周福林，王文昊，張 偉，熊進飛

（西南交通大學電氣工程學院，四川成都 611756）

軸箱軸承作為走行部關鍵組成部件，承受來自列車的沖擊載荷。軸承損傷不僅帶來嚴重的經濟損失，而且直接影響行車安全［1-2］。有研究表明，軸承電流的存在將加劇軸承的損傷，使軸承滾道逐步出現表面剝離、凹凸損傷，最終導致軸承損壞失效，并且軸承電流的密度更是直接對軸承壽命產生影響［3］。這種由軸承電流造成的軸承損傷現象，稱之為軸承電蝕。國內外關于軸承電蝕的研究主要有電機軸承電蝕和軸箱軸承電蝕2個方向［4-6］。

近年來，軸箱軸承電蝕現象在電氣化線路運行的車輛上頻繁發(fā)生。在鐵路列車軸承檢修過程中發(fā)現，電蝕故障占軸承故障的30%以上［7］。2011年6月至2012年2月間，上海機務段配屬的韶山型電力機車發(fā)生6起軸承外圈內滾道電蝕故障［8］。2011年，成都車輛段段修客車共計898 輛，因電蝕報廢軸承1 353 套，平均每輛客車報廢1.51 套軸承［9］。由京廣線運行車輛的實測數據看出，保護接地線流過的電流最大可達25.5 A，且此接地電流的一部分會流過軸承［10］。國外有學者通過測量列車連接處電流發(fā)現，因新型車體電阻較小，流過列車車體的電流增大，加劇了軸承電蝕［11］。軸承電流一般在20～40 A之間，但瞬間可高達70～100 A［12］。

通過建立接地系統(tǒng)主電路模型，分析得出車體與軸端串聯0.5 Ω 的電阻可顯著降低動車組車體電流，進而抑制軸承電流［13］。采用集中保護接地方式，接地電流全部集中于少數接地點，大電流將加大對接地碳刷及軸承的磨損；采用優(yōu)化的分散保護接地方式，可使各保護接地的電流小于20 A 且分布均勻［14］。理論分析與現場試驗表明，采用在車體與軸端串聯電阻的方式，雖然減小了流過車體的電流，但是抬升了車體對地電勢［15］。為解決該問題在某一轉向架上將車體與軸端直接相連，然而對改造后軸承電流的大小沒有進行研究。

本文通過測試發(fā)生軸箱軸承電蝕的國內地鐵車輛的牽引電流、保護接地線的接地電流，從而量化軸承電流的大小及其與牽引回流的關系。通過建立軸承電流仿真模型，研究抑制軸承電流的新型接地方式，并進行有效性驗證。

1 軸箱軸承電流產生與測量

1.1 電流的產生

地鐵列車通常從接觸網取電，經整流變壓器、逆變器后為牽引電動機提供電能。地鐵牽引電流匯集于列車動車的匯流排，從匯流排引出數根連接到列車軸端接地裝置的回流線，即工作接地線。正常情況下，牽引回流主要通過軸端的接地裝置流向輪對，繼而經鋼軌回流至牽引變電所。為防止列車車體電壓過高，車體與轉向架和轉向架與軸端均安裝柔性的軟連線，即保護接地線。保護接地線為牽引回流流向列車轉向架、車體提供了路徑。

若列車某處軸箱絕緣被破壞，則流入車體及轉向架的電流最終流回鋼軌的過程中有一部分電流流過該軸承，形成軸承電流。列車的接地方式及軸承電流的典型流通路徑如圖1所示。

圖1 列車接地方式及軸承電流典型流通路徑

1.2 電流的測量

為研究軸承電流的大小及其與牽引電流的關系，需要測量的物理量有軸承電流、牽引匯流排-軸端電流。實際上軸承置于軸箱內，軸箱又固定在轉向架上，整體結構復雜，軸承電流無法直接測量［16］。

結合圖1 分析可知，如果軸箱絕緣良好，那么沒有電流從轉向架流過軸承，全車的轉向架-軸端保護接地線電流之和應為0 A（以轉向架至軸端方向為電流正向），但是實際上流過轉向架的電流有一部分經軸箱軸承流經輪對后進入鋼軌，使全車轉向架流向軸端的電流小于全車軸端流向轉向架的電流，此時全車的轉向架-軸端保護接地線電流之和為軸承電流I軸承，即

式中：I轉向架-軸端為轉向架-軸端保護接地線的電流。

從式（1）可以看出，采取測量轉向架-軸端電流再進行求和的方式可間接得到軸承電流。以1 節(jié)拖車和1節(jié)動車為例，電流測量點位置如圖2所示。

圖2 電流測量點位置

按照圖2所示測量點位置布置傳感器，采集數據采用高速同步采樣的方式，以1 s 為間隔存儲過程數據，測試中參照標準GB/T 14894—2005《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗規(guī)則》［17］和GB/T 19862—2016《電能質量監(jiān)測設備通用要求》［18］?，F場測量情況如圖3所示。

