高壓直流下的受電弓拉桿軸承電蝕分析及對策

駱開榮 程 聰 葉 凱

(貴陽市城市軌道交通集團有限公司運營分公司，550081，貴陽∥第一作者，工程師)

自2019年4月起，貴陽地鐵1號線(以下簡為“1號線”)陸續有近30個受電弓拉桿軸承出現燒損現象。如圖1所示，燒損的軸承出現大面積熔點及金屬堆積，軸承內部及拉桿孔損壞嚴重。軸承燒損使受電弓升降卡滯，嚴重威脅了正線行車安全。研究燒損軸承發現，當1 500 V高壓直流電經過軸承與拉桿套、軸的接觸表面及軸承內外圈的滾動表面時，軸承就會出現嚴重的電蝕損傷。

圖1 電蝕損傷的軸承及端蓋

對于軸承電蝕，文獻[1]提出使用陶瓷滾子的軸承來減少電蝕，但未進行具體驗證。文獻[2]采用導電潤滑脂增加軸承內部導電通道的方法來減少或消除電蝕。文獻[3]使用耐高壓潤滑脂來防止大電流擊穿油膜產生閃絡造成電蝕。本文基于1號線受電弓運行情況，分析拉桿軸承電蝕原因，進而提出解決拉桿軸承電蝕損傷的方法，并完成試驗驗證。

1 受電弓結構及使用情況

1.1 受電弓結構

1號線采用的單臂式受電弓，主要由底架、下臂桿、上臂桿、弓頭及控制系統等模塊組成(見圖2)，其受流電壓為直流1 500 V。在圖2中，電蝕軸承位于拉桿兩端。拉桿以上臂桿與下臂桿鉸鏈為支點，起固定弓頭軌跡的作用，主要承受與上臂桿及弓頭重量等效的拉力(約200 N)[4]。

圖2 受電弓結構

1.2 列車運行環境

1號線全長34.8 km。其中：地上段長7.6 km，采用柔性接觸網；地下段長27.2 km，采用剛性接觸網。貴陽市年平均總降水量為1 129.5 mm，一年陰雨天在200天以上[5]。

1.3 露天段弓網關系試驗

本文選取1號線下麥西站至竇官站區間的1.1 km長露天段作為試驗段，對列車弓網監測試驗數據進行研究。試驗相關數據見表1、表2及表3。

表1 1號線弓網動態接觸壓力試驗結果

表2 1號線試驗段燃弧試驗數據統計

表3 受電弓的硬點

由試驗結果可知：平均弓網動態接觸壓力約為120 N；以不同速度行駛的列車在試驗區段出現數次燃弧和多處硬點，雖滿足運營標準規范，但可以看出運行過程中網壓波動是真實存在的[6]。文獻[7]研究結果表明，受電弓碳滑板與接觸網從接觸到脫離過程最大會產生20 N的突變力。

2 軸承電蝕原因分析

2.1 網壓波動產生點蝕現象

由表1、表2及表3可見，列車在試驗段出現數次燃弧和硬點[8]。在接觸網網壓波動影響、上臂桿及弓頭重量等效力[4]、平均120 N的動態接觸壓力，以及碳滑板脫離接觸網過程中產生20 N突變力[6]等的綜合作用下，特大電流(指直流1 500 V，下同)經過軸承滾珠與軸承內外圈接觸表面之間的極薄油膜時，會使接觸表面產生電閃絡、弧光及高熱熔化，進而發展為電蝕損傷[9-11]。在電蝕初期檢查，會發現端蓋內側面燒痕、軸承潤滑脂變質、軸承滾珠及滑道接觸面輕微燒痕等輕微電蝕損傷現象，如繼續使用，則輕微電蝕損傷會逐步發展為軸承內部燒損及金屬堆積等嚴重電蝕損傷。

