唐暢， 梁西川， 陳紅生， 曹燕飛， 梁巧靈， 朱菲菲

（南車(chē)株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

隨著我國(guó)高鐵的普及以及向西、北部風(fēng)沙氣候地區(qū)發(fā)展，高速動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)必將面臨風(fēng)沙磨蝕，而現(xiàn)階段絕緣已經(jīng)受不起風(fēng)沙磨蝕的考核，會(huì)過(guò)早失效。時(shí)速350 km/h動(dòng)車(chē)組在前期線路調(diào)試階段，由于鐵路施工沿途沉積沙石，列車(chē)運(yùn)行時(shí)將沙石吸入電機(jī)內(nèi)部并在轉(zhuǎn)子沖擊下高速運(yùn)動(dòng)撞擊電機(jī)繞組，導(dǎo)致繞組絕緣磨損過(guò)早失效，影響電機(jī)運(yùn)行的可靠性。根據(jù)數(shù)列調(diào)試動(dòng)車(chē)組返修經(jīng)驗(yàn)，初步判斷高速動(dòng)車(chē)組在風(fēng)沙環(huán)境下運(yùn)行，電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)磨蝕壽命約20萬(wàn)km。應(yīng)我國(guó)高鐵發(fā)展的需求，我公司開(kāi)展了絕緣系統(tǒng)耐風(fēng)沙防護(hù)設(shè)計(jì)和壽命研究。

1 動(dòng)車(chē)電機(jī)絕緣磨蝕

高速動(dòng)車(chē)電機(jī)絕緣磨損屬于噴砂型沖擊磨蝕，其磨損程度主要與沙石的粒徑、硬度、速度、濃度、時(shí)間和絕緣結(jié)構(gòu)本身性能相關(guān)。絕緣損害部位僅在繞組端部拐角處，主要是由于繞組端部拐角處對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子端環(huán)導(dǎo)條露出部位，列車(chē)運(yùn)行速度為350km/h時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度為5133r/min，高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子（導(dǎo)條部位）使此處的砂塵獲得高速動(dòng)能沖擊繞組絕緣，導(dǎo)致此處的絕緣逐漸磨損直到失效。

某型高速動(dòng)車(chē)組A類牽引電機(jī)和某型高速動(dòng)車(chē)組B類牽引電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)都面臨同樣的絕緣磨蝕問(wèn)題，絕緣磨損狀態(tài)見(jiàn)圖1、圖2。A類牽引電機(jī)絕緣磨損發(fā)生在線路調(diào)試階段，該階段線路建筑砂塵較多。電機(jī)運(yùn)行約20萬(wàn)km后，外包玻璃絲帶磨耗嚴(yán)重，露出聚酰亞胺薄膜。B類牽引電機(jī)未參與線路調(diào)試，但其正常運(yùn)營(yíng)約90萬(wàn)km后，外包玻璃絲帶磨耗嚴(yán)重，露出聚酰亞胺薄膜，與A類牽引電機(jī)磨損狀況相似。

2 絕緣結(jié)構(gòu)耐磨蝕性能研究

2.1 耐磨蝕材料

沖蝕現(xiàn)象在實(shí)際工程中涉及很廣，如火力發(fā)電廠煤粉鍋爐燃燒的尾氣對(duì)換熱器管路的沖蝕而造成的破壞大致占管路破壞的1/3，通常采用表面增加剛性陶瓷類材料進(jìn)行防護(hù)和修復(fù)［1］。電機(jī)葉片長(zhǎng)期受到泥沙沖蝕，通常采用表面噴涂彈性阻尼型聚氨酯材料進(jìn)行防護(hù)［2］。按照材料特性可以分為彈性和剛性兩種，彈性材料是通過(guò)自身的彈性和韌性特點(diǎn)，吸收高速運(yùn)動(dòng)的砂塵沖擊力，來(lái)緩解砂塵對(duì)材料的破壞實(shí)現(xiàn)耐磨；而剛性材料則是利用自身的高強(qiáng)度抵抗高速運(yùn)動(dòng)的砂塵沖擊力。

