高速動車組牽引電機絕緣耐風沙磨蝕的防護結構

唐暢， 梁西川， 陳紅生， 曹燕飛， 梁巧靈， 朱菲菲

（南車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

隨著我國高鐵的普及以及向西、北部風沙氣候地區發展，高速動車組牽引電機絕緣結構必將面臨風沙磨蝕，而現階段絕緣已經受不起風沙磨蝕的考核，會過早失效。時速350 km/h動車組在前期線路調試階段，由于鐵路施工沿途沉積沙石，列車運行時將沙石吸入電機內部并在轉子沖擊下高速運動撞擊電機繞組，導致繞組絕緣磨損過早失效，影響電機運行的可靠性。根據數列調試動車組返修經驗，初步判斷高速動車組在風沙環境下運行，電機絕緣結構磨蝕壽命約20萬km。應我國高鐵發展的需求，我公司開展了絕緣系統耐風沙防護設計和壽命研究。

1 動車電機絕緣磨蝕

高速動車電機絕緣磨損屬于噴砂型沖擊磨蝕，其磨損程度主要與沙石的粒徑、硬度、速度、濃度、時間和絕緣結構本身性能相關。絕緣損害部位僅在繞組端部拐角處，主要是由于繞組端部拐角處對應轉子端環導條露出部位，列車運行速度為350km/h時，轉子轉動速度為5133r/min，高速旋轉運動的轉子（導條部位）使此處的砂塵獲得高速動能沖擊繞組絕緣，導致此處的絕緣逐漸磨損直到失效。

某型高速動車組A類牽引電機和某型高速動車組B類牽引電機絕緣結構都面臨同樣的絕緣磨蝕問題，絕緣磨損狀態見圖1、圖2。A類牽引電機絕緣磨損發生在線路調試階段，該階段線路建筑砂塵較多。電機運行約20萬km后，外包玻璃絲帶磨耗嚴重，露出聚酰亞胺薄膜。B類牽引電機未參與線路調試，但其正常運營約90萬km后，外包玻璃絲帶磨耗嚴重，露出聚酰亞胺薄膜，與A類牽引電機磨損狀況相似。

2 絕緣結構耐磨蝕性能研究

2.1 耐磨蝕材料

沖蝕現象在實際工程中涉及很廣，如火力發電廠煤粉鍋爐燃燒的尾氣對換熱器管路的沖蝕而造成的破壞大致占管路破壞的1/3，通常采用表面增加剛性陶瓷類材料進行防護和修復［1］。電機葉片長期受到泥沙沖蝕，通常采用表面噴涂彈性阻尼型聚氨酯材料進行防護［2］。按照材料特性可以分為彈性和剛性兩種，彈性材料是通過自身的彈性和韌性特點，吸收高速運動的砂塵沖擊力，來緩解砂塵對材料的破壞實現耐磨；而剛性材料則是利用自身的高強度抵抗高速運動的砂塵沖擊力。

圖1 A類牽引電機絕緣磨損狀態

圖2 B類牽引電機絕緣磨損狀態

牽引電機絕緣結構外層保護絕緣通常采用玻璃絲帶綁扎保護，在傳統應用可知范圍內目前還沒有一種合適的絕緣浸漬樹脂配合無堿玻璃絲帶能夠經受長期高溫砂塵磨蝕。高速動車組牽引電機絕緣結構耐砂塵磨蝕防護可以借鑒火力發電和水輪發電機防沖蝕的經驗，采用絕緣表面噴涂一層耐磨材料進行防護。分別選用了聚氨酯彈性耐磨材料和環氧樹脂修補系列剛性耐磨材料在相同的試驗條件下進行噴砂試驗，對比兩者耐磨性能。常態下噴砂試驗結果表明：與剛性環氧體系相比，聚氨酯彈性耐磨材料具有更好的耐磨蝕性能［3-5］，但聚氨酯耐熱等級不足以滿足動車電機的運行要求，故不能采用。高速動車組牽引電機絕緣防護結構應采用耐熱型彈性耐磨材料。

2.2 絕緣結構耐磨蝕防護材料的選擇

為滿足動車組牽引電機運行工況要求，絕緣防護材料和防護結構必須滿足以下要求：1）動車組牽引電機每運行約120萬km進行一次大修，絕緣防護層耐磨蝕壽命應滿足最少120萬km的運行要求，防止在大修期內電機內部絕緣受損；2）絕緣防護層應具有可修復性；3）防護層位于電機絕緣表面，耐磨蝕材料應具有電氣絕緣性能；4）防護層位于電機絕緣表面，耐磨蝕材料應具有良好的附著力；5）施工簡單，便于操作；6）耐磨蝕材料耐熱等級應在H級或H級以上。

