動車組輔助變流器冷卻風機電機噪聲問題分析與解決方案

黨建峰,薛 勃,黨亞男,劉曉荔

(中車永濟電機有限公司, 永濟 044500)

0 引 言

CRH5動車運行過程中,發現批量輔助變流器冷卻風機在低溫環境下有噪聲,經分析噪聲來自冷卻風機電機,如圖1、圖2所示。為找到噪聲原因,對冷卻風機電機進行拆解。發現傳動端端蓋軸承室有明顯磨損痕跡,如圖3所示。

圖1 CRH5A型動車組牽引輔助變流器冷卻風機

圖2 風機電機

圖3 磨損端蓋軸承室狀態

該電機定子機座外殼、兩端端蓋沿用傳統材質,均為鑄鋁合金(ZL101A),兩端采用的軸承均為6206(NSK6206DDU CM NS7 或 SKF6206-2Z/C3-LHT23),軸承外徑公差為(-0.011 mm,0),與其配合的兩端端蓋軸承室公差為(0,+0.019 mm)。本文從以下三個方面進行分析[1]:軸承耐低溫性能、傳統端蓋材質特點、軸承室配合尺寸,從而找到傳統設計缺陷,重新進行軸承選型、端蓋材質選用,軸承室配合尺寸優化,來解決冷卻風機電機噪聲問題。

1 原因分析

1.1 軸承耐低溫性能分析

風機電機原始設計時,對中國東北和西北地區冬天的低溫考慮不足,通過對一臺故障電機進行-40 ℃耐低溫實驗,發現軸承SKF 6206 2Z/C3 WT出現轉動不靈活現象,經與軸承廠家溝通發現,自密封軸承在環境溫度較低時自帶的內部油脂粘度變高,導致軸承轉動不靈活。當電機運行時,軸承外圈與內圈同時旋轉,外圈旋轉對電機端蓋軸承室造成磨損,保持架斷裂。

1.2 端蓋材質特點分析

鋁合金(ZL101A)端蓋材質偏軟,剛度低、耐磨性差。列車運行速度不均衡,起動和停止有升速和降速過程,遇到風雪天氣會低速運行,列車對輔助變流器風扇的振動沖擊也不均衡。由于共振等因素,冷卻風機風扇會受到列車不均勻振動沖擊。

對電機而言,作為負載的風扇在受力不均勻變化,隨著使用時間的增長,電機轉軸輸出端會出現微小彎曲,導致電機軸承振動。電機軸承振動會使軸承外圈與鋁合金端蓋軸承室發生相對轉動,由于鋁合金端蓋材質硬度較低,軸承室先磨損,軸承室磨損后,軸承外圈與軸承室配合間隙變大,加劇了電機振動,如此惡劣循環,導致軸承室磨出凹槽,電機出現噪聲,嚴重還會導致電機掃膛。

1.3 軸承室配合尺寸分析

電機原始設計不合理,端蓋軸承室與軸承外圈為間隙配合,且端面沒有壓緊力,軸承外圈容易松動,也會導致端蓋軸承室磨損。

2 解決方案

2.1 更換軸承型號

通過更換耐低溫軸承,將冷卻風機軸承更換為耐低溫NSK 6206DDU CM NS7或SKF6206 2Z/C3 LHT23(使用溫度為-50 ℃～+140 ℃),保證自密封軸承在東北等低溫環境下潤滑脂粘度不會變大,軸承轉動靈活。

2.2 更改端蓋軸承室材質

通過更改軸承室材料,提高耐磨性,設計了一種結構穩定、強度大、耐磨性好,以鋁合金為主體,在需承受摩擦的軸承室內鑄造時就鑄入鋼套的端蓋。

(1)鑲嵌的鋼套采用了既防內部轉動又防軸向松動的結構。

非傳動端結構如圖4所示。在鋼套的外圓,6個Φ10 mm孔均布,鑄造時鋁水填滿這6個孔。同時要求鋼套與鋁接觸的外表面粗糙度為Ra12.5 mm,目的是增加與鋁的結合力,防止鋼套內部轉動和軸向松動。

