軸承的3種電流通路；對交流傳動電力機車轉向架軸承的失效形式及原因進行了分析總結，重點對由IGBT等功率開關元件構成的電壓型PWM逆變器引起的軸承電流進行分析，明確了判斷軸承產生電蝕的依據，提出了減輕軸承電流的數項措施，以期對交流傳動電力機車轉向架軸承的設計、運用和檢修維護提供一點借鑒，確保行車安全。

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Analysis of Bogie Bearing Failure of IGBT Inverter-Fed Electric Locomotive

WANG Liguo
（Technology Development Department，Dalian Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，CNR Group，Dalian 116022 Liaoning，China）

The current path through drive unit bearings and axle box bearings of IGBT Inverter-fed electric locomotives is investigated and analyzed.Especially，the EDM current inducing the electric erosion failure is analyzed.The proofs to identify the electric erosion and the corresponding solutions to prevent the failure are proposed.

AC drive electric locomotive；IGBT inverter；bogie bearing；EDM current；bearing failure

U264.8

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.08

1008－7842（2014）04－0038－06

8—）男，工程師（

2014－01－14）