史向前 王立民 莊思宇 徐琳琳

(中車大連機車車輛有限公司檢修技術(shù)部 遼寧 大連 116021)

0 概述

HXD3(C)型機車牽引電機是引進(jìn)日本東芝技術(shù)制造的4極異步牽引電動機，由牽引變流器供電，斜齒傳動，滿足大功率電力機車的需要，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。該電機選用NTN絕緣軸承，傳動端為NU330軸承，非傳動端內(nèi)側(cè)為NU320軸承，外側(cè)為QJ318軸承，為承受斜齒傳動帶來的軸向力，采用了三軸承結(jié)構(gòu)。

1—過渡盤裝配；2—傳動端端蓋；3—傳動端軸承外蓋；4—NU330軸承；5—傳動端外封環(huán)；6—傳動端軸套；7—傳動端內(nèi)封環(huán)；8—轉(zhuǎn)子；9—定子；10—非傳動端端蓋； 11—加油嘴蓋；12—加油嘴；13—非傳動端軸承座；14—非傳動端外封環(huán)；15—測速齒盤；16—非傳動端軸承外蓋；17—QJ318軸承；18—軸承內(nèi)圈隔套；19—非傳動端內(nèi)軸套；20—軸承外圈隔套；21—NU320軸承；22—非傳動端內(nèi)封環(huán)。圖1 牽引電機結(jié)構(gòu)圖

HXD3型機車從2010年開始進(jìn)入兩年檢，兩年檢完成后陸續(xù)投入運用，2011年進(jìn)入批量修，2014年開始，連續(xù)出現(xiàn)牽引電機軸承故障，絕大多數(shù)都是NU330軸承內(nèi)環(huán)裂紋或破損，其次是QJ318軸承，故障最少的是NU320軸承，之后還出現(xiàn)了幾例斷軸故障，嚴(yán)重的情況是一臺機車兩軸、三軸電機同時出現(xiàn)故障。

1 故障現(xiàn)象

1.1 故障現(xiàn)象及匯總

牽引電機故障主要表現(xiàn)為傳動端外封環(huán)變色、外竄，NU330軸承內(nèi)圈裂紋、剝離，軸承燒損，轉(zhuǎn)軸磨損；非傳動端表現(xiàn)為QJ318軸承燒損，NU320燒損。選取2014年～2018年拆解的15例故障電機情況：NU330電機故障的9例，QJ318軸承故障的4例，斷軸的2例。

1.2 故障現(xiàn)象分析

牽引電機故障分為兩種，一種是軸承故障，一種是斷軸故障。軸承故障的起因是NU330或QJ318軸承，驅(qū)動端軸承故障一般都是在齒輪力矩作用下，NU330軸承內(nèi)圈出現(xiàn)傷痕，再發(fā)展成內(nèi)圈裂紋或剝離，發(fā)熱加劇，伴隨潤滑失效，裂紋可以發(fā)展成為斷裂，無論是內(nèi)圈裂紋還是剝離，最后都會造成軸承燒損，電機固死。非驅(qū)動端軸承故障一般都是在電機高速運轉(zhuǎn)時，QJ318軸承滾珠、內(nèi)圈和保持架受損，造成滾珠和滾道磨損，保持架變形或斷裂，溫度持續(xù)升高，最終潤滑失效，導(dǎo)致燒損。QJ318軸承失效后，電機轉(zhuǎn)子軸向竄動量過大，軸向力加在NU320和NU330軸承上，軸承內(nèi)部摩擦加劇，溫度持續(xù)升高，可造成同端NU320軸承和驅(qū)動端NU330故障。同樣，NU330軸承故障，發(fā)生軸向位移，外封環(huán)外竄，QJ318軸承承受超額的軸向力，直至發(fā)生故障。斷軸故障原因是在齒輪力矩作用下，轉(zhuǎn)軸上與齒輪配合的根部有壓痕，力矩作用于壓痕位置，逐步發(fā)展成疲勞裂紋，最后發(fā)展成斷裂。牽引電機故障進(jìn)展如圖2所示。

