地鐵車輛牽引電機異響問題及解決措施

朱鵬舉

地鐵車輛牽引電機異響問題及解決措施

朱鵬舉

（廣州地鐵集團有限公司運營事業(yè)總部，510310，廣州//工程師）

針對某項目車輛牽引電機異響問題，介紹了故障牽引電機的調(diào)查過程，初步確認(rèn)牽引電機異響的原因為牽引電機軸承出現(xiàn)異常；對出現(xiàn)異常的牽引電機軸承進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)電機軸承出現(xiàn)電蝕現(xiàn)象；通過對電蝕軸承的進(jìn)一步調(diào)查，初步確認(rèn)牽引電機軸承軸端電流過大是牽引電機電蝕的原因。為解決牽引電機軸端電流過大的問題，提出了有效的整改措施，并進(jìn)行了試驗驗證，取得了良好的效果。

牽引電機；軸承；電蝕；車輛；故障分析

AbstractAiming at the abnormal sound made by metro vehicle traction motor in a certain project，the investigation process is introduced,and the abnormal traction motor bearing is detected.Through further investigation，the electric erosion phenomenon in the traction motor is confirmed as the main reason for the abnormal sound，which is caused by the excessive current at the bearing shaft end.Aiming at this problem，effective solutions are proposed and confirmed by experimental verification.

Key wordstraction motor； bearing； electric erosion； vehicle；malfunction analyze

Author′s addressOperation Division，Guangzhou Metro Group Co.,Ltd.，510310，Guangzhou，China

地鐵車輛牽引電機是車輛動力來源，牽引電機故障將直接影響車輛牽引性能。地鐵車輛若出現(xiàn)牽引電機軸承卡死故障，可能導(dǎo)致車輛輪對擦傷軌道影響行車安全的嚴(yán)重后果。

某地鐵車輛項目在運營兩年后，出現(xiàn)了批量車輛牽引電機異響問題。針對牽引電機出現(xiàn)的異響問題，地鐵運營方組織更換并拆解了4臺異響較大的牽引電機。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)4臺電機非傳動端軸承的外圈滾道均出現(xiàn)了發(fā)暗的波紋狀凹槽。

1 故障調(diào)查

經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，軸承外圈滾道有明顯電蝕的周期性條紋狀痕跡，內(nèi)圈滾道有灰色的磨損痕跡，軸承外圈滾道條紋狀磨損區(qū)域的整體磨損深度約為13.8 μm，失效軸承外圈滾道軸承條紋狀區(qū)域組織有白色燒傷層，且其深度約為1.5μm。

經(jīng)分析，由于有電流通過軸承，故在軸承的外圈滾道均出現(xiàn)了明顯電蝕的周期性條紋狀痕跡。通過電流會在軸承的滾道（接觸位置）產(chǎn)生金屬的熔融和細(xì)小的熔融泡。這些表面缺陷的形成能加速軸承的磨損，并會在熔融位置產(chǎn)生燒傷組織。滾道的燒傷組織液證明了電蝕的存在。

軸承供應(yīng)商也認(rèn)為軸承失效機理為過電流。接觸表面損傷最初呈現(xiàn)淺環(huán)形坑狀；隨著時間的推移，環(huán)形坑發(fā)展為波紋狀凹槽；且滾道上的凹槽底部顏色發(fā)暗。

2 軸承電蝕原因分析

根據(jù)GB/T 20161—2008—T《逆變器供電的鼠籠感應(yīng)電機應(yīng)用導(dǎo)則》，當(dāng)電機由電壓型變頻器供電運行時，會存在1個特定的軸承電流源，即電動機轉(zhuǎn)軸上感應(yīng)出高的軸電壓。當(dāng)軸電壓形成導(dǎo)電回路后將產(chǎn)生軸承電流。軸承中有電流存在是軸承發(fā)生電腐蝕的必要條件。牽引電機軸電壓主要來源為PWM（脈沖寬度調(diào)制）變頻器產(chǎn)生的高頻共模電壓和PWM變頻器輸出電壓的變化。

2.1 PWM變頻器產(chǎn)生的高頻共模電壓

兩電平電壓源型變頻器在常規(guī)的PWM控制方式下，輸出端U、V、W輸出的三相電壓盡管相位互差120°，但三者之和并不為零，即存在很高的共模電壓。共模電壓與逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式有密切相關(guān)，包含有與輸出電壓諧波分量有關(guān)的頻率分量。圖1為共模電路模型及軸承電壓Ubrg的典型電路。

