针对地铁车辆电机轴承电腐蚀的分析及改进建议

2021-01-15

科海故事博览 2020年8期

（南宁轨道交通集团有限责任公司运营分公司，广西南宁 530001）

国内某公司地铁列车交付运行两年后发现牵引电机存在异响故障，特别是列车行驶里程达到 10 万～20 万公里时异响明显突出。拆解电机后发现非驱动端球轴承有规律的搓衣板纹路，滚珠表面粗糙发暗，轴承润滑油脂变黑，并且有烧焦气味。因此认定异响原因为牵引电机轴承电腐蚀。

1 电腐蚀产生机理

电机轴承电腐蚀产生机理有很多，但造成电腐蚀的电流形式主要分为轴承电流 A 和轴承电流 B 两种。（如图1所示）

轴承电流A：变频驱动系统产生的共模电压通过电机中的分布参数（如电机定子、转子、转轴间的寄生电容等）耦合到轴承油膜上，当电压足够高时，会击穿油膜产生放电，瞬时放电电流造成 EDM（电火花加工）效应，最终引发轴承电腐蚀。

轴承电流B：变频电机的高频磁通不对称，在转轴-轴承-电机外壳回路，产生高频回路电流，频率从 kHz 到MHz，轴承电流B对风力发电机等大型电机影响较大，对地铁牵引电机影响很小。

由于国内地铁用牵引电机的功率均在 300kW 以下，由轴承电流类型对轴承电腐蚀的影响曲线图（图2）可看出地铁用电机轴承电腐蚀主要是由轴承电流 A 形成。共模电压经过系统分布参数在轴承内外圈之间感应出电压，即轴承电压。

在正常情况下，电动机的轴承电压较低，轴承内的润滑油膜能起到绝缘作用，不会产生轴电流。但当轴电压较高，或电机起动瞬间油膜还未稳定形成时，轴承电压将放电击穿油膜形成回路产生轴电流。当该放电电流的密度足够大时，会融化轴承内外圈表面的金属，形成凹槽，严重时将导致电机抱死、联轴节损坏，对运营生产造成恶劣影响。

2 轴承电压过高原因

经调研，发现轴承出现电腐蚀的地铁列车采用的整车保护接地拓扑均如图 3 所示，这种接地拓扑的特点是采用单电阻（位于车厢中部）保护接地方式，该接地方式导致车体至钢轨的接地路径过长，最终导致轴承电压过高。

3 轴承电腐蚀抑制措施及建议方案

电腐蚀故障主要是由于轴承中电流通过，因此消除电蚀故障的方法是在电机结构上加装接地设施或采用陶瓷滚珠杜绝电流通过，但陶瓷滚珠轴承在轨道交通领域应用较少，对系统改动较大，无法准确评估其系统稳定性，其运行可靠性不能得到保证，因此不推荐采用此种方法。

3.1 整车保护双电阻接地

此方案接地电阻在车厢端部的转向架上方，更靠近碳刷，使得车体-接地电阻-碳刷的线缆较短，从而降低了轴承电压。

3.2 整车保护无电阻接地

该方案未设置接地电阻，使车体-转向架构架-电机外壳-接地碳刷之间直接短接，转向架构架直接通过短接编织线接接地碳刷，形成车体至构架，构架至接地碳刷短接保护路径。该方案的优点是：相对单电阻接地方案，此方案使得车体到碳刷的路径最短，因此降低了轴承电压。但这种保护接地电路可能存在车体环流，即钢轨上的工作回流可能会流经车体。

3.3 安装导电环

安装导电环本质上是将轴承内外圈短路，该方案可消除轴承两端电压，其优缺点如下：

优点：可以将轴承电压旁路，避免轴承电压的形成；

缺点：将改变整车接地。由于导电环将电机外壳与转轴直接短接，而转轴通过齿轮箱与钢轨连接，齿轮箱内部齿与齿之间在低速时是直接短路的（因为啮合表面没有形成油膜），因此在低速时导电环将会直接把车体→转向架→电机外壳→钢轨的路径完全短接，这样会将车体保护接地的 30mΩ电阻短路，可能会经由齿轮啮合面（线接触）形成车体环流。上述情况可能会导致3个方面的风险：

①形成车体环流，长时间会影响车体结构强度，也可能会造成信号干扰；②齿轮啮合表面可能会有大电流流过，因此可能会损伤齿轮的啮合面；③加了导电环之后，相当于更改了整车接地，且整车接地情况还是动态的，有低速和高速下的两种情况，因此可能会对整车电磁辐射造成影响。