圖3 現場測量

根據測試目的，測試采用2 種不同接地方式進行，如圖4所示。

從圖4 可以看出：采用直接接地方式時，車體與轉向架、轉向架與軸端直接通過保護接地線連接；采用串聯電阻接地方式時，車體與轉向架直接通過保護接地線連接，車體與軸端通過保護接地線連接的同時串聯1 個50 mΩ 電阻，其按照干線客車、動車組車體與軌道間電阻不大于50 mΩ 的要求［19］取值；2 種接地方式下工作接地線的連接方式相同，均從動車車體的匯流排引出4 條工作接地線，直接連接到位于對應軸端的4 個接地裝置。這樣，大部分牽引回流通過軸端接地裝置流到車軸和輪對進而流回鋼軌，但因為車體和保護接地線的電阻較低，將有部分牽引回流通過保護接地線流入車體。

圖4 直接接地方式與串聯電阻接地方式對比

理想情況時直接接地方式下動車保護接地線電流的路徑為：動車軸端→動車保護接地線→串聯電阻→動車車體→相鄰車體；拖車保護接地線電流的路徑為：來自動車的車體電流→拖車保護接地線→拖車軸端。

2 測試數據分析

2 種不同接地方式下的測試均分為外出和回庫2 個階段，其中外出階段為區(qū)間內多車運行，回庫階段為區(qū)間內單車運行。

2.1 直接接地方式下

直接接地方式下軸承電流與牽引電流時程曲線對比如圖5所示。圖中：牽引電流縮至10%，以便與軸承電流進行趨勢對比。

圖5 直接接地方式下軸承電流與牽引電流時程曲線對比

直接接地方式下軸承電流與牽引電流散點圖及擬合曲線對比如圖6所示。

圖6 軸承電流與牽引電流散點圖及擬合曲線

由圖5 和圖6 可知，軸承電流與牽引電流存在某種程度上的線性關系。

為進一步確認二者之間的關系，利用統(tǒng)計學中的殘差平方和與回歸平方和分析數據。

殘差平方和SSE為

式中：Sse為SSE 值；n為數據點個數；I軸承i為牽引電流對應的軸承電流實際值；為牽引電流對應的軸承電流擬合值。

回歸平方和SSR為

式中：Ssr為SSR值；為軸承電流均值。

擬合優(yōu)度R2為

殘差平方和與回歸平方和是描述數據相關性的2 個指標。當牽引電流與軸承電流的回歸方程建立后，回歸平方和是由回歸方程確定的部分，也就是由牽引電流的波動引起的，而殘差平方和是不能用牽引電流解釋的波動，是由其他因素（例如軌道中其他車輛回流等）引起的。軸承電流與牽引電流的散點圖相對于擬合曲線越離散，殘差平方和越大；相對于擬合曲線越集中，回歸平方和越大。擬和優(yōu)度取值在0～1之間，越趨于1說明擬合得到的關系式越符合牽引電流和軸承電流的線性關系，散點圖圍繞擬合曲線分布得越密集而不發(fā)散。

直接接地方式下軸承電流與牽引電流相關性的數據指標對比見表1。表中：I牽引為牽引電流。從圖5、圖6 和表1 中可以看出：直接接地方式下，列車在區(qū)間內單車運行時軸承電流與牽引電流的線性關系比多車運行時更明顯，說明牽引電流不是軸承電流的唯一影響因素，鋼軌中的牽引回流也對軸承電流造成影響。

表1 直接接地方式下軸承電流與牽引電流相關性的數據指標對比

2.2 串聯電阻接地方式下

串聯電阻接地方式下軸承電流與牽引電流時程曲線及散點圖和擬合曲線分別如圖7 和圖8所示，數據指標對比見表2。圖7 中：牽引電流同樣縮至10%。

從圖7、圖8 和表2 可以看出：串聯電阻接地方式下，軸承電流與牽引電流無論是在區(qū)間內多車運行時，還是在單車運行時，均存在較明顯的線性關系；軸承電流離散度指標表明軸承電流在多車運行時比單車運行時離散度更高，說明有本車牽引電流以外的因素影響軸承電流。

圖7 串聯電阻接地方式下軸承電流與牽引電流時程曲線對比

圖8 軸承電流與牽引電流散點圖及擬合曲線

對比表1 和表2 可以看出，串聯電阻接地方式下的擬合優(yōu)度R2高于直接接地方式，即軸承電流與牽引電流的線性度更高，表明串聯電阻接地方式下軸承電流受本車牽引電流以外因素的影響更小。

