針對地鐵車輛電機軸承電腐蝕的分析及改進建議

肖輝勝

摘 要 近年來，國內部分地鐵列車發生了牽引電機牽引異響故障，拆解后確定為牽引電機軸承電腐蝕。本文通過對軸承電腐蝕產生機理進行分析，提出軸承電腐蝕的抑制方案。

關鍵詞 電機軸承 電腐蝕 軸承電壓 保護接地

中圖分類號：U260 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2020）03-0027-03

國內某公司地鐵列車交付運行兩年后發現牽引電機存在異響故障，特別是列車行駛里程達到 10 萬～20 萬公里時異響明顯突出。拆解電機后發現非驅動端球軸承有規律的搓衣板紋路，滾珠表面粗糙發暗，軸承潤滑油脂變黑，并且有燒焦氣味。因此認定異響原因為牽引電機軸承電腐蝕。

1 電腐蝕產生機理

電機軸承電腐蝕產生機理有很多，但造成電腐蝕的電流形式主要分為軸承電流 A 和軸承電流 B 兩種。（如圖1所示）

軸承電流A：變頻驅動系統產生的共模電壓通過電機中的分布參數（如電機定子、轉子、轉軸間的寄生電容等）耦合到軸承油膜上，當電壓足夠高時，會擊穿油膜產生放電，瞬時放電電流造成 EDM（電火花加工）效應，最終引發軸承電腐蝕。

軸承電流B：變頻電機的高頻磁通不對稱，在轉軸-軸承-電機外殼回路，產生高頻回路電流，頻率從 kHz 到 MHz，軸承電流B對風力發電機等大型電機影響較大，對地鐵牽引電機影響很小。

由于國內地鐵用牽引電機的功率均在 300kW 以下，由軸承電流類型對軸承電腐蝕的影響曲線圖（圖2）可看出地鐵用電機軸承電腐蝕主要是由軸承電流 A 形成。共模電壓經過系統分布參數在軸承內外圈之間感應出電壓，即軸承電壓。

在正常情況下，電動機的軸承電壓較低，軸承內的潤滑油膜能起到絕緣作用，不會產生軸電流。但當軸電壓較高，或電機起動瞬間油膜還未穩定形成時，軸承電壓將放電擊穿油膜形成回路產生軸電流。當該放電電流的密度足夠大時，會融化軸承內外圈表面的金屬，形成凹槽，嚴重時將導致電機抱死、聯軸節損壞，對運營生產造成惡劣影響。

2 軸承電壓過高原因

經調研，發現軸承出現電腐蝕的地鐵列車采用的整車保護接地拓撲均如圖 3 所示，這種接地拓撲的特點是采用單電阻（位于車廂中部）保護接地方式，該接地方式導致車體至鋼軌的接地路徑過長，最終導致軸承電壓過高。

3 軸承電腐蝕抑制措施及建議方案

電腐蝕故障主要是由于軸承中電流通過，因此消除電蝕故障的方法是在電機結構上加裝接地設施或采用陶瓷滾珠杜絕電流通過，但陶瓷滾珠軸承在軌道交通領域應用較少，對系統改動較大，無法準確評估其系統穩定性，其運行可靠性不能得到保證，因此不推薦采用此種方法。

3.1 整車保護雙電阻接地

此方案接地電阻在車廂端部的轉向架上方，更靠近碳刷，使得車體-接地電阻-碳刷的線纜較短，從而降低了軸承電壓。

3.2 整車保護無電阻接地

該方案未設置接地電阻，使車體-轉向架構架-電機外殼-接地碳刷之間直接短接，轉向架構架直接通過短接編織線接接地碳刷，形成車體至構架，構架至接地碳刷短接保護路徑。該方案的優點是：相對單電阻接地方案，此方案使得車體到碳刷的路徑最短，因此降低了軸承電壓。但這種保護接地電路可能存在車體環流，即鋼軌上的工作回流可能會流經車體。

3.3 安裝導電環

安裝導電環本質上是將軸承內外圈短路，該方案可消除軸承兩端電壓，其優缺點如下：

優點：可以將軸承電壓旁路，避免軸承電壓的形成;

缺點：將改變整車接地。由于導電環將電機外殼與轉軸直接短接，而轉軸通過齒輪箱與鋼軌連接，齒輪箱內部齒與齒之間在低速時是直接短路的（因為嚙合表面沒有形成油膜），因此在低速時導電環將會直接把車體→轉向架→電機外殼→鋼軌的路徑完全短接，這樣會將車體保護接地的 30mΩ電阻短路，可能會經由齒輪嚙合面（線接觸）形成車體環流。上述情況可能會導致3個方面的風險：

①形成車體環流，長時間會影響車體結構強度，也可能會造成信號干擾;②齒輪嚙合表面可能會有大電流流過，因此可能會損傷齒輪的嚙合面;③加了導電環之后，相當于更改了整車接地，且整車接地情況還是動態的，有低速和高速下的兩種情況，因此可能會對整車電磁輻射造成影響。

4 結語

綜上所述，雙電阻保護接地方案為抑制軸承電壓的最優措施，該方案具有改動小、成本低等特點。出現列車軸承電腐蝕的地鐵公司可參考該方案抑制軸承電壓，避免對車輛正常運營造成更大損失。

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