動車組牽引電機軸承超溫故障原因分析及優化措施研究

吳國棟，沙 淼，單 巍，任廣強

(1.中國國家鐵路集團有限公司，北京 100844；2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130000)

隨著我國高速鐵路運營里程的不斷增加,動車組安全運營問題越來越受到關注。牽引電機軸承作為動車組關鍵部件之一,其可靠性對于行車安全至關重要,其一般采用溫度監測進行安全防護[1-2]。2016年至今,某平臺動車組共發生二十余起牽引電機軸承超溫報警故障,影響了列車的正常運行。研究軸承超溫故障原因、提升軸承失效防護的需求變得日益迫切。

軸承損傷的失效機理分為接觸疲勞失效、腐蝕失效、磨損失效、斷裂失效、塑形變形失效和游隙變化失效等六種形式[3]。文獻[4-5]通過調研近年來動車組軸承故障的情況,發現牽引電機軸承失效主要表現為軸承內外圈滾道、滾子疲勞剝落及油脂狀態異常,屬于腐蝕失效和接觸疲勞失效。在腐蝕疲勞方面,文獻[6]分析了銹蝕造成軸承損傷的原因,主要由于軸承密閉故障導致水分、腐蝕性物質混入潤滑劑,造成表面發生氧化或腐蝕。文獻[7]研究電腐蝕造成軸承滾道出現搓衣板凹槽、滾動體發暗的典型故障特征,分析了過高軸承電壓導致絕緣擊穿形成電流腐蝕的全過程。文獻[8]分析軸承電壓的產生機理,指出軸承電壓由共模電壓與外部過電壓兩部分產生,分壓大小與電機寄生電容、軸承絕緣層電容等參數相關。文獻[9-10]針對軸承電腐蝕,基于應用經驗提出提高絕緣耐壓和改進接地的防范對策,但未能解釋不同接地方式下的軸電壓變化機理。目前,整車軸承電壓的分布規律仍缺乏系統性的研究。在接觸疲勞失效方面,文獻[11]研究滾動體在最大承載條件時的接觸應力分布,建立有限元接觸模型,分析了不同速度下軸承潤滑性能的穩定性,明確了滾動體與內外圈接觸載荷的分布情況。文獻[12-13]研究不同潤滑脂類型、填充量及劣化程度對軸承磨損及溫度狀態的影響,分析劣化潤滑脂造成接觸疲勞失效的原因,但未能從整車角度對牽引電機軸承潤滑脂劣化的原因展開進一步分析。

本文基于動車組牽引電機軸承超溫報警故障實際情況,開展故障產生原因分析。針對出現的潤滑脂過溫劣化和軸承電蝕現象,從整車角度對各軸電機功率分配差異造成的潤滑脂過溫影響展開研究;圍繞整車軸電壓分布,系統性分析不同接地方式對軸承電壓的影響,并明確了軸承絕緣應具備的耐壓能力;提出TCU控制邏輯優化、整車接地方式優化及絕緣涂層厚度優化等解決方案,為列車安全運行提供優化措施。

1 軸承超溫故障現象概述

根據某平臺故障記錄信息,該平臺動車組24起牽引電機軸承超溫故障均集中在頭尾車3、4軸,及長編組8、9車的3、4軸,且發生在沒有保護接地軸位的轉向架上。跟蹤一年時間的某車電機傳動端軸承溫度,全年3、4軸軸承平均溫度為80 ℃,1、2軸的軸承平均溫度為70 ℃左右。頭車每個軸與1軸間的軸承溫差見圖1,全年4軸牽引電機傳動端軸承溫度相對最高,與1軸電機軸承溫差日平均值最大為24 ℃,日最大溫差為10～15 ℃。

圖1 2021—2022年傳動端軸承溫度日最大溫度差

對故障軸承進行拆解,發現軸承潤滑脂存在變黑、碳化及凝塊等劣化現象,見圖2(a);軸承滾道上蝕刻出搓衣板樣的圖案,簡稱“搓衣板”現象,見圖2(b);軸承滾動體表面和滾道上遍布微小的剝落凹坑,呈現出嚴重的電腐蝕,見圖2(c)、圖2(d)。

