軌道牽引電機軸承試驗研究

來樹遠 葉樟鑫 李小明 汪芝林 馬國鋒 李澤濤

（浙江省機電產品質量檢測所有限公司 杭州 310000）

1 引言

軌道軸承根據裝機部位，可分為軸箱軸承、牽引電機軸承、齒輪箱軸承、抱軸箱軸承、發電機軸承、風機軸承等。軌道軸承作為關鍵的支承零部件，其設計結構及性能指標一般都有別于普通工業軸承，使用壽命和可靠性等指標涉及軌道車輛及乘客的安全。目前國內相關廠家和機構對軌道軸承國產化研制已投入了大量資源，多型新品軸承均需要通過臺架試驗掌握運轉特性并逐步優化。軌道軸承考核評價試驗方法體系的完善、試驗臺架性能及可靠性的提升，將對國產化進程起到積極的推動作用。臺架試驗是驗證軸承綜合性能的主要技術手段。國內相關試驗方法主要為TB/T3017.2-2016《機車車輛軸承臺架試驗方法 第2部分：牽引電機滾動軸承》等，主機廠還有指定的測試項目包括熱試驗、耐久試驗、升速試驗、溫升試驗、急加減速試驗、摩擦力矩試驗等。

2 試驗原理及臺架介紹

牽引電機軸承試驗需要根據實際車型參數對牽引電機軸系進行分析，模擬計算牽引電機中輸出齒輪力、轉子力、單邊磁拉力、轉子隨動沖擊力、車速、模擬運行里程等，并轉化為對應的基本試驗條件參數（包括徑向力、軸向力、試驗轉速、軸系跨距等）[1]。

牽引電機結構簡要分析如圖1所示[2]。非傳動端軸承和傳動端軸承作為支撐分別安裝在牽引電機轉子的兩端，牽引電機轉子力和單邊磁拉力合成的垂向力Fr轉子由這兩套軸承共同承受，牽引電機通過齒輪傳遞驅動力，將輸出齒輪和小齒輪產生的合力分解成垂向力和軸向力，齒輪產生的垂向力Fr齒以懸臂力的形式通過牽引電機軸作用在非傳動端軸承和傳動端軸承上，齒輪產生的軸向力和牽引電機轉子產生的軸向力形成合力Fa共同作用在非傳動端軸承或傳動端軸承上。

圖1 牽引電機支承受力圖

牽引電機軸承與試驗軸及軸承座的安裝條件、試驗潤滑條件和通風條件應與車輛的牽引電機設計保持一致。

典型的牽引電機軸承試驗臺架機型有 BLT-TM型牽引電機軸承試驗機和BLT-TM-S型高速牽引電機軸承試驗機等，可分別對應鐵路車輛上重載和高速兩種不同牽引電機的測試需求，兼容模擬聯軸節齒輪傳動和懸臂梁齒輪傳動兩種牽引電機傳動形式。兩型試驗臺架均由加載系統、驅動系統、測控系統、冷卻通風系統等組成，基本參數見表1，布局圖及外觀如圖2～圖5所示。

圖2 BLT-TM型牽引電機軸承試驗機布局圖

圖3 BLT-TM型牽引電機軸承試驗機外觀

圖4 BLT-TM-S型高速牽引電機軸承試驗機布局圖

圖5 BLT-TM-S型高速牽引電機軸承試驗機外觀

表1 牽引電機軸承試驗臺架基本參數

3 熱試驗和耐久試驗

一般情況下熱試驗和耐久試驗的載荷、轉速等試驗條件完全相同，僅運行的里程要求不同，詳見表2。試驗過程中對軸承施加的載荷、轉速根據試驗循環要求做周期性變化，模擬車輛實際運行中周期性的啟停、提速、減速、全速運行等狀態。

表2 根據車輛時速對牽引電機軸承進行分類試驗

熱試驗和耐久試驗可考察軸承在模擬的牽引電機系統結構中早期和中長期的摩擦磨損性能、耐熱耐蝕性能、抗疲勞性能，其中最重要的監控參數是軸承的工作溫度以及潤滑脂狀態[3]，典型的耐久試驗后軸承潤滑脂狀態外觀見圖6。

