高速動車組牽引電機軸承電蝕及對策

相阿峰，郭秀違

(永濟新時速電機電器有限責任公司，山西永濟044502)

高速動車組牽引電機軸承電蝕及對策

相阿峰，郭秀違

(永濟新時速電機電器有限責任公司，山西永濟044502)

結合CRH3、CRH380BL型高速動車組在線運行軸承故障現象，對軸承電蝕發生機理、影響因素進行了較全面的闡述，從改進保護性接地、提高軸承絕緣阻抗角度提出了解決軸承電蝕問題的方案。

高速動車組;CRH3;CRH380BL;牽引電機;軸承電流;電蝕;接地保護

CRH3、CRH380BL型高速動車組作為速度300～350 km/h的主力車型，已廣泛分布在京津、武廣、京滬、滬寧等客運專線上，所配屬的牽引電機已超過5 000臺。截止到2014年2月的運用統計數據，牽引電機在運用過程中發生軸承故障多達20余起，軸承沒有達到預期的壽命提前失效。主要表現為軸承溫度過熱、甩油、軸承卡滯。對于牽引電機軸承故障，鐵總多次組織專家進行了研討，共同認定軸承功能失效是由軸承電蝕引起的。但對問題產生的根源，意見分歧很大，責任界限也往往難以界定。為尋求防止故障發生的根本途徑，在相關試驗基礎上，就軸承電蝕發生機理、影響因素進行簡單的分析，找到了預防軸承電蝕的解決方案。

1 牽引電機軸承故障的現象及特征

CRH3、CRH380BL型高速動車組牽引電機在線運行軸承故障具體表征為電機軸承溫度在較短時間內快速上升，達到過熱限制、報警。故障種類主要為軸承過熱、軸承甩油、軸承卡滯。通過對二十多起軸承故障的牽引電機運行里程、配屬車位等信息匯總，發現在動車組兩端車輛轉向架上的牽引電機故障機率高，占故障的70.83%。

經過對多臺故障電機解體發現，電機故障具有相同的特點:軸承潤滑脂存在變黑、碳化現象;電機繞組端部存在潤滑脂污跡;軸承絕緣涂層擊穿、部分有明顯灼燒痕跡;軸承滾動體表面和滾道上遍布微小的凹坑，呈現出嚴重的電腐蝕。故障現象見圖1。

綜合上述信息，高速動車組牽引電機軸承故障都直接或者間接的與過電流、潤滑有關，是絕緣軸承發生電蝕而引起的功能失效。

2 牽引電機軸承故障機理分析

軸承電蝕是旋轉中的軸承內部電流通過引起的。當電流流過軸承時，電流會擊穿滾動接觸部分極薄的油膜，產生火花，使接觸表面產生局部熔化損壞，形成電弧放電麻點，造成軸承溝道和鋼球電蝕，使摩擦系數增大，加劇機械磨損，致使軸承異常發熱，嚴重時會發展成剝落，最終使軸承功能過早失效。電蝕對軸承的破壞程度取決于放電能量和持續時間，但破壞效果基本相似，包括:滾動體和滾道上的電蝕凹坑、搓板紋等。電流通過還會導致軸承內的潤滑脂結構發生變化，局部高溫會導致添加劑和基油發生反應，使基油燃燒或炭化，潤滑脂迅速衰變變黑、變硬。同時高溫使潤滑脂變稀，在旋轉部件作用下從迷宮間隙甩出，潤滑脂的迅速失效也是過電流導致軸承失效的一個典型模式。

牽引電機軸承中有電流流過是因為在絕緣軸承的外圈與內圈之間存在超過一定數值的高電壓，該高電壓將軸承絕緣涂層耐壓薄弱處擊穿，軸承電氣絕緣失效，形成了電流通路。

2.1 電機軸電壓

CRH3、CRH380BL型高速動車組采用交—直—交傳動的電力牽引，牽引電機由電壓型變頻器供電運行，經齒輪箱傳動將電能轉換為牽引列車的機械能，通過輪對和鋼軌產生牽引力，并通過輪對驅動動車組運行。

在軌道牽引電傳動系統中，牽引電機由電壓型變頻器供電運行時不可避免會出現軸電壓。電機軸電壓主要由兩部分組成:一是由于磁路不對稱，磁通脈動產生的電磁感應電壓;二是脈寬調制(PWM)逆變器供電下，電源電壓不平衡并含有比較高次的諧波分量，使電源中點電壓產生零點漂移，存在零序分量，從而通過電機各部分間存在著大小不等的分布電容所構成的零序回路產生高頻共模電壓。其值不僅取決于定子繞組和轉子之間、轉子和機座之間的電容以及軸承本身的電容值，還與脈沖頻率、脈沖上升時間以及電動機的定額有關。

圖1 軸承損傷特征

在設計和運行條件正常的牽引電機中會存在一定數值的軸電壓，為了確定車載逆變器供電條件下電機軸電壓數值，筆者專門進行了相關試驗測試。試驗結果:軸電壓最大值為84 V，變化周期與IGBT的開關頻率一致，以共模電壓為主。見圖2。