表2 串聯電阻接地方式下軸承電流與牽引電流相關性的數據指標對比

不同接地方式下軸承電流的95%概率值如圖9所示。從圖9可以看出，串聯電阻對軸承電流的抑制效果略有改善，但改善效果有限。

圖9 不同接地方式下軸承電流對比

3 抑制措施及驗證

3.1 抑制措施

從前文分析可知，流入動車車體的電流主要由拖車的保護接地線流回軸端，但在軸承油膜絕緣被破壞的情況下，難免有部分電流通過軸箱流過軸承，若拖車采取串聯電阻接地方式，因車體-軸端保護接地線上串聯電阻的存在，此條保護接地線的電流將減小，而流過車體-轉向架保護接地線的電流將增大，其具體的路徑為：車體→車體-轉向架保護接地線→轉向架→軸箱軸承→車軸。采用串聯電阻接地方式的優(yōu)點是抑制了動車中通過車體-軸端保護接地線流入車體的電流，但該方式使得通過拖車軸箱軸承流進軸承的電流增大，同時還使得車體電位抬升。

因此，提出采用新的接地方式，具體為拖車采用直接接地方式、動車采用串聯電阻接地方式、工作接地線的接地方式不變，新型接地方式如圖10所示。

圖10 新型接地方式

3.2 仿真驗證

為驗證新型接地方式抑制軸箱軸承電流的有效性，建立軸承電流仿真模型如圖11所示。模型包括24 脈波整流電路［20］、接觸網、列車、鋼軌線路等，其中接觸網供電電壓為1 500 V，供電方式為單邊供電。Rz和Rg分別為鋼軌線路的鋼軌縱向電阻和鋼軌對地過渡電阻，采用π 型等效模型對鋼軌線路進行等效。

圖11 軸承電流仿真模型

與以往列車結構模型只考慮車體電阻、接地保護線電阻、車體-轉向架電阻不同，按照列車的實際結構，又考慮油膜電阻、轉向架-軸箱電阻、軸端接觸電阻、軸端-鋼軌電阻，建立更細化的列車結構仿真模型如圖12所示。圖中，各電阻參數及其取值見表3。

圖12 列車結構仿真模型

表3 列車結構仿真模型電阻參數及取值

將區(qū)間內單車運行和多車運行工況下的2 組牽引電流測試數據作為模型中的電流輸入，由軸承電流仿真模型計算得到的軸承電流與實測數據的比較如圖13所示。由圖13 可以看出：列車在區(qū)間內單車運行時，仿真結果與實測數據更接近，多車運行時，鋼軌回流對軸承電流產生一定影響，但單車運行和多車運行工況下的仿真結果與實測數據總體變化趨勢均大致相同，說明對模型中各部分電阻參數的選擇符合實際，驗證了模型的準確性。

圖13 軸承電流仿真結果與實測數據比較

以全車牽引電流為1 000 和2 000 A 為例，比較3 種不同接地方式下列車在區(qū)間單車和多車運行時全車的軸承電流如圖14所示。由圖14 可以看出，采用新型接地方式抑制軸承電流的效果明顯；當牽引電流為1 000 A 時，新型接地方式與原有的直接接地方式相比，抑制比例在單車運行和多車運行2 種工況下分別達35.7%和37.7%；當牽引電流為2 000 A 時，新型接地方式與直接接地方式相比，抑制比例在2 種工況下分別達到了41.6%和38.1%。

圖14 不同接地方式下軸承電流對比

進一步以牽引電流為2 000 A 為例，比較3 輛拖車與3輛動車全部的軸承電流如圖15所示。由圖15 可以看出：采用串聯電阻接地方式，雖然降低了動車的軸承電流，但是增大了拖車的軸承電流，這與前文3.1 的論述一致；而采用新型接地方式，拖車和動車的軸承電流均得到抑制。

圖15 不同接地方式下拖車與動車的軸承電流對比

4 結論

（1）不同接地方式下軸承電流與牽引電流均存在線性關系，且列車在區(qū)間單車運行時，軸承電流與牽引電流的線性關系較列車在區(qū)間多車運行時更為明顯。

（2）直接接地方式下，隨牽引電流的變化，全車軸承電流主要在0～50 A 范圍內波動，瞬間可達80～100 A。

（3）采用列車工作接地線的接線方式不變、動車保護接地線串聯電阻接地、拖車保護接地線直接接地的新型接地方式時，對軸承電流有更好地抑制效果，無論列車在區(qū)間單車運行還是多車運行，該新型接地方式較直接接地方式對軸承電流的抑制比例均達到30%以上。