王亞漢

（廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，廣州 510010）

一段時(shí)間以來(lái)，廣州、長(zhǎng)沙、南寧等地的城市軌道交通車輛及干線動(dòng)車組，均發(fā)生不同程度的因牽引電機(jī)軸承電蝕導(dǎo)致軸承超溫、異音、卡滯等軸承失效的故障。為保證行車安全，避免因軸承失效導(dǎo)致更大的次生故障，提升車輛全壽命周期的可靠性、可用性、可維護(hù)性、安全性系數(shù)，有必要從故障機(jī)理入手，對(duì)軸承電蝕預(yù)防方法進(jìn)行深入研究。

1 軸承電蝕機(jī)理分析

軌道交通車輛牽引電機(jī)軸承電蝕主要原因是：軸承內(nèi)圈、外圈存在較高等級(jí)電壓，該電壓會(huì)擊穿軸承滾動(dòng)接觸部分絕緣較為薄弱處的油膜，產(chǎn)生火花，使接觸表面局部熔化損壞，形成電弧放電麻點(diǎn)或滾道上的電蝕凹坑、搓板紋等。國(guó)內(nèi)某線路地鐵車輛出現(xiàn)了批量牽引電機(jī)軸承電蝕的情況，根據(jù)軸承供應(yīng)商提供的分析報(bào)告，60%的軸承需要更換，該線路地鐵車輛軸承外圈因電蝕而出現(xiàn)的搓板紋如圖1所示。

圖1 某地鐵車輛牽引電機(jī)出現(xiàn)的搓板紋

軸承出現(xiàn)電蝕后，會(huì)增加軸承的摩擦系數(shù)、增加磨損，導(dǎo)致軸承發(fā)熱增大，潤(rùn)滑脂因高溫和電火花的作用短時(shí)間內(nèi)即失效，造成行車隱患。軌道交通車輛牽引電機(jī)軸承內(nèi)圈、外圈存在較高等級(jí)電壓的原因有以下幾點(diǎn)。

1.1 牽引電機(jī)內(nèi)部磁阻不對(duì)稱

牽引電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子鐵芯沖片間的拼縫較大，沖片存在軸向通風(fēng)口或PT100安裝定位孔，裝配或運(yùn)用過(guò)程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)子偏心，都可能導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部磁阻不對(duì)稱，磁通路徑會(huì)發(fā)生一定的改變，電機(jī)內(nèi)部就會(huì)形成“環(huán)形磁通”［1］。把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸、非端軸承、電機(jī)機(jī)座、驅(qū)動(dòng)端軸承構(gòu)成的回路看作一個(gè)線圈，受“環(huán)形磁通”影響，通過(guò)該線圈的總磁通不為0。而牽引電機(jī)是一直旋轉(zhuǎn)的，其內(nèi)部是一個(gè)交變的磁場(chǎng)，這就使得鐵芯中存在交變的“環(huán)形磁通”，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)軸兩端會(huì)感應(yīng)出交變的軸電壓。

1.2 脈寬調(diào)制輸出諧波含量高

由于牽引逆變器采用脈寬調(diào)制（PWM），其輸出不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，而是一定占空比的方波，必然含有一定的諧波分量，并且輸出電壓不完全平衡，存在零序分量，從而作用于電機(jī)各部分之間的雜散電容上，構(gòu)成零序回路，產(chǎn)生高頻共模電壓。由于其在定子線圈內(nèi)無(wú)法形成有效閉合回路，更容易通過(guò)線圈端部、轉(zhuǎn)軸、軸承及機(jī)座形成閉環(huán)，產(chǎn)生軸電流，損害電機(jī)軸承的使用壽命［2］。

脈寬調(diào)制導(dǎo)致的軸電壓，其值與電機(jī)各部分之間的雜散電容值、脈沖的頻率、脈沖上升時(shí)間有關(guān)。

1.3 車輛其他的外部電壓

目前城市軌道交通車輛的保護(hù)接地普遍采用集中接地即單點(diǎn)接地方式。全列車的車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、電機(jī)等設(shè)備外殼通過(guò)電纜連接，在中間車或相對(duì)中間車的某一個(gè)轉(zhuǎn)向架，通過(guò)1或2個(gè)軸端接地裝置，經(jīng)輪對(duì)、鋼軌與大地連接。這種接地方案的好處是全列車通過(guò)低阻抗的電纜連接，僅通過(guò)中間車的軸端接地裝置接地，不會(huì)形成環(huán)流。但也正因?yàn)槭菃吸c(diǎn)接地，最靠近頭車的電機(jī)距離保護(hù)性接地點(diǎn)最遠(yuǎn)，受車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架阻抗對(duì)電勢(shì)差的影響，Mp1、Mp2車最靠近頭車一端牽引電機(jī)軸端的電動(dòng)勢(shì)最高，如圖2所示。

