地鐵軸承電流理論分析與仿真測試

張雄飛

（中交機電工程局有限公司）

0 引言

某地鐵4號線在軸承檢修過程中，發現軸承出現疑似軸承電腐蝕的條紋狀黑斑現象。為確認軸承腐蝕與牽引回流的關系，本試驗擬通過對典型的擔當運行的地鐵車輛進行車上牽引回流分布測試，分析牽引分流的分布，確認流經軸承的電流水平，為進一步分析軸承腐蝕機理及提出軸承腐蝕解決方案提供基礎數據。

1 軸承電流測試方案

軸箱-軸端的電壓可間接反映其軸承電流，擬測量軸箱螺栓-軸端的電壓差，測試范圍為一節車輛的各個軸箱對軸端的電位。整車回流系統如圖1所示，受流靴測量點如圖2所示，電流測量點如圖3、圖4所示。

圖1 整車回流系統

圖2 受流靴測量點示意圖

圖3 中間拖車、動車回流測點位置示意圖

圖4 頭車、尾車回流測量點位置示意圖

如圖5所示，以TC1為首端，TC2為尾端，定義以下方位：11為機車左前方轉向架；12為機車左后方轉向架；21為機車右前方轉向架；22為機車右后方轉向架。

圖5 機車轉向架方位示意圖

以M1-牽引電流-21為例，其代表的意義為M1車右前方轉向架的牽引電流。

2 軌道回路對軸承電流車體電流分布的影響理論分析

構架-軸箱、軸箱外圈-軸端的絕緣破壞是導致軸承電流發生的原因之一。但是車和軌道在電氣上也是耦合的，軌道的異常也會對車有影響。具體來說，當軌道的縱向電阻變大，甚至在某些節點，軌道出現斷點（比如在進車庫時），縱向電阻顯著增大，則使列車的回流受阻，在過渡電阻分流一部分電流往地流通后，軌道中的部分電流依舊會強迫進入車體，這些電流可以通過車體-轉向架-軸箱-軸承-鋼軌重新回到鋼軌中，這樣就會增大軸承電流。尤其是當某個軸承的絕緣被破壞時，大量的電流會從軸承流過，加劇腐蝕，雖然持續時間可能很短，但是大電流的作用下依然不可忽視。

2.1 正常鋼軌牽引回流路徑

圖6是牽引回流的正常回流路徑，通過車上的接地排，向轉向架的軸端引線，通過碳刷接地從鋼軌回流到變電所，此過程在車體絕緣良好，軸承無損壞，鋼軌縱向電阻無異常情況下，電流理論上能不通過軸承而通過碳刷完全回流到變電所，但是考慮實際工況的復雜性，回流路徑會有不同。

圖6 牽引回流路徑分布圖

2.2 異常鋼軌牽引回流路徑

如圖7所示，圖7a表示牽引回流可能在接地線和鋼軌之間形成一個循環，電流從車輪或碳刷處流過，增加進入車體的電流，會相應的增大軸承電流；圖7b表示由于軌道的縱向電阻可能異常或者軸端碳刷處對地電阻不均衡，導致進入各個軸端的電流大小不一；圖7c表示牽引回流可能在車上的用電設備和軌道之間形成循環，增加進入車體的電流；圖7d表示當鋼軌斷開或者某一段縱向電阻異常偏大，會導致一部分牽引回流通過車輪-軸承-軸箱-轉向架-車體-鋼軌路徑回流，這勢必會增大進入車體的電流，相應地增大軸承電流，同時也會讓一部分電流進入地中電流，增大了地中電流。

圖7 受軌道影響下牽引回流路徑分布圖

如圖8所示，考慮鋼軌縱向電阻異常增大或完全斷開時（還有鋼軌對地的過渡電阻變化時，會影響總回流I總回流在節點A的分流），原本在軌道中回流的一部分電流I強迫向上流入車體。而進入車體的電流I，必須回到鋼軌中回到變電所。其路徑有路徑1和路徑2，可以發現路徑1正是軸承電流流通的路徑，可見軌道縱向電阻增大時軸承電流增大是必然的。增加抑制電阻的方案如圖中虛線框所示，拆除構架到軸端的軟連線，在車體和軸端之間增加一個抑制電阻R，可見，如果不考慮軌道電阻增大的問題，那么，增加抑制電阻R能很好地抑制牽引回流I牽引回流在軸端處向車體分流的電流。