圖4 非傳動端端蓋鋼套

傳動端結構如圖5所示。在鋼套的外圓,設計有一個凸出的圓環,圓環留8個寬度各為10的齒,鑄造時鋁水填滿齒間的區域,鋼套粗糙度為Ra12.5 mm,目的也是增加與鋁的結合力,防止鋼套內部轉動和軸向松動。

圖5 傳動端端蓋鋼套

(2)對鑄造端蓋多個部位進行了加強,防止端蓋變形,新的鑲鋼套的端蓋,既提高了本體強度,也提高了需承受磨損的軸承室的強度。

非傳動端端蓋改造前后如圖6所示。改造后端蓋軸承室外圓增加了6條加強筋,端蓋中間與軸承接觸部位改成鑲鋼套,外部為有15°斜角的圓臺體,根部圓角由R3 mm增大為R8 mm。

圖6 非傳動端蓋改造前后對比圖

傳動端端蓋改造前后如圖7所示。將中間部位的環筋加厚加寬,且改為八處筋;端蓋中間與軸承接觸部位改成鑲鋼套,根部圓角由R3 mm增大為R8 mm。

圖7 傳動端蓋改造前后對比圖

2.3 軸承室配合尺寸優化

軸承室與軸承由間隙配合改為小過盈配合[2]。軸承外徑公差為(-0.011 mm,0),對于與其配合的兩端端蓋軸承室公差為(-0.019 mm,-0.006 mm)。

3 實施效果

對2臺進口風機電機進行帶負載風機、高低2個轉速、XYZ3個獨立方向、每方向各6 h的振動實驗,2臺電機的端蓋全部采用鑲鋼套結構,其中編號SC201219-83電機采用原軸承室配合尺寸(與軸承外圈為間隙)、編號SC201219-71電機采用改進的軸承室配合尺寸(與軸承外圈為過盈)。為了了解實驗時2種配合條件下軸承外圈在軸承室內是否有轉動的現象,電機組裝時在軸承外圈頂面與端蓋軸承室頂面用記號筆劃出一條連接線。振動實驗前后,對電機傳動端端蓋、非傳動端端蓋、定子兩端止口進行了20°恒溫條件下三坐標檢測,實驗情況及三座表測量結果記錄。

SC201219-83電機振動前直徑尺寸和橢圓度合格,振動后合格,變化量極小,或可認為是2次測量帶來的誤差。發現在軸承與軸承室上做的標記有約2 mm的圓周向轉動,如圖8所示,軸承室無被摩擦的痕跡。三座表測量結果如表1所示。

表1 SC201219-83電機三坐標測量結果

圖8 電機轉動情況(編號SC201219-83)

編號SC201219-71電機振動前直徑尺寸和橢圓度合格,振動后還合格,變化量極小,或可認為是2次測量帶來的誤差。未發現在軸承與軸承室上做的標記有移動,如圖9所示,軸承室無被摩擦的痕跡,三坐標測量結果如表2所示。

表2 SC201219-71電機三坐標測量結果

圖9 電機轉動情況(編號SC201219-71)

從表2 電機三坐標測量結果可以看出,使用鑲鋼套的端蓋,傳動端端蓋軸承室按過盈配合加工(因稍優于間隙),可以有效防止電機轉動。

2臺電機振動實驗結果表明,端蓋鑲鋼套工藝、軸承室內徑與軸承外圈小過盈配合,解決了鋁制端蓋軸承室易磨損、軸承外圈圓周轉動問題,延長了電機的使用壽命,風機噪聲消除。

4 結 語

通過更換耐低溫軸承和鑄鋁合金端蓋鑲鋼套工藝方法,解決了CRH5動車組輔助變流器冷卻風機噪聲問題,對其他軌道牽引電機的修理有借鑒作用,特別是對使用鑄鋁合金端蓋的電機,延長了使用壽命,積累了修理經驗。