圖6 耐久試驗后軸承潤滑脂狀態外觀

試驗過程軸承溫度記錄間隔≤60s，根據試驗過程記錄的軸承有效溫度，評估軸承性能是否滿足使用要求，同時拆解軸承，檢查軸承及潤滑脂的外觀情況，并根據潤滑介質中金屬含量、分油性等理化性能評估其劣化程度。熱試驗和耐久試驗主要失效形式為潤滑失效，典型潤滑失效軸承照片見圖7。軸承潤滑效果受潤滑脂、軸承、軸承箱綜合影響。因此軸承試驗中應盡量接近牽引電機的軸承箱結構設計和潤滑條件，避免因潤滑不良導致軸承失效。

圖7 潤滑失效軸承滾道、滾動體外觀

試驗過程中軸承的有效溫度和轉速變化典型曲線見圖8。試驗過程中監控軸承溫度的傳感器測點在軸承外徑表面，在循環試驗中軸承的有效溫度最大值不一定發生在轉速最高的時候，該滯后現象和軸承外圈外徑陶瓷絕緣層相關，陶瓷材料導熱性能較差，因此在評估軸承運行時的危險溫度時，應考慮外徑表面和滾道內部可能存在的溫度差。

圖8 圓柱滾子軸承和深溝球軸承樣品負荷區溫度和觀測區溫度-轉速典型變化曲線

4 升速、溫升、急加減速試驗

升速、溫升、急加減速試驗屬于性能試驗，一般按照升速試驗、溫升試驗和急加減速試驗依次進行，目的是驗證軸承對于實際運行工況的適配性，對軸承的極限性能進行摸底或對不同軸承廠家樣品進行分選。

升速試驗模擬車輛實際加速的工況條件，研究軸承穩定運行時的溫升和振動；溫升試驗的試驗轉速階梯式上升，研究軸承在每個轉速階段的溫度穩定值，溫度穩定判斷的一般標準為軸承溫度過最高點后單位小時內的變化小于 2℃；急加減速試驗中循環多次模擬車輛從靜止狀態快速提速至某一轉速，研究軸承在急加減速時的溫升和振動[4]，轉速譜如圖9～圖14所示，試驗過程中記錄的軸承負荷區的有效溫度和轉速曲線。隨著試驗轉速逐級升高，軸承負荷區的有效溫度曲線分級明顯，且在每級轉速下溫度能夠保持穩定。

圖9 升速試驗轉速譜

圖10 升速試驗負荷區有效溫度-轉速典型曲線

圖11 溫升試驗轉速譜

圖12 溫升試驗負荷區有效溫度-轉速典型曲線

圖13 急加減速試驗轉速譜

圖14 急加減速試驗負荷區有效溫度-轉速典型曲線

5 摩擦力矩試驗

軸承的摩擦力矩試驗也屬于性能試驗，考核分為啟動力矩和轉動力矩。啟動力矩將影響牽引電機功率設計，轉動力矩波動過大則會導致牽引電機運轉不穩定，最終導致牽引電機溫升加劇和振動異常，影響軸承摩擦力矩的因素較多，其具有復雜性和一定的離散性。摩擦力矩試驗中應測試同批次多套軸承以得出該批次軸承的摩擦力矩范圍，僅在相同試驗條件下對不同品牌、工藝、批次樣品之間進行比對。建議合理簡化試驗條件以降低摩擦力矩測值的離散型。

按照傳遞測量法測試軸承的啟動力矩和轉動力矩[6]。典型的摩擦力矩試驗安裝原理見圖15，一次性安裝4套試驗軸承，測得4套試驗軸承的總摩擦力矩值T試驗組實測值。

圖15 摩擦力矩試驗安裝原理圖

試驗軸承的平均摩擦力矩T試驗組實測值按式（1）計算。

式中：T試驗組實測值為4套試驗軸承的總摩擦力矩值；T試驗軸承為1套試驗軸承的平均摩擦力矩值。

6 結語

軌道軸承試驗方法的逐步完善是試驗臺架改進的前提，考核評價環節具有合理的方法與豐富的臺架資源，才能進一步提高國產軌道軸承的技術迭代效率，國產化進程的推進仍需要各院所廠家群策群力。

牽引電機軸承按照現行標準及相關主機測試要求，可對其運行溫度、壽命、摩擦力矩等運轉特性進行考核評價；但對于目前主機上軸承滾道“電蝕”等實際問題，國內外暫無較理想的驗證方法及研究手段，后續研發的試驗臺架可考慮增加動態絕緣電阻測試和動態電蝕模擬的功能；此外在牽引電機軸承試驗臺架上研究如何集成溫度(℃)、振動(m/s2)、噪聲(dB)等監控參數的頻譜分析系統，為實現牽引電機的在線運轉狀態監控功能積累必要的技術數據，也是十分有必要的。