圖8 軌道縱向電阻異常時回流路徑

但是，一旦軌道電阻增大或者多車時（區間上其他車輛的回流會注入到車體中來），從軌道注入車體的電流I，會因為增大R，阻礙了電流I從路徑2回流到鋼軌，使更多的從路徑1走，因此會增加軸承電流，所以增加車體到軸端的抑制電阻不是一個兩全之策，因此需要對增加電阻R進行優化。根據實測數據分析可知，增加抑制電阻R在單列車和多車情況下都對抑制軸承電流有效果，可見牽引回流才是引起軸承電流的主導因素。在增加抑制電阻R后，多車和軌道回流不暢情況下，會引起軸承電流一定程度的增大，但由于對單列車運行工況的軸承電流具有顯著減少作用，因此，從整體上看，增加電阻能夠使整體的軸承電流減少。

3 仿真分析

3.1 單列車運行時增加抑制電阻對軸承電流的抑制效果仿真

（1）工況1：單列車運行+軌道縱向電阻正常+部分軸承絕緣破壞

按照各軸承油膜電阻，大部分油膜電阻都是處于數歐姆的水平，少有幾個軸的油膜電阻為幾百毫歐的水平，所以在仿真時用R油膜=1mΩ作為絕緣良好的軸承油膜電阻，用R油膜=200mΩ作為絕緣被破壞的軸承油膜電阻，其中M11和M31油膜電阻為200mΩ，得出各軸承電流如表1所示。

表1 各軸承對應的軸承電流

由表1可知，由于M11和M31的油膜電阻明顯小于其他軸的油膜電阻，M11和M31軸承電流明顯大于其他軸，采用在車體和軸端增加抑制電阻的方案，分別增加30mΩ、50mΩ、100mΩ，得出軸承電流如表2所示。

表2 增加電阻后的各軸承對應的軸承電流

由表2可見，當軸承內外圈的絕緣被破壞比較輕時，增加抑制電阻對軸承電流的減少無明顯變化，抑制效果大約為10%，而對于軸承絕緣破壞比較嚴重的軸承（M11、M31），電流分別由14.37A、13.66A減小為7.437A、7.135A（抑制電阻增大為100mΩ時），抑制效果分別為48.2%、47.7%。可見在列車軸承絕緣正常的情況下，增加抑制電阻有效果但是不是很明顯，這是合理的，因為油膜電阻很大的情況下，外部增加的電阻對其影響較小。而對于絕緣破壞比較嚴重的，軸承電流明顯上升，增加抑制電阻后，能夠大幅度地抑制軸承電流，證明單列車情況下在車體和軸端增加電阻對抑制軸承電流是有效果的，與實際測試結果相符。

（2）工況2：單列車運行+軌道縱向電阻增加20mΩ+部分軸承絕緣破壞

如圖9所示，M11和M31軸承絕緣破壞，油膜電阻為200mΩ，M1和M3之間的鋼軌縱向電阻增加較大為20mΩ。此時得出各軸承的電流如表3第一行所示。

圖9 M1和M3之間軌道縱向電阻偏大

表3 軌道縱向電阻增20mΩ下，增加抑制電阻后的軸承電流

可見，在鋼軌縱向電阻增大為20mΩ時，由于是在M1和M3之間，在M31之前的回流應該有2400A，按照電阻的分流，向上進入車體的電流有600A左右，則相對于仿真中，單個牽引回流300A，相對較大，牽引回流在該工況下已不是主導因素，所以增加抑制電阻R會導致軸承電阻增加。

（3）工況3：單列車運行+軌道縱向電阻增加2mΩ+部分軸承絕緣破壞

表4是假設M11和M31軸承絕緣破壞，油膜電阻為200mΩ，其他軸承都處于一樣的絕緣水平，可見，M11和M31中的電流明顯大于其他軸承。

表4 各軸承對應的軸承電流

單列車行駛在回流不暢的軌道上，假設軌道回流不暢的斷點位于M1和M3之間，回流方向是從M3到M1，如圖10所示。

圖10 M1和M3之間軌道縱向電阻偏大

如圖10所示，在M1和M3車體之間的軌道縱向電阻異常稍微增大（2mΩ），則原本沿著軌道回流的電流中的一部分電流就會沿著圖中所示的路徑在車體中流動，因此TC1和M1中的軸承電流應該會增大，而M3中的電流有上有下，則可能增大，可能減少。縱向電阻增大后得出此時的軸承電流如表5第一行所示，可見M1和TC1中的電流增大，符合預期結果。而M31中，因為電流被迫向上流動，有可能直接通過軸承，抵消一部分原本向下的電流，所以其電流從14.13A降低為13.03A。在車體和軸端增加50mΩ的電阻，軸承電流得到了抑制。可見，由于軌道縱向電阻不大，使由鋼軌注入車體的電流比較小，這是牽引回流占主導，所以軌道電阻雖然異常，但是在整體上軸承電流能夠被抑制。

