王大強,萬岳雄,魏志欣,章元軍
(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東 青島 266111;2.西安交通大學 經濟與金融學院,西安 710061)
隨著我國經濟和社會的發(fā)展,以汽車為主導的交通模式所帶來的能源危機、環(huán)境污染、土地緊缺、交通擁堵等問題日顯嚴重。現代化的有軌電車具有便捷性、舒適性、美觀性以及造價低等特點,在國內中小城市逐漸發(fā)展起來,并已成為公共交通運輸中的骨干力量。永磁電動機是有軌電車的主要動力部件,其結構復雜,安全性要求高,對其絕緣軸承的性能要求非常高。下文主要對永磁電機絕緣軸承設計的關鍵技術進行分析和研究。
有軌電車為了方便乘客上下車,大多數都采用低地板設計,并廣泛采用獨立輪對。采用低地板設計造成安裝空間較小,永磁電動機需要設計為與車輪集成一體的結構,通過萬向節(jié)直接驅動獨立車輪[1],永磁電機軸承的結構比一般電機軸承的結構復雜。由于電動機與車輪集成化設計,電機軸承維護及更換成本較高,對軸承的壽命要求也較高,L10壽命要求達到10年或120萬公里(先到為準),壽命周期內軸承免維護。另外,永磁電動機工作過程中會有軸電流存在,軸承要求有一定的絕緣能力,防止軸承使用過程中因電蝕而失效,絕緣電阻要求在DC 1 000 V下測量需大于500 MΩ。
電車在運行過程中有一定的沖擊和振動,永磁電動機-定位端配置深溝球軸承,非定位端配置NU型圓柱滾子軸承。受安裝空間的限制,永磁電動機未設計軸承座,軸承外圈需設計安裝凸緣實現與定子連接。定位端與非定位端軸承均采用單元化設計,配置鋼制迷宮式非接觸密封,填加潤滑脂后實現自潤滑和免維護,軸承為絕緣設計,結構如圖1所示。
圖1 軸承結構示意圖
軸承絕緣形式有內圈絕緣、外圈絕緣和滾動體絕緣3種形式。內、外圈絕緣工藝采用等離子噴涂陶瓷粉末,然后再對陶瓷層進行磨削加工和封孔處理。相對于滾動體絕緣,對軸承安裝要求較高,安裝過程要防止損傷絕緣層,也不適用于復雜的結構。而滾動體絕緣軸承與一般軸承的安裝條件相同,規(guī)格較大的軸承采用陶瓷滾動體絕緣,但目前大尺寸的陶瓷滾動體價格高,故絕緣方案需要根據軸承結構及應用工況選擇。
由于永磁電機軸承內徑和外徑表面形狀不規(guī)則,不適合采用內、外圈噴涂絕緣層。因此,選用陶瓷滾動體混合軸承實現軸承絕緣的要求,滾動體材料為Si3N4,同時填加高介電強度潤滑脂實現軸承絕緣。
永磁電機軸承采用滾動體絕緣,潤滑脂的絕緣性能直接影響軸承絕緣性能,由于常規(guī)軸承用潤滑脂介電強度較小,通常不大于20 kV,不能滿足電機工作時對軸承絕緣性能的要求。為滿足軸承絕緣性能要求,未選擇常規(guī)軸承潤滑脂,選擇全氟聚醚潤滑脂作為軸承的潤滑劑,實現軸承絕緣性能要求和壽命周期內的潤滑要求。全氟聚醚潤滑脂由聚四氟乙烯(PTFE)稠化高化學穩(wěn)定性的全氟聚醚油(PFPE),并添加特種抗腐蝕添加劑精制而成,具有出色的熱穩(wěn)定性及氧化穩(wěn)定性,壽命是常規(guī)潤滑產品的5~10倍,并具有優(yōu)異的絕緣性能,擊穿電壓達到48 kV。
在電機軸承設計中,保持架引導方式主要為滾動體和外圈引導2種方式,其中以滾動體引導最為常見。主要優(yōu)點是在潤滑脂潤滑的條件下,采用滾動體引導保持架可以避免過潤滑,提高軸承的運行壽命和可靠度[2]。該保持架結構選擇鉚接式實體青銅保持架,引導方式為滾動體引導,兜孔形狀為圓弧形。青銅的抗拉強度比黃銅高50%以上,在有沖擊和振動的工況條件時,疲勞壽命更長。
由于永磁電機軸承要求壽命長,接觸式橡膠密封雖然密封性能優(yōu)異,但橡膠在使用過程中存在磨損和老化的風險,難以保證軸承在使用后期的密封效果。該軸承密封形式選擇為非接觸式的鋼制組合密封,結構為迷宮式組合密封。非接觸式鋼制密封相比接觸式橡膠密封有更好的溫度適應性,同時在使用壽命方面更具優(yōu)勢,采用迷宮式設計時密封效果較好,可以滿足永磁電機軸承長壽命的要求。
根據軸承應用條件及ICE 61373—2010《鐵路應用 機車車輛設備 沖擊和振動試驗》中的振動條件,對軸承進行受力分析,然后根據GB/T 6391—2010《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》中規(guī)定的壽命計算方法,對軸承的設計壽命L10進行了計算。非定位端軸承的設計壽命為
定位端軸承的設計壽命為
式中:D為車輪直徑,D=0.626 m。計算結果顯示非定位端和定位端軸承的設計壽命均大于120×104km,滿足設計要求。
采用兆歐表對軸承的絕緣電阻進行檢測,在DC 1 000 V條件下,絕緣電阻大于1 000 MΩ,絕緣性能滿足設計要求。
將軸承裝入永磁電動機,對軸承的運轉性能、漏脂和溫升情況進行試驗,電機試驗參數見表1。
客戶反饋試驗過程中軸承運轉良好,溫升正常,漏脂率小于5%,滿足裝機試驗的考核要求。
表1 電機試驗參數
通過對有軌電車永磁電機絕緣軸承應用特點分析和研究,設計了單元化的混合陶瓷滾動體絕緣軸承。通過裝機試驗,滿足應用需求。