HXD1C机车牵引电机轴承温升报警的原因分析及改进措施

汤武平

(中国铁路广州局集团有限公司 株洲机务段， 湖南株洲 412004)

株洲机务段配属的HXD1C型机车主要担当京广线上株洲—江村区段的货物列车牵引任务。自2016年以来，C5修后的HXD1C机车牵引电机6A复合传感器安装孔(测点)位置优化后，机车上线运行中电机轴承温升报警故障增多，通过调整报警门限值后故障得到了控制。2017年12月份中旬以来，随着气温的下降，该故障呈上升趋势，而且只要是C5修后的HXD1C机车在承担行包快运及临客牵引任务时，大多都会出现牵引电机温升报警现象，由此导致机车故障或D21事故频发。随着2018年春运临近、担当临客牵引任务量的骤增，为确保春运运输生产组织正常，消除HXD1C机车牵引电机轴承温升报警故障刻不容缓。

1 故障原因分析

1．1 牵引电机6A复合传感器安装孔(测点)位置改变

2016年前，株洲机务段配属的HXD1C机车牵引电机6A复合传感器安装孔(测点)是在电机的端盖上，距离轴承较远。为加强走行部的安全监控，按中国铁路总公司要求，自2016年开始HXD1C机车C5修时，对牵引电机6A复合传感器安装孔(测点)位置进行优化，安装在离牵引电机轴承外圈仅相距10 mm的位置。优化后的测点对轴承温度的敏感性更高、更准确，几乎完全接近牵引电机两端轴承的实际温度，因此检测到的电机轴承温升值比以前升高，导致温升报警故障增多。

2016—2017年期间，针对HXD1C机车C5修后牵引电机6A复合传感器安装孔(测点)位置改变(如图1所示)、温升报警故障多的现象，株洲机务段联合厂方对多台故障电机跟踪检测分析。发现电机轴承测温孔位置改变后，新测点温度相对高24 K，电机的轴承温升超55 K，但轴承的最高温度有些还小于75 ℃，且6A在线振动检测及顶轮检测合格，轴承状态良好。为保障机车运用及牵引电机轴承运行的可靠性，经厂方反复跟踪验证，对6A轴温温升报警、超温报警的门限值进行了调整，由原来的55 K、90 ℃，分别修改为D端80 K、120 ℃，N端75 K、105 ℃，参数修改后温升报警现象得到一定控制，但冬季机车牵引运行速度高时，温升报警故障仍频繁出现。

图1 JD160A电机新/老6A测温孔

1．2 牵引风机控制方式影响牵引电机轴承的散热冷却

HXD1C机车6台牵引电机分别由6台牵引风机强迫通风冷却，在正常工况下，牵引风机由辅助变流器1供电，辅助变流器1的工作模式为变压变频(VVVF)，输出电压、频率的关系如图2所示。其供电频率根据通风的要求在10～60 Hz之间可调，通风的要求由主变流器水循环温度、主变压器油循环温度和牵引电机温度3个因素决定。

图2 辅助变流器1输出电压、频率的关系

夏季因气温高，牵引电机温度及冷却系统循环的水、油温度相对较高，辅助变流器1供电频率和输出电压较高，牵引风机满频运行下，转速高，对牵引电机轴承的冷却效果较好，温升报警现象不多。冬季气温低于5 ℃ 时，主变流器水循环温度、主变压器油循环温度和牵引电机温度相对较低，由此控制的辅助变流器提供给牵引风机的供电频率、电压一般在20 Hz、110 V左右，牵引风机转速低，对牵引电机轴承的冷却效果较差，因此相同牵引工况下电机轴承温升相比夏季要高。同时因环境温度低，当电机轴承温度达到75 ℃～80 ℃左右时，即会引发温升报警。

1．3 机车运行速度高的影响

株洲机务段配属HXD1C型机车在担当货物列车牵引任务时，因列车运行速度不超过80 km/h，轴承温升报警故障相对较少，一旦机车担当行包快运及临客牵引任务时，列车速度达100～120 km/h，随着电机转速升高，轴承发热量变大。同时自2017年12月中旬以来，湖南省内气温在0 ℃～3 ℃的情况较多，与2016年同期相比温度低，辅助变流器的供电电压和频率也低，牵引风机转速慢、供风不足，电机轴承通风散热效果差。由此可知，在环境温度低、机车运行速度高时，电机轴承发热量大、通风冷却效果差，导致电机轴承温升报警故障突出。

2 采取的措施

2018年1月针对HXD1C机车牵引电机轴承温升报警多、轴承温度未超过绝对温度(D端120 ℃及N端105 ℃)、牵引电机轴承状态良好的情况，株洲机务段联合厂家采取调节牵引风机控制方式的办法，提高对牵引电机轴承散热冷却，以降低牵引电机轴承温升，并在多台机车上进行试验验证。

对HXD1C机车网络控制系统VCM软件辅逆(VVVF)设定频率输出优化，增加机车运行速度作为辅助变流器输出频率设定的因素。因 HXD1C机车牵引电机温升报警出现在机车高速运行区间(70～120 km/h)，考虑极限工况，且留有一定安全余量，在机车速度从60～120 km/h时，辅助变流器1输出频率60 Hz、牵引风机满频率运行：在机车速度大于60 km/h时，频率从当前频率以6 Hz/s斜率上升到60 Hz ；在机车速度从60 km/h 降至50 km/h时，维持牵引风机频率60 Hz，机车速度低于50 km/h时，根据电机铁芯温度计算出所需要的频率，以6 Hz/s斜率从60 Hz下降至温度频率曲线值。

更新HXD1C机车网络控制系统VCM程序后，在机车速度达到60 km/h以上时牵引风机满频运行，相同线路和牵引工况下，牵引电机轴承温度比以前下降了10 ℃～20 ℃，电机轴承温升均控制在70 K以下。

3 可行性分析

为防止HXD1C辅变输出频率设定更改后，变流器冷却水温度发生变化，对IGBT寿命造成影响。我们选取了程序修改前后的机车运行数据进行对比分析，发现修改程序后，辅变输出频率长期处于60 Hz，这导致冷却水温度在未持续大功率牵引时，比未修改程序前低5 ℃左右；程序修改前最低进水口温度和最高进水口温差ΔT为9 ℃，修改后温差ΔT为14 ℃，根据进水口温度推断出散热器台面温度、IGBT壳温以及IGBT结温，可知对IGBT的结温和壳温的绝对值影响较小，温度波动相差5 ℃。根据IGBT结温和壳温的绝对值以及波动量，结合试验室IGBT功率循环和温度循环曲线，可以定性评估更改程序后，等效功率循环和温度循环寿命虽略有变化，但基本上不影响变流器模块的应用寿命。

4 结束语

2018年2月初，在经过多台车上线试验并对方案进行可行性分析论证后，对株洲机务段配属的C5修后的HXD1C机车全部更新了网络控制系统VCM程序， 近1个月以来使用效果良好，在春运期间担当临客牵引任务时，株洲机务段配属的170多台HXD1C机车消灭了轴承温升报警故障，确保了春运期间临客的运输安全。