2.2 導電潤滑脂對點蝕損傷的影響

由于傳統常用軸承潤滑脂的主要成分為脂肪酸鋰皂、精煉礦物基礎油及石油添加劑，其質量分數分別為8%～18%、80%～95%、6%～10%，具有無導電特性及耐高壓特性，故特大電流只能沿滾珠與內外圈點接觸形成的單一導電通道通過。由于導電通道過少，而且在滾珠與內外圈的相對運動過程中點接觸不穩定，故接觸面會發生電閃絡、產生高溫，進而形成熔鎦、疤結或弧坑，最后發展為電蝕損傷。文獻[2]的試驗結果證明，加入導電潤滑脂后軸承的導電通道增多，可預防滾動軸承電蝕(見圖3，圖中箭頭表示電流流向)。文獻[3]研究發現，耐電壓值的潤滑脂也可減少或消除軸承中的電蝕損傷。

圖3 單一導電通道軸承與多導電通道軸承

2.3 導流不暢加劇電蝕損傷

導流線螺栓松動、螺栓緊固縫隙中積灰、導流線及連接處螺栓在長期行車過程中吸附大量灰塵等多種因素，會導致導流不暢或相對于拉桿軸承該導流線未形成低阻值導電通道，部分特大電流通過拉桿軸承造成電蝕。此時，如有列車再生制動產生的大電流逆向經過該軸承，則會進一步加劇電蝕損傷。

2.4 氣候影響

貴陽長年多雨。在露天段，如有少量雨水進入拉桿軸承中，就會使潤滑脂變質，產生少量硬質粒子，嚴重時會導致局部潤滑失效。隨著列車運行，特大電流作用使軸承內部溫度急劇上升，潤滑脂碳化嚴重，產生越來越多硬質粒子和不規則熔鎦、疤結或弧坑，逐步造成軸承內部卡滯、固死，進而惡化為大面積電蝕損傷[5]。

3 改進措施

針對貴陽多雨天氣，其為客觀條件無法避免，只能通過增加拉桿軸承內部導電通道或防止特大電流經過軸承內部的方法才能避免軸承電蝕損傷。工業防水密封軸承雖具有防水、防塵、保油及密封的特點，卻不能有效解決大電流通過軸承內部的問題，且其在檢修作業中無法添加潤滑脂，故受電弓拉桿軸承不宜采用密封軸承。此外，目前耐高壓導電潤滑脂在軌道交通行業應用不夠廣泛，相關的現場驗證文獻較少，而且導電潤滑脂測試的周期長、拆裝軸承作業較為繁瑣等，故本文也不考慮采用耐高壓導電潤滑脂方法。

經綜合考慮，本文提出的改進措施為：在軸套外表面增加絕緣層。在配合軸承使用中，絕緣層可避免特大電流由拉桿套流經軸承內部。增加絕緣層的新軸套長度相對軸承單側多出4 mm余量，故端蓋與拉桿套配合時與軸承有4 mm的安全空隙，可避免軸承與端蓋接觸形成導電通道(見圖4)，新舊軸套對比見圖5。

圖4 增加絕緣層的軸套

圖5 新舊軸套對比

1號線新軸套的更換于2019年6月—8月完成。更換后半年內進行了間斷性普查，均未發現拉桿軸承出現電蝕現象。2020年4月隨機拆卸一套使用新軸套的拉桿軸承，并在清潔后檢查，未發現內部出現電蝕現象，且軸承內部表面狀態良好，見圖6。

圖6 使用10個月后的軸承

4 結語

受電弓拉桿軸承的電蝕是網壓波動產生特大電流、軸承導電通道過少、潤滑脂材料特性、導流線相對阻值不低、暴雨滲水等因素綜合作用的結果。本文提出在軸套增加絕緣層的改進措施，消除了軸承內部的導電通道。1號線10個月的使用情況證明，增加絕緣層后，可有效防止1 500 V高壓直流電流經拉桿軸承內部，有效減少了受電弓拉桿軸承的電蝕損傷。