深圳地鐵5號線車輛牽引電機(jī)異響故障分析及解決措施

余洪昇

（深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

深圳地鐵網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營以來，全網(wǎng)客流量劇增。為提高乘客出行效率，5 號線運(yùn)營行車間隔由5min 壓縮至3.5min，上線列車高達(dá)41 列，開行列車高達(dá)456 列。隨著客流量日益增大、行車間隔的壓縮，車輛出現(xiàn)部分惡性故障，如牽引電機(jī)異響故障極容易引起正線突發(fā)牽引電機(jī)固死、冒煙故障，導(dǎo)致列車晚點(diǎn)甚至升級為行車大間隔、列車救援或乘客恐慌事件。

為降低5 號線列車正線故障率，提高列車正點(diǎn)率，減少乘客投訴，提升列車運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量，對牽引電機(jī)異響故障分析及處理的工作迫在眉睫。

1 基本狀況

深圳地鐵5 號線時代牽引系統(tǒng)列車共有8 列，每列車在動車的每根軸上安裝了一臺牽引電機(jī)，每列車共有16 臺牽引電機(jī)。牽引電機(jī)通過齒輪箱和動車牽引電機(jī)輪對之間的機(jī)械連接，為列車提供所需的牽引力和電制動力，從而實(shí)現(xiàn)列車的加速和減速控制。牽引電機(jī)兩端的軸承均采用絕緣軸承，傳動端為SKF 圓柱軸承NU216ECM/C4VA3091；非傳動端采用SKF 球軸承6215M/C4VL0241，兩端油封都采用迷宮式密封結(jié)構(gòu)。

5 號線8 列時代牽引系統(tǒng)列車投入運(yùn)營以來，牽引電機(jī)異響故障呈快速增長態(tài)勢，運(yùn)行3年間共發(fā)生50起，故障牽引電機(jī)數(shù)量占車輛牽引電機(jī)總數(shù)量的39.06%。

2 牽引電機(jī)異響故障原因分析

隨機(jī)選取5262 車4 軸故障牽引電機(jī)并進(jìn)行下車，送回牽引電機(jī)制造商——株洲時代電機(jī)公司做進(jìn)一步的檢查和分解，并開展不同轉(zhuǎn)速的空轉(zhuǎn)試驗(yàn)、冷態(tài)絕緣阻值測量檢查、電機(jī)振動試驗(yàn)等試驗(yàn)，故障牽引電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子電氣外觀絕緣層無破損，功能檢查測試均正常。

檢查故障牽引電機(jī)維保記錄，牽引電機(jī)軸承潤滑正常。在維保周期內(nèi)使用殼牌能得力（shell REATINAX LX21）油脂對每個軸承進(jìn)行潤滑，其中靠近聯(lián)軸節(jié)的驅(qū)動端軸承已加19g，非驅(qū)動端軸承加16g。同時最近一次牽引電機(jī)的外觀檢查正常，進(jìn)、出風(fēng)口濾網(wǎng)均未發(fā)生堵塞。

隨后對故障牽引電機(jī)進(jìn)行分解，檢查拆卸下來的牽引電機(jī)軸承，發(fā)現(xiàn)非驅(qū)動端的球軸承外圈滾道有明顯電蝕的周期性紋狀痕跡，內(nèi)圈滾道有灰色的磨損痕跡，滾珠有刮傷、發(fā)黑的現(xiàn)象，軸承分解如圖1 所示。

圖1 牽引電機(jī)非驅(qū)動端的球軸承分解圖

為了進(jìn)一步確認(rèn)引起軸承故障的原因，分別將非驅(qū)動端球軸承送到兩家第三方檢測單位斯凱孚公司和人本集團(tuán)技術(shù)中心進(jìn)行檢測，兩次檢測分析結(jié)果如下。