圖2 牽引電機故障進(jìn)展示意圖

2 故障原因分析

2.1 兩年檢檢修技術(shù)規(guī)程的要求

HXD3(C)型新造機車投入運用以來，牽引電機軸承很少發(fā)生故障，由于兩年檢機車的運用里程未達(dá)到軸承的壽命，牽引電機軸承依據(jù)兩年檢規(guī)程要求，進(jìn)行拆解檢修，兩年檢機車投入運用后發(fā)生故障，問題原因集中在軸承的拆解、檢修和安裝方面。

2.2 故障原因初步判定

(1)NU330軸承故障原因。根據(jù)現(xiàn)場工藝核查和軸承檢驗結(jié)果初步分析，軸承故障可初步判定為以下3個原因所致：一是2013年底在批量生產(chǎn)的情況下，用火焰加熱內(nèi)環(huán)時操作不當(dāng)，以致內(nèi)環(huán)表面局部溫度過高，導(dǎo)致內(nèi)環(huán)滾道面局部被破壞，機車運用中軸承內(nèi)環(huán)產(chǎn)生局部疲勞，出現(xiàn)傷痕后滾道面剝離，內(nèi)環(huán)斷裂最終導(dǎo)致軸承燒損。二是兩年檢電機出廠前缺少軸承異音檢測項目，對可能存在的組裝、試驗和軸承故障未能全面檢驗，成為質(zhì)量安全隱患。三是個別軸承內(nèi)環(huán)存在隨機分布的脆性非金屬夾雜物，軸承運用過程中，分布于滾道表層的鏈狀脆性夾雜物在滾動接觸應(yīng)力作用下易產(chǎn)生材料疲勞，萌生疲勞裂紋，最終導(dǎo)致內(nèi)環(huán)斷裂。

(3)QJ318軸承故障。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，QJ318軸承故障大都發(fā)生在HXD3C型客運機車上，客運機車運行速度快，故障原因是在QJ318軸承拆解和重新組裝時，由于操作不規(guī)范，導(dǎo)致機車高速運行時軸承非正常工作，滾珠、保持架和內(nèi)圈受損，在軸承保持架碎裂以及滾珠磨損后的金屬物質(zhì)混入油脂內(nèi)部導(dǎo)致溫度升高，潤滑失效，進(jìn)一步引起溫度上升，最后導(dǎo)致軸承運轉(zhuǎn)失效[1-2]。

3 工藝改進(jìn)措施

自牽引電機軸承發(fā)生故障后，通過對規(guī)、對標(biāo)工作，以及現(xiàn)場檢查和工藝技術(shù)提升，及時糾正了原有工藝不足和操作不當(dāng)?shù)膯栴}，避免檢修工序中不良因素對電機軸承的影響，操作規(guī)范性有所提高。通過持續(xù)跟進(jìn)，對發(fā)生的問題不斷分析處理，妥善解決了故障問題。

3.1 針對NU330軸承故障的工藝提升

(1)現(xiàn)場檢查時發(fā)現(xiàn)NU330軸承內(nèi)圈用火焰直接加熱，容易受熱不均，與同型牽引電機檢修工藝對比，改為只加熱軸套，并且控制加熱溫度，使其不大于110 ℃。

(2)軸承清洗工藝不變，增加定期清潔度檢測要求。

(3)依據(jù)TG/JW 177——2014和TG/JW 183——2014兩年檢檢修技術(shù)規(guī)程要求，NU330游隙限度為0.165～0.255 mm，NU320游隙限度為0.105～0.205 mm?，F(xiàn)場檢查兩年檢檢修記錄發(fā)現(xiàn)，絕大部分軸承的游隙都在新造值范圍內(nèi)，為提高軸承精度，把NU330和NU320軸承的游隙限度內(nèi)控為新造標(biāo)準(zhǔn)。由于NU330軸承內(nèi)環(huán)故障率較高，在原檢修工藝的基礎(chǔ)上，增加軸承內(nèi)環(huán)探傷和尺寸檢查，對有疑問的軸承，全部更新。