圖2 電壓波形

2.2 外部電壓

從故障統計情況來看，端車車輛(CRH3的EC01/ EC08、CRH380BL的EC01/EC16)轉向架上牽引電機軸承故障率占了全部電機軸承故障的70.83%。同時，在部分故障電機的配件迷宮槽上也出現了嚴重電蝕麻點和燒熔，故障現象見圖3，這顯然不是上述數值較低的軸電壓所為。為探尋高電壓的來源，不應僅局限于牽引電傳動系統，還需要結合線路工況，從高速動車組車輛接地系統關聯層面進行綜合的分析。

CRH3、CRH380BL型高速動車組保護接地方式采用集中接地的方式，全列車輛間通過電勢線纜連接，僅在中間車相鄰轉向架上設軸端保護接地裝置，相當于單點接地。其優點是全列車通過低阻抗導體相連，且通過中間車的軸端保護接地裝置與鋼軌(大地)相通，沒有環路電流，電磁兼容性較好且軸端保護裝置設置較少，成本低，但此接地方案對鋼軌的接地效果要求極高。圖4、圖5為CRH3、CRH380BL型動車組接地方式示意圖。由于動車組的車體是強、弱電系統的公共參考地，而該參考地又通過接地碳刷、輪對、鋼軌與大地相接，當動車組高速運行時，該公共參考地處于快速移動狀態。當列車或線路接地狀況不理想，比如在列車運行接地點處于軌道連接不良的區域時，由于軌道回流不暢，運行接地電流容易串入車體內。牽引回流的不同影響車體電勢的分布，由于端車車輛(CRH3的EC01/EC08、CRH380BL的EC01/EC16)是全列距離保護性接地點最遠的位置，受車輛自身或軌道阻抗對車體電勢差的影響，端車車體對轉向架軸端的電勢差為全列最高。

圖3 配件迷宮槽損傷特征

圖4 CRH3型動車組接地示意圖

圖5 CRH380BL型動車組接地示意圖

圖6、圖7是CRH380BL型動車組在京滬線路運行保護接地試驗結果，在2個往返的試驗中，EC01車體對轉向架軸端大于100 V的測試值分別為206次和324次，捕捉到的最大電勢差為500 V。從列車網側電流與車體電流測試結果來看，運行接地電流很大，高達幾百安培。

圖6 EC01車1位轉向架1位軸軸端與車體間電勢差波形

圖7 列車網側電流與車體電流

牽引電機在運行過程中，此外部電壓會和電機軸電壓一起施加在絕緣軸承的內、外圈上，特別是端車轉向架上的牽引電機，軸承內、外圈承受的電壓相對更高。電機運用過程中，軸承絕緣涂層在高頻強電場作用下，電導和極化累積加劇，絕緣涂層薄弱處易被擊穿，形成電流回流通道，引發軸承電燭。極端條件下成為運行接地電流環流泄漏通路，短時間內就會使軸承外圈與軸承室間熔融，且大電流作用使軸承的滾珠熔融破損，軸承保持架斷裂。

3 防止軸承電蝕對策

牽引電機絕緣軸承不產生電蝕所容許的電壓或允許通過電流的大小與供電條件、軸承狀況、安裝質量、電機運行工況、現場運行環境和軸電流流經路線的阻抗等諸多因素有關。迄今，國內或國際IEC標準還沒有對軸電壓或軸電流限值的明確規定。一般來說，完全消除掉軸承內、外圈的電勢差是非常困難的。然而，如果能夠阻止或大大降低通過軸承的電流，就可以防止軸承發生電腐蝕。為了最大限度地保持原有設計理念，可以從提高軸承的絕緣可靠性能，優化列車保護性接地方式、以降低端車過電壓等方面采取對策。

3.1 提高絕緣軸承耐壓性能

對于交流變頻牽引電機來說，采用絕緣軸承原本是為防止逆變器供電所帶來的軸承電蝕作用，在外圈表面噴涂氧化陶瓷涂層來阻斷不高于1 000 V電壓，對高速鐵路軌道情況復雜運行環境下接地不良帶來的沖擊電壓影響因素考慮不足。軸承選擇絕緣的決定因素是電流電壓的時間特性。如果是直流電壓或低頻交流電壓，絕緣效果取決于軸承絕緣層的純電阻值;如果是高頻交流電壓(常見于使用變頻器的設備中)，取決于軸承絕緣層的容抗值。目前絕緣軸承還屬于特殊應用軸承范疇，由于各家采用的絕緣方式不同，其絕緣參數指標差異很大，也沒有形成標準。對于樹脂或陶瓷涂層絕緣軸承，可用式(1)對絕緣性能進行評估和計算:

提高軸承運行可靠性，從軸承自身來說，增加絕緣涂層的耐壓強度，即提高軸承絕緣阻抗值，不失為一種經濟可靠的辦法。

(1)增加絕緣涂層厚度

增加絕緣涂層的厚度或減小涂層面積、使涂層的電容量盡可能小，可顯著提高絕緣軸承阻抗值。在尺寸接口不變的前提下，可以將牽引電機用絕緣軸承的氧化鋁陶瓷絕緣涂層厚度由目前的0.1～0.2 mm增加到0.3～0.5 mm，其絕緣阻抗增加幅度見圖8所示。