圖1 A類牽引電機(jī)絕緣磨損狀態(tài)

圖2 B類牽引電機(jī)絕緣磨損狀態(tài)

牽引電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)外層保護(hù)絕緣通常采用玻璃絲帶綁扎保護(hù)，在傳統(tǒng)應(yīng)用可知范圍內(nèi)目前還沒(méi)有一種合適的絕緣浸漬樹(shù)脂配合無(wú)堿玻璃絲帶能夠經(jīng)受長(zhǎng)期高溫砂塵磨蝕。高速動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)耐砂塵磨蝕防護(hù)可以借鑒火力發(fā)電和水輪發(fā)電機(jī)防沖蝕的經(jīng)驗(yàn)，采用絕緣表面噴涂一層耐磨材料進(jìn)行防護(hù)。分別選用了聚氨酯彈性耐磨材料和環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)系列剛性耐磨材料在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行噴砂試驗(yàn)，對(duì)比兩者耐磨性能。常態(tài)下噴砂試驗(yàn)結(jié)果表明：與剛性環(huán)氧體系相比，聚氨酯彈性耐磨材料具有更好的耐磨蝕性能［3-5］，但聚氨酯耐熱等級(jí)不足以滿足動(dòng)車(chē)電機(jī)的運(yùn)行要求，故不能采用。高速動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)絕緣防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用耐熱型彈性耐磨材料。

2.2 絕緣結(jié)構(gòu)耐磨蝕防護(hù)材料的選擇

為滿足動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)運(yùn)行工況要求，絕緣防護(hù)材料和防護(hù)結(jié)構(gòu)必須滿足以下要求：1）動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)每運(yùn)行約120萬(wàn)km進(jìn)行一次大修，絕緣防護(hù)層耐磨蝕壽命應(yīng)滿足最少120萬(wàn)km的運(yùn)行要求，防止在大修期內(nèi)電機(jī)內(nèi)部絕緣受損；2）絕緣防護(hù)層應(yīng)具有可修復(fù)性；3）防護(hù)層位于電機(jī)絕緣表面，耐磨蝕材料應(yīng)具有電氣絕緣性能；4）防護(hù)層位于電機(jī)絕緣表面，耐磨蝕材料應(yīng)具有良好的附著力；5）施工簡(jiǎn)單，便于操作；6）耐磨蝕材料耐熱等級(jí)應(yīng)在H級(jí)或H級(jí)以上。

通過(guò)材料信息收集和以往對(duì)所接觸材料的了解，動(dòng)車(chē)電機(jī)絕緣防護(hù)材料宜選用具有耐熱等級(jí)高（H級(jí)及以上）、內(nèi)聚力強(qiáng)、耐磨蝕的彈性氟硅橡膠材料。某廠開(kāi)發(fā)的耐磨蝕氟硅橡膠技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 耐磨蝕氟硅橡膠技術(shù)特性

2.3 絕緣防護(hù)磨蝕試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)設(shè)備

絕緣防護(hù)磨蝕試驗(yàn)?zāi)M動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行熱態(tài)噴砂試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置采用高溫噴砂設(shè)備（見(jiàn)圖3），該設(shè)備內(nèi)置電加熱器，可以對(duì)試樣進(jìn)行加熱，并實(shí)現(xiàn)室溫至200℃連續(xù)可調(diào)。

圖3 高溫噴砂設(shè)備

2.3.2 試驗(yàn)試樣

表2 試樣表面處理

試驗(yàn)試樣采用高速動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)，采用銅排外包相應(yīng)絕緣材料制作，浸漆固化后表面噴涂耐磨蝕氟硅橡膠防護(hù)層。試樣編號(hào)見(jiàn)表2。

2.3.3 試驗(yàn)參數(shù)