通過材料信息收集和以往對所接觸材料的了解，動車電機絕緣防護材料宜選用具有耐熱等級高（H級及以上）、內聚力強、耐磨蝕的彈性氟硅橡膠材料。某廠開發的耐磨蝕氟硅橡膠技術指標見表1。

表1 耐磨蝕氟硅橡膠技術特性

2.3 絕緣防護磨蝕試驗

2.3.1 試驗設備

絕緣防護磨蝕試驗模擬動車組牽引電機實際運行工況進行熱態噴砂試驗，試驗裝置采用高溫噴砂設備（見圖3），該設備內置電加熱器，可以對試樣進行加熱，并實現室溫至200℃連續可調。

圖3 高溫噴砂設備

2.3.2 試驗試樣

表2 試樣表面處理

試驗試樣采用高速動車組牽引電機絕緣結構，采用銅排外包相應絕緣材料制作，浸漆固化后表面噴涂耐磨蝕氟硅橡膠防護層。試樣編號見表2。

2.3.3 試驗參數

試樣進行相同試驗條件下的對比研究試驗，試驗參數如下：1）風動方向。噴砂機風動方向與試樣垂直。2）試驗溫度。電機運行溫度長期在160℃，防護涂層采用180℃級。故試驗選取更嚴酷的180℃考核條件，試驗溫度180±5℃；3）石英砂。動車電機運行環境砂粒粒徑80%左右為75～150 μm，對比研究試驗選用150目砂粒，砂粒粒徑106 μm。4）噴砂壓力。電機實際砂塵沖擊速度無法檢測，為了更好識別試樣磨蝕性能差異，適當延長試樣噴砂磨蝕時間，選取0.2 MPa壓力噴砂。

2.3.4 試驗壽命終點

試樣A噴砂至絕緣結構外包絕緣破損露出主絕緣，噴砂終止記錄磨蝕壽命；

試樣B噴砂至氟硅橡膠防護層破損露出主絕緣，噴砂終止記錄磨蝕壽命。

圖4、圖5分別為試樣A、試樣B磨蝕壽命終點狀態。

圖4 試樣A腐蝕壽命終點狀態

圖5 試樣B腐蝕壽命終點狀態

2.3.5 試驗結果

試驗結果見表3。

試驗結果表明：在相同噴砂試驗條件下，基準試樣A的磨蝕壽命為10 min，噴涂了耐磨蝕氟硅橡膠防護層結構的試樣B的磨蝕壽命為750 min。磨蝕壽命的巨大差異，說明氟硅橡膠防護層具有非常優異的防護效果。

根據前期動車組調試運行經驗，高速動車組在風沙環境下運行，電機絕緣結構磨蝕壽命約20萬km。試樣A結構熱態加速磨蝕壽命10min，相當于實際運行20萬km，而具有氟硅橡膠防護層的B結構耐磨蝕壽命是A結構的75倍，理論預期其運行磨蝕壽命可達1 500萬km，能夠現實動車組牽引電機的絕緣結構在風沙環境下運行終身免維護。

表3

3 結語

高速動車組牽引電機絕緣結構耐風沙磨蝕壽命的研究對我國高鐵的普及和向西、北部風沙氣候地區發展具有重要意義。高溫噴砂試驗表明，電機絕緣采用耐磨蝕氟硅橡膠防護具有非常優異的效果，可以解決高速動車組牽引電機絕緣結構被風沙磨蝕的難題，為實現動車組牽引電機在風沙環境下運行實現絕緣終身免維護奠定了基礎。

［1］ 金貞玉，鄒國華.火電廠隔熱抗磨防超溫涂料的研制［J］.現代涂料與涂裝，2009（7）：13-15.

［2］ 劉敏.水輪機磨蝕與防護措施的研究［J］.科技傳播，2012（22）：74-75.

［3］ 李學軍.磨蝕機理探討及抗磨蝕材料的應用［J］.西北水資源與水工程，1996（7）：41-48.

［4］ 顧四行.我國有關水機磨蝕研究和防護措施［J］.水力發電機學報，1991（2）：27-38.

［5］ 王志高.非金屬抗磨蝕保護層的應用和效益［J］.陜西水力發電，1993（1）：23-29.