圖2 某2M2T地鐵車輛接地原理圖

除因車輛單點(diǎn)接地方式引起的外部電壓外，還有電機(jī)外殼未可靠接地，而轉(zhuǎn)子輸出軸通過(guò)負(fù)載側(cè)（齒輪箱側(cè)）接地，這時(shí)，電機(jī)外殼和轉(zhuǎn)子輸出軸存在電勢(shì)差，即軸承內(nèi)圈、外圈存在電勢(shì)差。

上述這2種外部電壓和電機(jī)軸電壓疊加在軸承的內(nèi)圈和外圈上，隨著車輛的運(yùn)行，軸承絕緣涂層薄弱處被擊穿，形成電路通路，產(chǎn)生軸電流。

2 防止軸承電蝕對(duì)策

牽引電機(jī)絕緣軸承不產(chǎn)生電蝕所容許的軸電壓或軸電流的門限值，與供電條件、軸承狀況、安裝工藝水平、電機(jī)運(yùn)行工況等諸多因素有關(guān)。至今，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或研究對(duì)軸電壓或軸電流門限值進(jìn)行明確規(guī)定，但從多個(gè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)分析上來(lái)看，軸電壓不高于100 V的牽引電機(jī)，基本沒(méi)有出現(xiàn)軸承電蝕的情況?？陀^來(lái)講，完全消除掉軸承內(nèi)圈、外圈的電勢(shì)差是不太現(xiàn)實(shí)的，只能通過(guò)以下技術(shù)手段盡可能降低通過(guò)軸承的電流或施加在軸承上的電壓，降低軸承發(fā)生電蝕的概率。

2.1 牽引電機(jī)方面

（1）根據(jù)1.1所述，在牽引電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及電磁方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要盡可能減少電機(jī)磁路的不對(duì)稱性，以遏制軸電流的產(chǎn)生［3］。

（2）增加牽引電機(jī)軸承絕緣層的厚度，被動(dòng)地抵抗軸電壓對(duì)電機(jī)軸承的侵蝕，起到保護(hù)軸承的作用［4］。

（3）增加接地環(huán)，短接牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出軸與電機(jī)外殼，即將軸承內(nèi)圈、外圈之間因絕緣性能降低而存在的電流通路并聯(lián)一個(gè)阻抗更低的電流回路。接地環(huán)安裝剖視圖如圖3所示，牽引電機(jī)非傳動(dòng)端測(cè)速齒盤軸向增加環(huán)狀軸，與接地環(huán)內(nèi)圓導(dǎo)電纖維接觸；蓋板增加接地環(huán)安裝接口，與接地環(huán)外圓配合。

圖3 接地環(huán)安裝剖視圖

若采取增加接地環(huán)的方案，需要評(píng)估接地環(huán)的增加是否會(huì)對(duì)整車接地方案產(chǎn)生影響，并關(guān)注軸電流的走向，以免引起其他例如齒輪箱軸承或轉(zhuǎn)向架輪對(duì)軸箱軸承電蝕。

2.2 牽引逆變器方面

（1）由于分布電容的存在，軸電流的幅值與逆變器輸出電壓的變化率有關(guān)，輸出電壓的變化率越大，可能產(chǎn)生的軸電流就越大，為了抑制過(guò)大的電壓變化率，可在IGBT兩端并聯(lián)突波電容，吸收IGBT通斷時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓。

（2）控制算法方面，輸出電壓的變化率主要與載波頻率有關(guān)，載波頻率越高，可能產(chǎn)生的電壓變化率就越大。為此，需要在不犧牲輸出電壓正弦度的前提下，盡可能降低IGBT的開關(guān)頻率，以減小牽引逆變器輸出電壓的變化率。

（3）在主電路工作回流負(fù)線與牽引逆變器外殼之間增加EMI電容（共模電壓濾波器），如圖4所示，減小共模電壓的幅值，同時(shí)增強(qiáng)主電路的抗外部電磁干擾能力。

圖4 EMI電容設(shè)置示意

2.3 車輛方面

（1）高壓/低壓、直流/交流線纜走線布置合理，各回流、等勢(shì)線纜需要可靠連接，整車電磁兼容環(huán)境良好［5］。

（2）牽引電機(jī)至牽引逆變器之間的三相動(dòng)力線纜采用屏蔽線，屏蔽線雙端接地（接牽引電機(jī)機(jī)座及牽引逆變器外殼），保證牽引逆變器及牽引電機(jī)外殼等電勢(shì)。同時(shí)，需要將牽引電機(jī)機(jī)座可靠接地，盡可能減小電機(jī)機(jī)座的接地阻抗。