其一，人本集團(tuán)技術(shù)中心檢測結(jié)果：電流通過軸承，在軸承滾道處形成了周期性條紋狀痕跡（外圈條紋狀磨損痕跡的深度約2.5μm，外圈條紋狀磨損區(qū)域的整體磨損深度約13.8μm，見圖2）。由于電流的通過，會在軸承的滾道處產(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夠加速軸承的磨損，并且會在熔融位置產(chǎn)生燒傷組織，滾道的燒傷組織液證明了電腐蝕的存在。

圖2 軸承外圈滾道條紋狀深度圖

其二，斯凱孚公司檢測結(jié)果：軸承失效的原因?yàn)檫^電流。接觸表面損傷最初呈現(xiàn)環(huán)形坑狀，環(huán)形坑與另一環(huán)形坑接近并且尺寸很小，如圖3 所示。即使電流強(qiáng)度相對較弱也會發(fā)生這種現(xiàn)象，隨著時間的推移，環(huán)形坑將發(fā)展為波紋狀凹槽，滾道上的凹槽底部顏色發(fā)暗。

圖3 軸承內(nèi)圈滾道放大圖

通過對牽引電機(jī)軸承進(jìn)行分解，結(jié)合兩家第三方檢測單位分析的結(jié)果，確認(rèn)非驅(qū)動端的球軸承的外圈、內(nèi)圈均有電蝕刮傷、磨損的現(xiàn)象，可以得出非驅(qū)動端軸承電蝕導(dǎo)致牽引電機(jī)異響故障。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時，會在滾動面和滾動體之間形成一層油膜，油膜不僅有利于潤滑，還起到電容的作用。但當(dāng)通過電流大于油膜的承受范圍時，油膜被擊穿，產(chǎn)生電火花，擊穿處表面在高溫下發(fā)生局部熔化，進(jìn)而形成電弧放電麻點(diǎn)，導(dǎo)致軸承滾道面和滾動體電蝕，因此軸承電蝕是因軸承內(nèi)部有電流通過造成的。

改進(jìn)車輛接地電路可以減少牽引電機(jī)軸電流，減少甚至避免牽引電機(jī)軸承電蝕。

2.1 車輛接地電阻及高壓電氣箱HV02 接地電容整改方案研究

工作接地有高壓與低壓回流工作接地兩種。其中，低壓回流工作接地，主要是使電氣系統(tǒng)中的低壓電路有準(zhǔn)確的電位，讓電路中的雜散性信號電流進(jìn)行回流。而高壓回流工作接地，是引導(dǎo)接觸網(wǎng)中電流進(jìn)入軌道，經(jīng)過相關(guān)程序處理后再回流到變電站，確保車輛處于安全、穩(wěn)定的電氣回路中。在高壓回流電路的設(shè)計中，要確保接觸網(wǎng)輸出的電流都能回流到電源中，車輛的電氣系統(tǒng)在運(yùn)行中不會出現(xiàn)故障與漏電現(xiàn)象。

通過對車輛電路圖及主電路原理圖的研究分析，改變列車電路接地電阻的安裝位置和數(shù)量、接地電容的大小，可以改變車輛高壓接地電路和牽引電機(jī)軸電壓。若牽引電機(jī)軸電壓變小，則能有效減少牽引電機(jī)軸承電蝕現(xiàn)象，并形成兩個改進(jìn)研究方案。

2.1.1 接地電阻改進(jìn)方案研究

深圳地鐵5 號線車輛采用鋁合金材料，在鋼軌間運(yùn)行的過程中，電阻值較小，會出現(xiàn)一些散雜電流，長期如此將會影響車輛軸承與接地裝置的壽命。所以要消除這些散雜電流，可以使用接地電阻轉(zhuǎn)移電流。但是為減少回流進(jìn)入車體，還要對列車單元間實(shí)施并聯(lián)電阻，連接車體與列車車鉤，阻斷車體間的散雜電流，杜絕重聯(lián)現(xiàn)象，防止電壓過大。