圖2 故障軸承拆解現象

軸承拆解發現的故障現象中,潤滑脂變黑凝塊屬于潤滑脂過溫劣化的典型特征[14-16],滾道面搓衣板、剝落屬于軸承電腐蝕后的故障特征[17-19]。因此,可判定軸承在運行過程中發生了潤滑脂過溫劣化和軸承電腐蝕。

2 軸承超溫故障原因分析

2.1 潤滑脂過溫劣化分析

1)功率分配不平衡導致軸承過溫

根據圖2所示故障現象,4軸軸承運行溫度最高,最易導致潤滑脂過溫劣化,因此首先從整車角度分析4軸軸承溫度高的原因。

該平臺動車組采用車控異步電機驅動,頭尾車為動車,當出現輪軌黏著系數降低時,最前邊的幾個輪容易發生牽引空轉情況,導致不同軸間電機力矩不平衡[20-21]。異步電機的轉矩T特性為

(1)

(2)

(3)

式中:U1為電機電壓;s為轉差率;fs為定子頻率;fr為轉子頻率;n為轉子轉速;m為電機相數;p為電機極對數;r2為轉子電阻。

車控方式下,4個電機共用1個逆變器驅動,為并聯關系,各電機電壓、頻率均相等,因此轉矩僅受到轉差率的影響。如果1、2、3軸輪對因黏著力降低出現空轉,則對應電機的轉速增加,轉差率降低,輸出轉矩減小;同時未打滑輪對上作用的負載增加,4軸電機轉速降低,轉差率增大,最終導致輸出轉矩和功率增大,電機溫升相對較高。選取其中一列動車組下載TCU數據,確實存在4軸轉矩和功率遠高于1、2、3軸電機的情況,詳見表1。

表1 電機功率與差值

2)軸承過溫加速潤滑脂老化

潤滑脂的平均壽命t與軸承工作溫度、轉速、徑向負荷及額定動負荷相關[22-23],即

(4)

式中:t為潤滑脂平均壽命,h;T為軸承工作溫度,℃;n為轉速,r/min;Nmax為軸承極限轉速,r/min;P為當量動載荷,kg;C為額定動載荷,kg。

根據式(4),溫度每升高10 ℃,潤滑脂氧化反應的速率大約增加1倍,氧化產生的酸性物質會使潤滑脂發生變質,影響潤滑脂的性能[24-25]。氧化過程潤滑脂的主要成分為基礎油,滲油、蒸發和氧化會引起潤滑脂中基礎油的損失,當潤滑脂中含油量損失超過50%時,潤滑脂將失去作用,不能對軸承起到潤滑保護作用[26-27]。

對故障軸承潤滑脂的老化狀態進行微觀檢測,見圖3。故障樣本內脂稠化劑的螺旋結構無法辨認,稠化劑中長纖維斷裂嚴重,已轉變為細小纖維,體系中僅有少量長結構纖維,使潤滑脂硬化、膠體穩定性變差,導致運行過程中軸承潤滑不良,無法形成全膜潤滑,造成軸承各組件之間異常磨損,最終發展為碾皮和剝落。

圖3 潤滑脂微觀檢測

2.2 軸承電蝕分析

軸承電蝕是軸承絕緣損傷后,內部流通電流引起的電腐蝕現象[28-29]。軸電壓過大和絕緣抗擊穿能力低是導致軸承電蝕的主要原因。根據故障現象,軸承超溫故障均集中在頭尾車3、4軸,以及長編組8、9車的3、4軸,且發生在沒有保護接地軸位的轉向架上。因此,需從整車接地對軸電壓影響,以及軸承自身絕緣的角度分析3、4軸易發生軸承電蝕的原因。

1)頭尾車1/2軸接地導致3/4軸電壓過高

發生軸承超溫故障的動車組頭尾車接地方式為1、2軸接地,其不同工況下的軸電壓見表2。由表2可知,該接地方式在過分相工況時的3、4軸電壓明顯過高,最大達到980 V,容易引起軸承電蝕,導致軸承機械磨損后異常發熱。

