陳中帥

（中國鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)是高速動(dòng)車組關(guān)鍵部件之一，其主要功能是為牽引電機(jī)提供冷卻風(fēng)源，帶走牽引電機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)部繞組產(chǎn)生的熱量，以防止?fàn)恳姍C(jī)過熱損壞[1]. 自CRH5G型動(dòng)車組投入運(yùn)營以來，在運(yùn)用檢修過程中發(fā)現(xiàn)多起牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)出現(xiàn)異音故障，造成動(dòng)車組途中緩行或停車，影響動(dòng)車組運(yùn)行品質(zhì)及干線鐵路的運(yùn)營秩序. 因此，研究風(fēng)機(jī)異音的故障原因，采取有效的整治措施，對于提升動(dòng)車組質(zhì)量安全水平、保障運(yùn)輸秩序具有重要意義. 本文以CRH5G型動(dòng)車組牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)為研究對象，采取分解檢查、檢測尺寸及預(yù)緊力等方法，查明冷卻風(fēng)機(jī)異音故障的具體原因并提出改進(jìn)措施，以期為解決該型號(hào)動(dòng)車組牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)異音故障問題提供技術(shù)支撐，從而保障動(dòng)車組運(yùn)行安全.

1 冷卻風(fēng)機(jī)異音原因分析

1.1 冷卻風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析

CRH5G型動(dòng)車組牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)由葉輪、進(jìn)風(fēng)口、電機(jī)、蝸殼、電氣連接器構(gòu)成（圖1），結(jié)構(gòu)簡單，其中葉輪、進(jìn)風(fēng)口、蝸殼為焊接結(jié)構(gòu)件，材料為鋼；電機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī)，主要由軸承、前端蓋、后端蓋、轉(zhuǎn)子、定子、接線盒、波形彈簧構(gòu)成[2].

圖1 牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)示意圖

冷卻風(fēng)機(jī)的電機(jī)在三相交流電的作用下產(chǎn)生交流磁場，對轉(zhuǎn)子做功，而轉(zhuǎn)子作為旋轉(zhuǎn)件，由兩個(gè)軸承支撐，軸承安裝后存在一定的游隙，能保證轉(zhuǎn)子在長期工作下靈活運(yùn)行，組裝冷卻風(fēng)機(jī)時(shí)，前后軸承同軸度超差或預(yù)緊力不足，軸承容易產(chǎn)生受憋，長期運(yùn)行后會(huì)產(chǎn)生異音故障[3].

1.2 冷卻風(fēng)機(jī)軸承同軸度分析

選取5臺(tái)發(fā)生異音故障的牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)為樣本機(jī)，對其機(jī)座、前端蓋、后端蓋等部件的同軸度尺寸進(jìn)行測量，具體數(shù)據(jù)見表1.

表1 牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)關(guān)鍵尺寸測量數(shù)據(jù)表

對冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行分解檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子表面均有較為明顯的掃膛痕跡，掃膛位置主要在轉(zhuǎn)子的前端位置；定子內(nèi)表面也有較為明顯的掃膛痕跡，端部有大量黑色鐵粉附著；定子前后端的軸承轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，外圈光亮，表示有跑外圈的情況；軸承室磨損嚴(yán)重，內(nèi)部有大量鐵末存在，端蓋內(nèi)壁粘附大量黑色粉末，前端波形彈墊有明顯磨損痕跡，見圖2.

圖2 牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)分解檢查圖示

根據(jù)測量數(shù)據(jù)及分解檢查情況可知，5臺(tái)故障風(fēng)機(jī)的機(jī)座止口同軸度均不滿足設(shè)計(jì)要求，存有的超差，冷卻風(fēng)機(jī)機(jī)座屬于靜止件，不應(yīng)該存在磨損現(xiàn)象. 根據(jù)上述分析可知，機(jī)座止口同軸度超差主要原因?yàn)椋狠S承加工精度不滿足要求，生產(chǎn)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，進(jìn)而引起軸承受憋，提供了軸承跑外圈時(shí)的動(dòng)力，造成軸承外圈與軸承座孔發(fā)生滑動(dòng)，即風(fēng)機(jī)軸承室跑外圈，引起軸承室磨損，最終導(dǎo)致前端蓋止口—軸承室以及后端蓋止口—軸承室同軸度超差.

1.3 冷卻風(fēng)機(jī)軸承預(yù)緊力分析

CRH5G型動(dòng)車組牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)軸承型號(hào)為SFK 6205，軸承外徑為52 mm，內(nèi)徑為25 mm，冷卻風(fēng)機(jī)軸承所需的預(yù)緊力[4]（施加在軸承內(nèi)外圈之間的軸向力，用以減少軸承運(yùn)行過程中的噪聲及振動(dòng)）為125～250 N. 其使用的波形彈簧[5]為D52型，依據(jù)JB/T 7590—2005《電機(jī)用鋼質(zhì)波形彈簧技術(shù)要求》[6]，該型號(hào)波形彈簧自由高度為3.2 mm. 由設(shè)計(jì)尺寸圖（見圖3）可知，波形彈簧安裝區(qū)間A的最大尺寸為2.65 mm，最小尺寸為1.71 mm，波形彈簧壓縮范圍為

圖3 牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)尺寸圖

對5臺(tái)發(fā)生異音故障的牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)的軸承波形彈簧安裝空間進(jìn)行測量，并將風(fēng)機(jī)上的波形彈簧取下后安放于波形彈簧彈力試驗(yàn)機(jī)的兩平行板之間，逐漸施加負(fù)載，使兩平行板間距離達(dá)到波形彈簧在故障軸承時(shí)的壓縮量，測量此時(shí)的彈力，具體數(shù)據(jù)見表2.