圖1 共模電路模型及軸承電壓Ubrg

圖1 中，軸承電壓Ubrg是共模電壓Ucm的鏡像。Ucm的幅值取決于共模電流的阻抗（尤其是電抗）。共模電流最終流到逆變器的中性點。共模電壓會感應(yīng)到電動機轉(zhuǎn)軸的較高軸電壓，從而形成軸承電流。

2.2 PWM變頻器輸出電壓的電壓變化率

由于PWM技術(shù)所固有的脈沖性質(zhì)，PWM變頻器輸出的電壓變化率（d V/d t）。當(dāng)電機正常運行時，電機軸承中的滾珠在油膜中高速運行，使?jié)櫥瑒┰谳S承內(nèi)部形成兩層油膜，從而使電機軸承呈現(xiàn)出容性作用，成為寄生電容。當(dāng)高頻的d V/d t作用在電機內(nèi)部的寄生電容上時，電容的累積作用使得轉(zhuǎn)子軸電壓升高。由于電機軸承的內(nèi)座圈與轉(zhuǎn)軸相接，外座圈與定子相聯(lián)，故軸電壓將作用在軸承上。當(dāng)轉(zhuǎn)子軸電壓升高到一定程度以后，將產(chǎn)生軸承電流。

經(jīng)測量，出現(xiàn)問題的電機軸承電壓約為200 V，而正常軸承軸端電壓約為100 V。

3 解決措施

經(jīng)過以上分析，地鐵運營方聯(lián)合供應(yīng)商提出了解決問題的思路：一方面消除軸電壓的產(chǎn)生來源，另一方面增加軸承電流回路的釋放；并相應(yīng)提出了優(yōu)化逆變器負(fù)極EMI（電磁干擾）電容選型及調(diào)整接地方案2個解決措施。

（1）優(yōu)化逆變器負(fù)極EMI電容選型。結(jié)合車輛的結(jié)構(gòu)及接線原理，選擇合理的變流器負(fù)極EMI電容可為軸承電流提供良好通路，從而使軸承電壓減小。經(jīng)牽引系統(tǒng)供應(yīng)商詳細(xì)計算和試驗分析，在負(fù)極和逆變器之間選擇1μF的EMI電容，且必須采用無感電容以盡量降低電路的電感值。

（2）調(diào)整接地方案。車輛目前接地方案滿足EN 50153《鐵路應(yīng)用機車車輛電氣危害防護規(guī)定》和DIN VDE 0123《軌道車輛的輪對滾動軸承區(qū)的電路》要求，能分別為工作回流、漏電電流、雷擊電流、系統(tǒng)內(nèi)的電磁干擾提供引入大地的設(shè)定通路，能提升車輛電磁兼容性能，從而保證設(shè)備正常工作和車輛安全運行。通過調(diào)整接地電阻的接入位置及數(shù)量，將接地電阻電氣位置改為安裝在構(gòu)架與接地軸端之間，降低線路感抗值，為軸承電流提供低阻抗支路，從而降低軸承電流。

故障項目高壓箱采用1μF無感電容且調(diào)整了接地方案。優(yōu)化調(diào)整后，該項目的軸承電壓見圖2。

圖2 接地方式調(diào)整、高壓箱采用1μF無感電容軸承電壓測試結(jié)果

由圖2可見，軸承電壓已降至100 V以下。根據(jù)研究成果，這一電壓水平基本解決了牽引電機軸承電蝕問題。

4 結(jié)語

地鐵車輛牽引電機軸承問題越來越多。其中，牽引電機軸承電蝕問題是一個系統(tǒng)性問題，其影響因素較多。本文分析了引起牽引電機軸承電蝕問題的原因，并針對其成因提出了解決措施。經(jīng)驗證，該解決措施可將軸承電壓降至100 V以下，可有效解決了牽引電機軸承電蝕問題。

［1］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.變頻器供電的鼠籠型感應(yīng)電機應(yīng)用導(dǎo)則：GB 20161-2008-T［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［2］施洪生，張奕黃，高培慶.高速牽引電機軸承關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢［J］.機車電傳動，2007（2）：1-5.

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［4］孫振華.我國鐵路客車高速軸承研究分析［J］.鐵道車輛，2004（8）：4-7.

Analysis of Abnormal Sound Made by Metro Vehicle Traction Motor and the Solutions

ZHU Pengju

U.260.1

10.16037/j.1007-869x.2017.09.029

2016-01-10）