表2 運行工況牽引電機軸電壓 V

對1、2軸接地時,3、4軸過分相工況下軸電壓過大的可能原因進行分析。當列車過分相分合閘時,受電弓同時在不同位置多次與接觸網和中性線發生瞬時接觸和分離,產生振蕩過電壓,并通過高壓電纜屏蔽、高壓設備接地線耦合到車體,見圖4。由于牽引電機軸承外圈與電機機座、轉向架構架相連,電機軸承內圈通過電機轉軸、聯軸節、齒輪箱與軸端輪對相連,因此對于3、4軸無保護接地軸端布置的電機,會通過車體經另一個轉向架上的保護接地與鋼軌相連,受到車體中耦合過電壓的影響。

圖4 車輛接地示意

過分相暫態過電壓的頻率較高,其在列車傳播時需要考慮線路的波過程[30]。當電磁波傳輸到線路某一節點(路徑發生變化,如末端)時,將發生電磁場能量的重新分配,即在節點上將發生電磁波的折射和反射[31-32],其等效電路見圖5,反射系數β為

圖5 高頻電磁波傳播等效電路

(5)

式中:Zk為輪對與地間阻抗;Zd為節點前傳播阻抗,與分合閘過電壓產生的牽引電機軸電壓與接地位置和回路參數相關。在動車組原1、2軸接地方式下,3、4軸末端線路處于開路狀態,Zk→∞,反射系數β=1。根據波反射理論,暫態過電壓將在末端開路線路發生全反射,最大電壓可能上升到入射電壓波的兩倍,因此出現3、4軸軸電壓明顯過大的現象,應優化整車接地方式進行抑制。

2)涂層厚度不足導致絕緣擊穿

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該平臺牽引電機采用三種不同絕緣厚度的軸承:SKF(0.1mm絕緣涂層)、FAG(0.2mm絕緣涂層)、NTN(0.5mm絕緣涂層)。對三種軸承進行抽樣檢查(總計4 234套),發現SKF軸承有50套出現搓衣板,占比12.89%,16套出現剝落,占比4.16%;FAG軸承有98套出現剝落,占比9.25%,2套出現搓衣板,占比0.19%;而絕緣厚度最高的NTN軸承均未發現異常。從軸承擊穿電壓、工高頻泄露電流、綜合絕緣性能等維度對SKF、FAG、NTN進行比較,發現厚涂層的軸承性能更好,即絕緣涂層可減少軸電流對軸承的損傷,絕緣涂層越厚,絕緣能力越強。牽引電機軸承絕緣電阻對比見圖6。由圖6可見,在高溫下SKF、NTN絕緣阻值仍保持在GΩ級別,FAG下降到10 MΩ左右。因此,增加絕緣涂層厚度可對軸承電蝕進行有效抑制。

圖6 牽引電機軸承絕緣電阻對比

綜合上述分析,軸承超溫故障的主要原因是運行過程中發生了潤滑脂過溫劣化和軸承電蝕,由軸間功率分配不平衡、軸電壓過大和軸承絕緣抗擊穿能力低導致。因此,優化措施需從TCU控制邏輯優化、整車接地方式優化和絕緣涂層厚度優化3個方面展開。

3 軸承超溫故障優化措施

3.1 TCU控制邏輯優化

該平臺動車組電機為車控方式,即1臺牽引變流器同時驅動4臺電機。由于4臺電機的定子電壓和頻率完全相同,因此轉矩由各軸電機的轉差率決定。原電機控制邏輯未對車輪打滑時各軸電機發揮轉矩的差異進行針對性抑制,在黏著條件差的條件下,1、2軸輪對打滑將導致3、4軸電機功率發揮明顯升高。

為避免部分軸過載升溫導致軸承潤滑脂劣化,對TCU控制邏輯進行優化,當出現部分電機軸溫過高時,對電機進行功率限制處理:當頭車某軸電機驅動端溫度超過105 ℃時,牽引指令線性下降,溫度到115 ℃時,指令值降為0。在溫度降至低于限值后,再重新施加電機轉矩指令,恢復動車牽引。