試樣進(jìn)行相同試驗(yàn)條件下的對(duì)比研究試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如下：1）風(fēng)動(dòng)方向。噴砂機(jī)風(fēng)動(dòng)方向與試樣垂直。2）試驗(yàn)溫度。電機(jī)運(yùn)行溫度長(zhǎng)期在160℃，防護(hù)涂層采用180℃級(jí)。故試驗(yàn)選取更嚴(yán)酷的180℃考核條件，試驗(yàn)溫度180±5℃；3）石英砂。動(dòng)車(chē)電機(jī)運(yùn)行環(huán)境砂粒粒徑80%左右為75～150 μm，對(duì)比研究試驗(yàn)選用150目砂粒，砂粒粒徑106 μm。4）噴砂壓力。電機(jī)實(shí)際砂塵沖擊速度無(wú)法檢測(cè)，為了更好識(shí)別試樣磨蝕性能差異，適當(dāng)延長(zhǎng)試樣噴砂磨蝕時(shí)間，選取0.2 MPa壓力噴砂。

2.3.4 試驗(yàn)壽命終點(diǎn)

試樣A噴砂至絕緣結(jié)構(gòu)外包絕緣破損露出主絕緣，噴砂終止記錄磨蝕壽命；

試樣B噴砂至氟硅橡膠防護(hù)層破損露出主絕緣，噴砂終止記錄磨蝕壽命。

圖4、圖5分別為試樣A、試樣B磨蝕壽命終點(diǎn)狀態(tài)。

圖4 試樣A腐蝕壽命終點(diǎn)狀態(tài)

圖5 試樣B腐蝕壽命終點(diǎn)狀態(tài)

2.3.5 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在相同噴砂試驗(yàn)條件下，基準(zhǔn)試樣A的磨蝕壽命為10 min，噴涂了耐磨蝕氟硅橡膠防護(hù)層結(jié)構(gòu)的試樣B的磨蝕壽命為750 min。磨蝕壽命的巨大差異，說(shuō)明氟硅橡膠防護(hù)層具有非常優(yōu)異的防護(hù)效果。

根據(jù)前期動(dòng)車(chē)組調(diào)試運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，高速動(dòng)車(chē)組在風(fēng)沙環(huán)境下運(yùn)行，電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)磨蝕壽命約20萬(wàn)km。試樣A結(jié)構(gòu)熱態(tài)加速磨蝕壽命10min，相當(dāng)于實(shí)際運(yùn)行20萬(wàn)km，而具有氟硅橡膠防護(hù)層的B結(jié)構(gòu)耐磨蝕壽命是A結(jié)構(gòu)的75倍，理論預(yù)期其運(yùn)行磨蝕壽命可達(dá)1 500萬(wàn)km，能夠現(xiàn)實(shí)動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)在風(fēng)沙環(huán)境下運(yùn)行終身免維護(hù)。

表3

3 結(jié)語(yǔ)

高速動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)耐風(fēng)沙磨蝕壽命的研究對(duì)我國(guó)高鐵的普及和向西、北部風(fēng)沙氣候地區(qū)發(fā)展具有重要意義。高溫噴砂試驗(yàn)表明，電機(jī)絕緣采用耐磨蝕氟硅橡膠防護(hù)具有非常優(yōu)異的效果，可以解決高速動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)被風(fēng)沙磨蝕的難題，為實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)在風(fēng)沙環(huán)境下運(yùn)行實(shí)現(xiàn)絕緣終身免維護(hù)奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 金貞玉，鄒國(guó)華.火電廠隔熱抗磨防超溫涂料的研制［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2009（7）：13-15.

［2］ 劉敏.水輪機(jī)磨蝕與防護(hù)措施的研究［J］.科技傳播，2012（22）：74-75.

［3］ 李學(xué)軍.磨蝕機(jī)理探討及抗磨蝕材料的應(yīng)用［J］.西北水資源與水工程，1996（7）：41-48.

［4］ 顧四行.我國(guó)有關(guān)水機(jī)磨蝕研究和防護(hù)措施［J］.水力發(fā)電機(jī)學(xué)報(bào)，1991（2）：27-38.

［5］ 王志高.非金屬抗磨蝕保護(hù)層的應(yīng)用和效益［J］.陜西水力發(fā)電，1993（1）：23-29.