針對(duì)地鐵車輛電機(jī)軸承電腐蝕的分析及改進(jìn)建議

肖輝勝

摘 要 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分地鐵列車發(fā)生了牽引電機(jī)牽引異響故障，拆解后確定為牽引電機(jī)軸承電腐蝕。本文通過(guò)對(duì)軸承電腐蝕產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，提出軸承電腐蝕的抑制方案。

關(guān)鍵詞 電機(jī)軸承 電腐蝕 軸承電壓 保護(hù)接地

中圖分類號(hào)：U260 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2020）03-0027-03

國(guó)內(nèi)某公司地鐵列車交付運(yùn)行兩年后發(fā)現(xiàn)牽引電機(jī)存在異響故障，特別是列車行駛里程達(dá)到 10 萬(wàn)～20 萬(wàn)公里時(shí)異響明顯突出。拆解電機(jī)后發(fā)現(xiàn)非驅(qū)動(dòng)端球軸承有規(guī)律的搓衣板紋路，滾珠表面粗糙發(fā)暗，軸承潤(rùn)滑油脂變黑，并且有燒焦氣味。因此認(rèn)定異響原因?yàn)闋恳姍C(jī)軸承電腐蝕。

1 電腐蝕產(chǎn)生機(jī)理

電機(jī)軸承電腐蝕產(chǎn)生機(jī)理有很多，但造成電腐蝕的電流形式主要分為軸承電流 A 和軸承電流 B 兩種。（如圖1所示）

軸承電流A：變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的共模電壓通過(guò)電機(jī)中的分布參數(shù)（如電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸間的寄生電容等）耦合到軸承油膜上，當(dāng)電壓足夠高時(shí)，會(huì)擊穿油膜產(chǎn)生放電，瞬時(shí)放電電流造成 EDM（電火花加工）效應(yīng)，最終引發(fā)軸承電腐蝕。

軸承電流B：變頻電機(jī)的高頻磁通不對(duì)稱，在轉(zhuǎn)軸-軸承-電機(jī)外殼回路，產(chǎn)生高頻回路電流，頻率從 kHz 到 MHz，軸承電流B對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)等大型電機(jī)影響較大，對(duì)地鐵牽引電機(jī)影響很小。

由于國(guó)內(nèi)地鐵用牽引電機(jī)的功率均在 300kW 以下，由軸承電流類型對(duì)軸承電腐蝕的影響曲線圖（圖2）可看出地鐵用電機(jī)軸承電腐蝕主要是由軸承電流 A 形成。共模電壓經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分布參數(shù)在軸承內(nèi)外圈之間感應(yīng)出電壓，即軸承電壓。

在正常情況下，電動(dòng)機(jī)的軸承電壓較低，軸承內(nèi)的潤(rùn)滑油膜能起到絕緣作用，不會(huì)產(chǎn)生軸電流。但當(dāng)軸電壓較高，或電機(jī)起動(dòng)瞬間油膜還未穩(wěn)定形成時(shí)，軸承電壓將放電擊穿油膜形成回路產(chǎn)生軸電流。當(dāng)該放電電流的密度足夠大時(shí)，會(huì)融化軸承內(nèi)外圈表面的金屬，形成凹槽，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致電機(jī)抱死、聯(lián)軸節(jié)損壞，對(duì)運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)造成惡劣影響。

2 軸承電壓過(guò)高原因

經(jīng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)軸承出現(xiàn)電腐蝕的地鐵列車采用的整車保護(hù)接地拓?fù)渚鐖D 3 所示，這種接地拓?fù)涞奶攸c(diǎn)是采用單電阻（位于車廂中部）保護(hù)接地方式，該接地方式導(dǎo)致車體至鋼軌的接地路徑過(guò)長(zhǎng)，最終導(dǎo)致軸承電壓過(guò)高。

3 軸承電腐蝕抑制措施及建議方案

電腐蝕故障主要是由于軸承中電流通過(guò)，因此消除電蝕故障的方法是在電機(jī)結(jié)構(gòu)上加裝接地設(shè)施或采用陶瓷滾珠杜絕電流通過(guò)，但陶瓷滾珠軸承在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用較少，對(duì)系統(tǒng)改動(dòng)較大，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估其系統(tǒng)穩(wěn)定性，其運(yùn)行可靠性不能得到保證，因此不推薦采用此種方法。

3.1 整車保護(hù)雙電阻接地

此方案接地電阻在車廂端部的轉(zhuǎn)向架上方，更靠近碳刷，使得車體-接地電阻-碳刷的線纜較短，從而降低了軸承電壓。

3.2 整車保護(hù)無(wú)電阻接地

該方案未設(shè)置接地電阻，使車體-轉(zhuǎn)向架構(gòu)架-電機(jī)外殼-接地碳刷之間直接短接，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架直接通過(guò)短接編織線接接地碳刷，形成車體至構(gòu)架，構(gòu)架至接地碳刷短接保護(hù)路徑。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：相對(duì)單電阻接地方案，此方案使得車體到碳刷的路徑最短，因此降低了軸承電壓。但這種保護(hù)接地電路可能存在車體環(huán)流，即鋼軌上的工作回流可能會(huì)流經(jīng)車體。

3.3 安裝導(dǎo)電環(huán)

安裝導(dǎo)電環(huán)本質(zhì)上是將軸承內(nèi)外圈短路，該方案可消除軸承兩端電壓，其優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：可以將軸承電壓旁路，避免軸承電壓的形成;

缺點(diǎn)：將改變整車接地。由于導(dǎo)電環(huán)將電機(jī)外殼與轉(zhuǎn)軸直接短接，而轉(zhuǎn)軸通過(guò)齒輪箱與鋼軌連接，齒輪箱內(nèi)部齒與齒之間在低速時(shí)是直接短路的（因?yàn)閲Ш媳砻鏇](méi)有形成油膜），因此在低速時(shí)導(dǎo)電環(huán)將會(huì)直接把車體→轉(zhuǎn)向架→電機(jī)外殼→鋼軌的路徑完全短接，這樣會(huì)將車體保護(hù)接地的 30mΩ電阻短路，可能會(huì)經(jīng)由齒輪嚙合面（線接觸）形成車體環(huán)流。上述情況可能會(huì)導(dǎo)致3個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)：

①形成車體環(huán)流，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)影響車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也可能會(huì)造成信號(hào)干擾;②齒輪嚙合表面可能會(huì)有大電流流過(guò)，因此可能會(huì)損傷齒輪的嚙合面;③加了導(dǎo)電環(huán)之后，相當(dāng)于更改了整車接地，且整車接地情況還是動(dòng)態(tài)的，有低速和高速下的兩種情況，因此可能會(huì)對(duì)整車電磁輻射造成影響。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，雙電阻保護(hù)接地方案為抑制軸承電壓的最優(yōu)措施，該方案具有改動(dòng)小、成本低等特點(diǎn)。出現(xiàn)列車軸承電腐蝕的地鐵公司可參考該方案抑制軸承電壓，避免對(duì)車輛正常運(yùn)營(yíng)造成更大損失。

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