表2 牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)軸承預(yù)緊力測量數(shù)據(jù)表

分析測量結(jié)果可知，5臺(tái)故障風(fēng)機(jī)中有4臺(tái)存在軸承預(yù)緊力不滿足標(biāo)準(zhǔn)值下限的情況。根據(jù)胡克定律，波形彈簧預(yù)緊力F=-k·x，其中k是剛度系數(shù)，x為波形彈簧壓縮量. 計(jì)算軸承設(shè)計(jì)尺寸鏈可知，在該設(shè)計(jì)尺寸下，D52型波形彈簧預(yù)緊力為103～280 N（需求值為125～250 N），故障風(fēng)機(jī)的軸承設(shè)計(jì)預(yù)緊力與需求預(yù)緊力有所偏差，當(dāng)零件配合處于極限時(shí)，軸承預(yù)緊力超出需求范圍，使得軸承外圈摩擦力不足以抵抗受憋提供的動(dòng)力，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)跑外圈.

綜上所述，由于故障風(fēng)機(jī)機(jī)座止口同軸度的制造工藝未滿足設(shè)計(jì)要求，且風(fēng)機(jī)軸承的設(shè)計(jì)預(yù)緊力與需求預(yù)緊力存在偏差，導(dǎo)致了牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)軸承跑外圈，最終造成風(fēng)機(jī)產(chǎn)生異音.

2 改進(jìn)措施

2.1 優(yōu)化制造工藝

為避免CRH5G型動(dòng)車組牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)出現(xiàn)異音或接地故障，對冷卻風(fēng)機(jī)的制造工藝進(jìn)行優(yōu)化，確保機(jī)座止口同軸度不超差. 加工過程中使用專用機(jī)座加工設(shè)備，采用一次裝夾的方式，對機(jī)座兩端止口與鐵芯檔位進(jìn)行同時(shí)加工，免去了二次裝夾帶來的同軸度誤差，確保機(jī)座同軸度滿足技術(shù)要求. 同時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行抽檢制度，對機(jī)座的止口同軸度使用三坐標(biāo)設(shè)備進(jìn)行抽檢，對不合格品執(zhí)行報(bào)廢處理.

2.2 提高設(shè)計(jì)精度

在保證牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)主要接口尺寸及電氣參數(shù)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上，提高牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)各部位的設(shè)計(jì)精度（見圖4），減小設(shè)計(jì)公差，用以確保軸承預(yù)緊力滿足軸承使用要求. 對優(yōu)化后的尺寸精度進(jìn)行尺寸鏈復(fù)核，波形彈簧安裝區(qū)間A的最大尺寸為2.38 mm，最小尺寸為1.90 mm，波形彈簧壓縮范圍為0.82 ～ 1.30 mm ，設(shè)計(jì)預(yù)緊力為153～244 N，在冷卻風(fēng)機(jī)各部位配合處于極限時(shí)，其設(shè)計(jì)值仍能滿足該冷卻風(fēng)機(jī)軸承的預(yù)緊力（125～250 N）需求.

圖4 改進(jìn)后牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)尺寸圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化后的牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)依據(jù)GB/T 1032—2012《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》[7]進(jìn)行了型式試驗(yàn)，機(jī)械尺寸、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)、空轉(zhuǎn)試驗(yàn)、連續(xù)啟動(dòng)試驗(yàn)、空載試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)和超速試驗(yàn)等結(jié)果均合格. 2016年7月選取某組CHR5G型動(dòng)車組裝用1臺(tái)改進(jìn)后的牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)，至2017年6月動(dòng)車組運(yùn)行了36.6萬公里，在此期間冷卻風(fēng)機(jī)狀態(tài)良好，未發(fā)生故障報(bào)修情況，表明改進(jìn)型風(fēng)機(jī)能夠滿足CRH5G型動(dòng)車組的使用要求.

4 結(jié)束語

針對CRH5G型動(dòng)車組運(yùn)行檢修中發(fā)生的牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)異音故障，通過分解檢測故障風(fēng)機(jī)軸承關(guān)鍵部位尺寸以及軸承預(yù)緊力，系統(tǒng)分析了故障原因，提出了優(yōu)化冷卻風(fēng)機(jī)機(jī)座止口與鐵芯檔位的壓裝工藝、減小冷卻風(fēng)機(jī)軸承相關(guān)部位的設(shè)計(jì)公差等改進(jìn)措施. 自2019年4月改進(jìn)后的牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)批量裝車以來，至今已運(yùn)用超過3年，整體狀態(tài)和性能良好，未發(fā)生牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)異音故障. 本文提出的改進(jìn)措施能夠有效解決風(fēng)機(jī)異音故障，改進(jìn)后的牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)滿足動(dòng)車組使用要求，保障了動(dòng)車組運(yùn)用安全及鐵路運(yùn)輸秩序. 后續(xù)建議增加冷卻風(fēng)機(jī)異音故障的運(yùn)用監(jiān)控手段，如在動(dòng)車組上加裝監(jiān)測裝置，將故障信息與動(dòng)車組健康管理信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，研究冷卻風(fēng)機(jī)故障規(guī)律，實(shí)現(xiàn)超前防范.