有軌電車永磁電機絕緣軸承的設計

王大強，萬岳雄，魏志欣，章元軍

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2．西安交通大學 經濟與金融學院，西安 710061)

隨著我國經濟和社會的發展，以汽車為主導的交通模式所帶來的能源危機、環境污染、土地緊缺、交通擁堵等問題日顯嚴重?，F代化的有軌電車具有便捷性、舒適性、美觀性以及造價低等特點，在國內中小城市逐漸發展起來，并已成為公共交通運輸中的骨干力量。永磁電動機是有軌電車的主要動力部件，其結構復雜，安全性要求高，對其絕緣軸承的性能要求非常高。下文主要對永磁電機絕緣軸承設計的關鍵技術進行分析和研究。

1 永磁電機軸承應用特點

有軌電車為了方便乘客上下車，大多數都采用低地板設計，并廣泛采用獨立輪對。采用低地板設計造成安裝空間較小，永磁電動機需要設計為與車輪集成一體的結構，通過萬向節直接驅動獨立車輪[1]，永磁電機軸承的結構比一般電機軸承的結構復雜。由于電動機與車輪集成化設計，電機軸承維護及更換成本較高，對軸承的壽命要求也較高，L10壽命要求達到10年或120萬公里(先到為準)，壽命周期內軸承免維護。另外，永磁電動機工作過程中會有軸電流存在，軸承要求有一定的絕緣能力，防止軸承使用過程中因電蝕而失效，絕緣電阻要求在DC 1 000 V下測量需大于500 MΩ。

2 永磁電機軸承設計

2.1 軸承結構設計

電車在運行過程中有一定的沖擊和振動，永磁電動機-定位端配置深溝球軸承，非定位端配置NU型圓柱滾子軸承。受安裝空間的限制，永磁電動機未設計軸承座，軸承外圈需設計安裝凸緣實現與定子連接。定位端與非定位端軸承均采用單元化設計，配置鋼制迷宮式非接觸密封，填加潤滑脂后實現自潤滑和免維護，軸承為絕緣設計，結構如圖1所示。

圖1 軸承結構示意圖

2.2 絕緣方案設計

軸承絕緣形式有內圈絕緣、外圈絕緣和滾動體絕緣3種形式。內、外圈絕緣工藝采用等離子噴涂陶瓷粉末，然后再對陶瓷層進行磨削加工和封孔處理。相對于滾動體絕緣，對軸承安裝要求較高，安裝過程要防止損傷絕緣層，也不適用于復雜的結構。而滾動體絕緣軸承與一般軸承的安裝條件相同，規格較大的軸承采用陶瓷滾動體絕緣，但目前大尺寸的陶瓷滾動體價格高，故絕緣方案需要根據軸承結構及應用工況選擇。

由于永磁電機軸承內徑和外徑表面形狀不規則，不適合采用內、外圈噴涂絕緣層。因此，選用陶瓷滾動體混合軸承實現軸承絕緣的要求，滾動體材料為Si3N4，同時填加高介電強度潤滑脂實現軸承絕緣。

2.3 潤滑脂選擇

永磁電機軸承采用滾動體絕緣，潤滑脂的絕緣性能直接影響軸承絕緣性能，由于常規軸承用潤滑脂介電強度較小，通常不大于20 kV,不能滿足電機工作時對軸承絕緣性能的要求。為滿足軸承絕緣性能要求，未選擇常規軸承潤滑脂，選擇全氟聚醚潤滑脂作為軸承的潤滑劑，實現軸承絕緣性能要求和壽命周期內的潤滑要求。全氟聚醚潤滑脂由聚四氟乙烯(PTFE)稠化高化學穩定性的全氟聚醚油(PFPE)，并添加特種抗腐蝕添加劑精制而成，具有出色的熱穩定性及氧化穩定性，壽命是常規潤滑產品的5～10倍，并具有優異的絕緣性能，擊穿電壓達到48 kV。

2.4 保持架結構設計

在電機軸承設計中，保持架引導方式主要為滾動體和外圈引導2種方式，其中以滾動體引導最為常見。主要優點是在潤滑脂潤滑的條件下，采用滾動體引導保持架可以避免過潤滑，提高軸承的運行壽命和可靠度[2]。該保持架結構選擇鉚接式實體青銅保持架，引導方式為滾動體引導，兜孔形狀為圓弧形。青銅的抗拉強度比黃銅高50%以上，在有沖擊和振動的工況條件時，疲勞壽命更長。

2.5 密封結構設計

由于永磁電機軸承要求壽命長，接觸式橡膠密封雖然密封性能優異，但橡膠在使用過程中存在磨損和老化的風險，難以保證軸承在使用后期的密封效果。該軸承密封形式選擇為非接觸式的鋼制組合密封，結構為迷宮式組合密封。非接觸式鋼制密封相比接觸式橡膠密封有更好的溫度適應性，同時在使用壽命方面更具優勢，采用迷宮式設計時密封效果較好，可以滿足永磁電機軸承長壽命的要求。

3 壽命

根據軸承應用條件及ICE 61373—2010《鐵路應用 機車車輛設備 沖擊和振動試驗》中的振動條件，對軸承進行受力分析，然后根據GB/T 6391—2010《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》中規定的壽命計算方法，對軸承的設計壽命L10進行了計算。非定位端軸承的設計壽命為

定位端軸承的設計壽命為

式中：D為車輪直徑，D=0.626 m。計算結果顯示非定位端和定位端軸承的設計壽命均大于120×104km，滿足設計要求。

4 檢測與試驗

4.1 絕緣性能檢測

采用兆歐表對軸承的絕緣電阻進行檢測，在DC 1 000 V條件下，絕緣電阻大于1 000 MΩ，絕緣性能滿足設計要求。

4.2 裝機試驗

將軸承裝入永磁電動機，對軸承的運轉性能、漏脂和溫升情況進行試驗，電機試驗參數見表1。

客戶反饋試驗過程中軸承運轉良好，溫升正常，漏脂率小于5%，滿足裝機試驗的考核要求。

表1 電機試驗參數

5 結束語

通過對有軌電車永磁電機絕緣軸承應用特點分析和研究，設計了單元化的混合陶瓷滾動體絕緣軸承。通過裝機試驗，滿足應用需求。