表5 軌道縱向電阻增加2mΩ和安裝抑制電阻后的軸承電流

3.2 多車運行時增加抑制電阻對軸承電流的抑制效果仿真

列車正常運營中，都是按一定間隔時間發車，所以一般前后相隔一定的距離均有其他列車運行，如圖11所示，對于圖中虛線框所示的子區間，列車甲向1#牽引所和2#牽引所分別取流多少電流，必然會通過鋼軌向1#牽引所和2#牽引所各自回流相應的電流，列車乙同理。圖11中，列車甲距離1#號牽引所近，則大部分回流向1#號牽引所回流，列車乙距離2#號牽引所近，則回流主要向2#號牽引所回流，則甲、乙兩列車的回流都會經過對方所在的鋼軌回路，則都有可能注入對方的車體，相應的增加軸承電流，但這部分電流相對較小。如果在考慮鋼軌上下行并聯問題，則這部分電流回流相應再減少。但如果考慮到列車軸承絕緣破壞情況下，這部分電流會大部分注入車體，也可能使軸承電流增大。

圖11 多車情況下的系統結構圖

（1）工況1：多車+軌道縱向電阻正常+部分軸承絕緣破壞

在多車時，把列車甲作為測試的對象，考慮實際一般情況，即鋼軌縱向電阻正常，且列車乙取流2400A，M11和M31軸承絕緣有一定破壞，油膜電阻為200mΩ，如圖12所示。如表6所示，第二行軸承電流為一列車跑的時候的軸承電流，第二行為后方增加一輛車后的軸承電流，可見，絕緣破壞的軸承電流增大幅度相對于絕緣良好的軸承較大。而在車體和軸端增加了50mΩ的電阻后，軸承電流減少，可見在車體和軸端增加電阻對于多車情況下也是可以抑制軸承電流的，仿真結果與實驗結果相符合。

表6 多車和增加抑制電阻后的軸承電流

圖12 多車和軌道回流通暢

（2）工況2：多車+軌道縱向電阻增加20mΩ+部分軸承絕緣破壞

考慮一種比較極端的情況，即鋼軌縱向電阻較大，假設為20mΩ，且列車乙處于加速，取流為4000A，其中軌道縱向電阻增大點位于M1和M3之間，M11和M31軸承油膜絕緣得到一定破壞，油膜電阻為200mΩ。如圖13所示。由表7可知，相比于表1，由于軌道回流不暢，和軸承絕緣破壞，導致TC1和M1中的軸承電流顯著增加。在車體和軸端增加50mΩ的電阻后，由于軌道縱向電阻和多車注入列車甲的電流相對很大，所以牽引回流不再是主導因素，因此增加抑制電阻不能減少軸承電流。

圖13 多車和軌道縱向電阻偏大

表7 多車加軌道縱向電阻增大和加抑制電阻后的軸承電流

可見，在考慮多車時，在極端情況下，抑制電阻的方案依然會失效，但是正常情況下，由軌道上其他列車注入測試車的電流相對較小，所以增加抑制電阻的可以從整體上抑制軸承電流。但是，根據分析，這一部分相對較小的電流會在增加抑制電阻時，增大軸承電流，所以對多車時的抑制效果要劣于單列車，這在實際測試中的結果也可以驗證，如圖14（多車測試結果）和圖15（單列車測試結果）所示，多車下對軸承電流的抑制效果小于單列車。

圖14 回庫（單列車工況）各測試日軸承電流排序圖

圖15 外出（多車工況）各測試日軸承電流排序圖

4 結束語

經過理論分析、仿真分析，并結合實測數據，可以得到如下主要結論：構架-軸箱外圈和軸端的軸箱蓋-軸端的絕緣破壞是導致軸承電流的主要路徑，應加強這兩處位置的絕緣檢測；在以上兩處絕緣破壞的情況下，軸承油膜電阻是影響軸承電流的關鍵因素。軌道中的縱向電阻對軸承電流的影響密切，鋼軌縱向電阻增加會導致軸承電流顯著增加；鋼軌斷口處的焊接、連接的電纜電阻參數、庫內與正線聯絡線之間的絕緣關節等因素會影響縱向電阻。鋼軌縱向電阻較大時，無論是否加裝車體-軸端的電阻，都會增加軸承電流。增加車體-軸端的電阻對單列車運行和多車運行時的軸承電流抑制均有效果，尤其是在單列車運行時，抑制效果明顯；鋼軌縱向電阻增加較大時，增加車體-軸端的電阻對軸承電流抑制沒有效果。