圖8 阻抗|Z|和涂層厚度、頻率的關系對比

將軸承外圈帶陶瓷氧化物涂層結構改為內圈帶絕緣涂層，即使不增加涂層厚度，同樣可以提高絕緣軸承阻抗值，對阻止高頻軸電流也具有較好的效果。

(2)采用混合陶瓷軸承

混合陶瓷軸承由軸承鋼質的軸承圈和軸承級氮化硅材料的滾動體組成，其電容值約40 pF，比陶瓷涂層軸承低了近100倍。具有非常高的阻抗，并且有效克服了陶瓷涂層絕緣電阻與溫度、濕度的依存性缺陷(注:絕緣阻抗隨溫度升高、環境濕度增大而下降)，良好的電絕緣性能對防止高頻電流電蝕損害特別有效。但因其價格高，成為制約其在軌道行業應用的因素之一。

3.2 增加軸端碳刷接地裝置

在電機非傳動軸端與端蓋之間安裝碳刷，結構見圖9。通過碳刷把端蓋與轉軸連接起來，產生短路。消除軸上感應電勢，使軸承內、外圈沒有電位差。但是接地電刷由于磨損會在電刷表面形成氧化層從而增大了電刷和轉軸之間的接觸電阻，阻礙軸電壓的釋放，因此需要定期進行維護或替換。CRH3、CRH380BL型受電機在轉向架安裝空間限制，碳刷的更換和維護相對較困難。

圖9 接地碳刷安裝示意圖

3.3 優化改進保護接地方式

在列車或線路接地狀況不理想情況下，CRH3、CRH380BL型動車組現有集中保護接地容易產生車體對轉向架軸端的高電壓，惡化牽引電機軸承的運行環境。為了避免惡劣運行環境下超強電壓對絕緣軸承的沖擊，借鑒CRH1型、CRH2型、CRH5型動車組的保護接地方式，秉承最大限度保持原型設計理念，同時減小車輛自身或軌道阻抗對車體電勢差的影響，對現有保護接地方式進行優化改進。在CRH3、CRH380BL型動車組頭車增加保護性接地點，即使軌道上存在接地不良點，頭車因為有保護性接地點的存在而不會導致高電勢的產生。改進后的接地方案在京滬線路上進行了實際測試，EC01車體對轉向架軸端測到的最大電勢差為125 V，優化后的接地方式在減小端車車體電勢差方面起到了很好的作用，同時分流作用明顯，可有效避免由于接地不良而導致的破壞性高電勢差的存在。

4 結論

(1)CRH3、CRH380BL型動車組牽引電機在軸電壓和(或)外部電壓的作用下，致使絕緣軸承在薄弱處擊穿后，形成流過軸承的電流，在滾動接觸表面形成電弧放電，產生電弧放電麻點，造成軸承溝道和鋼球電蝕，嚴重時會發展成剝落，最終導致軸承功能過早失效。

(2)CRH3、CRH380BL型動車組采用車體中部集中設置保護接地的方式，在軌道情況復雜的正線鐵路上運行時，如果列車或線路接地狀況不理想，端部車輛容易形成車體對轉向架軸端的高電壓沖擊，對牽引電機軸承工作影響較大。

(3)從軸承自身來說，采用增大絕緣軸承外圈陶瓷絕緣涂層厚度或采用陶瓷滾動體絕緣軸承，均可提高軸承絕緣阻抗值，對阻止高頻軸電流、防止軸承電蝕均有明顯的作用。

(4)改進后的高速動車組保護性接地方案在減少轉向架與車體電勢差、分流等方面起到了很好的效果，可有效改善絕緣軸承的運用環境。

［1］ IEC TS 60034－17:2002，Rotating electrical machines-Part 17:Cage induction motors when fed from converters application guide［S］.

［2］ H.Tischmacher，S.Gattermann.Bearing Currents in Converter Operation ICEM［Z］.2010.

［3］ 李小軍，王建功，等.CRH380BL動車組接地方案的優化研究［J］，電力機車與城軌車輛，2013，36(5):19-21.

Electric Erosion of Bearings on Traction Motor of High-speed EMU and its Solution

XIANG Afeng，GUO Xiuwei
(Yongji Xinshisu Electric Equipment Co.，Ltd.，Yongji 044502 Shanxi，China)

Combining with bearing failure phenomenon of CRH3and CRH380BL high-speed EMU，this paper comprehensively introduces the causes and influence factors of traction motor bearing electric erosion，and proposes solutions of electric erosion by improving the protective grounding and bearing insulation.

high-speed EMU;CRH3;CRH380BL;traction motor;bearing currents;electric erosion;grounding protection

U266.2.331+.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.25

1008－7842(2015)02－0102－05

0—)男，教授級高級工程師(

2015－08－27)