3 軸電壓控制方案

（1）經(jīng)了解，上文中提到的出現(xiàn)搓板紋的牽引電機(jī)軸承，采用的是SKF 0.1 mm涂層絕緣軸承。為提升牽引電機(jī)軸承抗電蝕水平，采用的是SKF 0.2 mm涂層絕緣軸承，絕緣涂層厚度提升一倍，在同等條件下，電流密度降為原來(lái)的1/2，能夠承受的軸承電壓更高。

（2）牽引逆變器采用分段同步SVPWM的調(diào)制方式，在使輸出電壓正弦度盡可能高的前提下，控制載波頻率在750 Hz以下，以減小逆變器輸出電壓的變化率。同時(shí)，主電路直流側(cè)還并聯(lián)了很多突波電容，也能在一定程度上抑制輸出電壓的變化率，降低牽引電機(jī)軸電壓。

（3）在主電路工作回流負(fù)線與牽引逆變器外殼之間增加22 μF（架控方案，采用2個(gè)11 μF電容并聯(lián)）EMI電容，減小共模電壓。

（4）因加裝接地環(huán)方案，目前還沒(méi)有大批量長(zhǎng)時(shí)間的工程化應(yīng)用，并且接地環(huán)的增加是否會(huì)對(duì)整車接地方案產(chǎn)生影響尚待評(píng)估，遂從產(chǎn)品的可靠性、可維修性以及成本角度考慮，僅預(yù)留接地環(huán)安裝接口，不進(jìn)行實(shí)際加裝。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 牽引系統(tǒng)組合試驗(yàn)

為驗(yàn)證軸電壓控制方案可行性，在牽引系統(tǒng)組合試驗(yàn)階段，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)試和記錄。在試驗(yàn)開始前，將牽引電機(jī)測(cè)速齒盤蓋板拆下，安裝軸電壓測(cè)試工裝（通過(guò)碳制摩擦盤，將旋轉(zhuǎn)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸連接至示波器電壓探頭，電壓探頭另一端連接牽引電機(jī)機(jī)殼），如圖5所示。

圖5 裝配了軸電壓檢測(cè)工裝的牽引電機(jī)

牽引逆變器按AW3載荷、最大轉(zhuǎn)矩輸出，分別在不同轉(zhuǎn)速下記錄軸電壓峰值和有效值，見表1。不同轉(zhuǎn)速下，軸電壓的變化，主要與牽引逆變器PWM調(diào)制方法有關(guān)。軸電壓實(shí)測(cè)波形如圖6所示（1 250 r/min）。

表1 軸電壓測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 牽引電機(jī)1 250 r/min時(shí)軸電壓實(shí)測(cè)波形

表1中，各轉(zhuǎn)速下牽引電機(jī)軸電壓峰值最大值為42.3 V，沒(méi)有超過(guò)業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為的100 V安全限值。

4.2 牽引系統(tǒng)裝車試驗(yàn)

為了系統(tǒng)分析牽引電機(jī)在裝車運(yùn)行過(guò)程中軸承發(fā)生電蝕、熔融導(dǎo)致失效的影響因素，對(duì)牽引電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的軸電壓進(jìn)行測(cè)量。在車輛接地和回流電路接線檢查后進(jìn)行，試驗(yàn)采用AW0載荷列車。試驗(yàn)前，在任意動(dòng)車（M車）一位端一位側(cè)牽引電機(jī)（1軸）和二位端一位側(cè)牽引電機(jī)（3軸）安裝軸電壓測(cè)試工裝，如圖7所示，使列車以100%牽引級(jí)位起動(dòng)，加速至40 km/h，維持惰行5 s，制動(dòng)停車。試驗(yàn)進(jìn)行3次，通過(guò)示波器記錄電機(jī)轉(zhuǎn)軸和機(jī)殼之間電壓值波形，并記錄最大幅值，見表2。

圖7 牽引電機(jī)運(yùn)行時(shí)軸電壓測(cè)試

表2 軸電壓測(cè)試數(shù)據(jù)（裝車后）

表2中，各轉(zhuǎn)速下牽引電機(jī)軸電壓峰值最大值為42.16 V，沒(méi)有超過(guò)業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為的100 V安全限值。

5 結(jié)論

綜上所述，經(jīng)過(guò)對(duì)牽引電機(jī)軸承電蝕的故障機(jī)理和預(yù)防措施分析，針對(duì)某地鐵增購(gòu)列車項(xiàng)目實(shí)際工程需求提出的軸電壓控制方案有效、可行。與此同時(shí)，需要在車輛各檢修修程時(shí)著重檢查牽引電機(jī)軸承情況，按規(guī)定周期和里程添加油脂，必要時(shí)進(jìn)行頂輪檢查，并重新進(jìn)行軸電壓的測(cè)試，保證牽引電機(jī)軸承運(yùn)用情況良好。