3.2 整車接地方式優化

1)接地方式對軸電壓影響驗證

為了驗證不同接地方式對軸電壓的影響,開展軸電壓測試,測試方法見圖7。原頭尾車接地方式為1、2軸接地,實車測試共測試了1、2軸接地、2、3軸接地、1、4軸接地三種接地方式下,正常運行及過分相工況下的牽引電機軸電壓,結果見表3、表4。

表3 正常運行工況下牽引電機軸電壓 V

表4 過分相工況下牽引電機軸電壓 V

圖7 軸電壓測試示意

結果表明:接地位置調整會明顯改變各軸牽引電機軸電壓的分布情況。在正常運行工況下,1、4軸接地和2、3軸接地方案均能夠降低3、4軸軸電壓;但在過分相工況下,采用2、3軸接地方案時1軸軸電壓過大,而1、4軸接地方案可對1軸峰值電壓有較好的抑制作用,且能夠顯著降低3、4軸電壓。根據電磁波的折反射理論,1軸接地時末端波阻抗較小,反射系數小;1軸未接地,末端波阻抗較大,反射系數大,反射電壓和入射電壓疊加導致1軸軸電壓高,實測與理論值相符。1、4軸接地的改善效果要明顯好于2、3軸接地與原有1、2軸接地方案。

2)接地方式優化措施

根據測試結果,優化頭尾車及長編組8、9車的保護接地裝置,即將頭車2軸的保護接地轉挪至4軸。保護接地優化后進行了實車測試,頭尾車3、4軸及長編組8、9車3、4軸軸電壓均得到有效抑制,與其他中間動車軸電壓與接地回流基本相當,見圖8～圖10。

圖8 9車2軸保護接地裝置電流(原有保護接地軸位)

圖9 9車3軸保護接地裝置電流(新增保護接地軸位)

3.3 絕緣涂層厚度優化

高頻下軸承的抗交流電能力可以用軸承電容值進行評估,即

(6)

式中:ε0為真空介電常數,ε0=8.854×10-12F/m;ε為絕緣涂層的相對介電常數,三氧化二鋁為6.5～8.5;A為軸承涂層面積;d為軸承涂層厚度。

計算不同厚度涂層的軸承電容值見表5。由表5可見,0.5mm厚度的絕緣涂層厚度最大,電容值最小,抗高頻交流電能力最強。

表5 絕緣軸承的電容值

針對不同涂層厚度的絕緣軸承,進行工頻和高頻擊穿電壓試驗,結果見表6。由表6可見,在相同電壓、頻率條件下,軸承泄露電流隨絕緣涂層厚度的增加而明顯減小。

表6 軸承泄露電流試驗結果對比

當絕緣涂層的絕緣電阻值足夠大時,過分相合閘時的軸電流非常小。將絕緣軸承等效為電阻和電容并聯結構,其等效電路見圖11。

圖11 絕緣軸承等效電路

(7)

以運用環境線運行無故障的其他軸電機軸承為對象,計算其泄漏電流密度最大值,推算得到頭尾車絕緣所需最小涂層厚度應優化至0.35mm。

4 結論

本文針對某平臺動車組牽引電機頻繁出現軸承超溫故障問題,展開故障原因分析。經過原因排查、理論分析、實車試驗測試等手段,得到以下結論:

1)故障軸承拆解后存在潤滑脂變黑凝塊、滾道面搓衣板剝落等特征現象,運行過程中發生了潤滑脂過溫劣化和軸承電腐蝕。

2)潤滑脂過溫劣化由軸間功率分配不平衡導致,當車輛前幾軸出現空轉、打滑時,使位置靠后的電機輸出轉矩和功率增大,溫升增高,加速潤滑脂老化,造成軸承超溫故障。在黏著條件差的條件下,通過優化控制邏輯實時調整扭矩指令,可防止軸間不平衡導致的過載溫升升高。

3)軸承電蝕由軸電壓過大導致,取決于動車組接地方式和軸承絕緣涂層厚度。接地位置調整會導致車體分布參數發生變化,從而改變耦合到轉軸、機殼的軸電壓;軸承絕緣涂層越厚,抗高壓擊穿、抑制軸承電蝕的能力越強。因此,優化保護裝置接地方式和開發厚絕緣涂層軸承可對軸承電蝕進行有效抑制。