分析車輛電路圖，改變每節(jié)動車接地電阻的連接方式。從接在端子排的一端改到和軸端接地裝置相連，另一端通過接地線纜和車體相連。同時，增加一個新的接地電阻（30mΩ），接地電阻的一端與軸端接地裝置相連，另一端通過接地線纜和車體相連。

2.1.2 高壓電氣箱HV02 接地電容改進(jìn)方案研究

原牽引系統(tǒng)接地電容為54μF，主要用于使直流電與接地系統(tǒng)之間為低阻抗，過濾高頻電流。將4 個高壓電氣箱HV02 中的接地電容連接線纜斷開，分別使用0.5μF、0.68μF、1.0μF 接地電容替代54μF接地電容，重新檢查牽引電機(jī)軸承電壓情況。

2.2 牽引電機(jī)軸電壓測試

2.2.1 牽引電機(jī)軸電壓測試方案

牽引電機(jī)軸電壓測試有兩個測試點(diǎn)。軸電壓測試點(diǎn)1 的引出線由測試工裝實(shí)現(xiàn)，用測試工裝替代原速度傳感器；測試點(diǎn)2 選為電機(jī)的接地編織線連接處。將電壓探頭連接測試點(diǎn)1、2，同時把電壓探頭的信號引入瞬態(tài)記錄儀。牽引電機(jī)軸電壓測試的整體方案及內(nèi)容見表1。

表1 牽引電機(jī)軸電壓測試方案及內(nèi)容

2.2.2 牽引電機(jī)軸電壓測試結(jié)果

通過開展?fàn)恳姍C(jī)軸電壓測試，發(fā)現(xiàn)采用車輛接地電阻結(jié)構(gòu)保持不變、高壓電氣箱HV02 接地電容改為1.0μF 的方案時，牽引電機(jī)軸端電壓的峰值有效降低，軸電壓平均降低約30.16%。牽引電機(jī)軸電壓越小，流過電機(jī)軸承的電流越小，電機(jī)軸承電蝕發(fā)生率越低，因此車輛接地電阻結(jié)構(gòu)保持不變，高壓電氣箱HV02 接地電容改為1.0μF 的改進(jìn)方案有效，牽引電機(jī)軸電壓測試結(jié)果見表2。

表2 牽引電機(jī)軸電壓測試結(jié)果

3 牽引電機(jī)異響故障改進(jìn)方案

3.1 牽引系統(tǒng)接地電容整改

根據(jù)牽引電機(jī)軸電壓測試結(jié)果，決定采用車輛接地電阻結(jié)構(gòu)保持不變，高壓電氣箱HV02 接地電容54μF 改為1.0μF 的方案，并對5 號線8 列時代牽引系統(tǒng)列車的高壓電氣箱HV02 接地電容進(jìn)行整改。

3.2 牽引電機(jī)軸承批量更換

牽引系統(tǒng)接地電容整改完成后，為保證地鐵列車牽引電機(jī)運(yùn)行安全，避免可能存在未發(fā)生的牽引電機(jī)軸承電蝕隱患，徹底解決牽引電機(jī)異響故障問題，決定對所有的128 臺牽引電機(jī)的非驅(qū)動端軸承進(jìn)行更換，確保所有牽引電機(jī)非驅(qū)動端軸承狀態(tài)良好。

同時，根據(jù)牽引電機(jī)維護(hù)手冊建議“從列車投入運(yùn)行12.5 萬km 或1年開始，每年傳動端軸承添加19g脂潤滑，非傳動端軸承添加16g 脂潤滑”，嚴(yán)格管理牽引電機(jī)軸承潤滑工作，避免因牽引電機(jī)軸承潤滑不到位導(dǎo)致故障的發(fā)生。

4 結(jié)語

牽引系統(tǒng)接地電容電路改造，牽引電機(jī)非驅(qū)動端軸承更換等整改措施的成功實(shí)施，有效避免了列車在正線發(fā)生牽引電機(jī)軸承固死、冒煙的故障，降低了列車正線故障率，提高了列車正點(diǎn)率，提升了運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量，保證了列車的運(yùn)營安全。