(5)電機試驗增加軸承異音檢測。在電機轉(zhuǎn)速試驗完成后，用金屬棒抵住NU330軸承位置進(jìn)行異音檢測，由經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員傳授，并固定專人進(jìn)行，存在問題或有疑問的軸承全部更新。

3.2 斷軸問題工藝提升

(1)兩年檢電機軸探傷

分別采用磁粉和滲透探傷方法對同一電機軸裂紋部位進(jìn)行檢測，可發(fā)現(xiàn)滲透探傷無法檢出深度較小的裂紋，而磁粉探傷可準(zhǔn)確檢測出電機軸同一裂紋。滲透探傷中，探傷人員操作不規(guī)范導(dǎo)致滲透劑清洗過度，裂紋內(nèi)污染物清洗不徹底等，受這些因素的影響，檢測的靈敏度下降，造成電機軸裂紋采用滲透探傷無法發(fā)現(xiàn)的問題，鑒于此采用磁粉探傷對電機軸進(jìn)行探傷可靠性較高，轉(zhuǎn)軸探傷采用磁粉探傷。

(2)在段HXD3(C)型電力機車電機軸探傷

對所有在段運用的兩年檢HXD3(C)型電力機車電機軸的裂紋檢測，通過在電機軸端部位采用小角度超聲波探頭對裂紋易發(fā)部位進(jìn)行掃查，如電機軸存在一定深度(不低于0.5 mm)的裂紋，則可輕易判別出裂紋回波。有問題的電機返回檢修。

(3) 增加卸荷槽

為了從根本上避免主動齒輪倒角尖角處直接與軸面接觸產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而預(yù)防裂紋的產(chǎn)生。雖然可以采取將齒輪的倒角改成圓角的改善方案，但該方案存在因加工精度的問題導(dǎo)致內(nèi)孔錐度面和圓角間產(chǎn)生尖角或臺階情況出現(xiàn)的可能性，同樣會產(chǎn)生應(yīng)力集中。作為避免應(yīng)力集中的方案，如圖3所示，采用在軸上設(shè)置卸荷槽的辦法來預(yù)防。

圖3 卸荷槽改造前后對照

3.3 QJ318軸承故障的工藝提升

HXD3(C)型機車均加裝6A走行部監(jiān)測報警子系統(tǒng)，對牽引電機軸承溫升和沖擊進(jìn)行預(yù)警，但部分QJ318軸承故障發(fā)生時未能報警，檢查分析認(rèn)為存在兩個原因：一是QJ318軸承的襯套與軸承座間隙達(dá) 0.2 mm ，故障沖擊信息不能直接通過襯套、軸承座傳遞到檢測探頭，只能通過電機軸迂回傳遞導(dǎo)致信號強度損失；二是因結(jié)構(gòu)限制，非驅(qū)動端檢測位置距離軸承較遠(yuǎn)，又設(shè)置在端蓋散熱窗之間的筋條上，沖擊和溫度信號均有較大的衰減，不能準(zhǔn)確對電機非驅(qū)動端的軸承故障進(jìn)行預(yù)報警。

經(jīng)過多方研究，決定新增一個靠近318軸承的測點(見圖4)，在原位置逆時針旋轉(zhuǎn)10～15°，避免原方案的傳感器距離軸承較遠(yuǎn)、位置不在承載區(qū)、接受信號較弱的缺陷，保證及時報警，該方案已裝車試用考核。

圖4 新增測點示意圖

4 總結(jié)

2014年牽引電機故障發(fā)生后，安排專人赴16個運用段對牽引電機的外封環(huán)狀態(tài)和轉(zhuǎn)軸超聲波探傷進(jìn)行循環(huán)普查，并結(jié)合唐智報警系統(tǒng)判斷，發(fā)現(xiàn)的問題電機及時替換返修，2015年后故障逐步降低。近年隨著修程修制改革的實施和檢修工藝的逐步改進(jìn)，牽引電機軸承故障已恢復(fù)常態(tài)。