高压直流下的受电弓拉杆轴承电蚀分析及对策

骆开荣 程 聪 叶 凯

(贵阳市城市轨道交通集团有限公司运营分公司，550081，贵阳∥第一作者，工程师)

自2019年4月起，贵阳地铁1号线(以下简为“1号线”)陆续有近30个受电弓拉杆轴承出现烧损现象。如图1所示，烧损的轴承出现大面积熔点及金属堆积，轴承内部及拉杆孔损坏严重。轴承烧损使受电弓升降卡滞，严重威胁了正线行车安全。研究烧损轴承发现，当1 500 V高压直流电经过轴承与拉杆套、轴的接触表面及轴承内外圈的滚动表面时，轴承就会出现严重的电蚀损伤。

图1 电蚀损伤的轴承及端盖

对于轴承电蚀，文献[1]提出使用陶瓷滚子的轴承来减少电蚀，但未进行具体验证。文献[2]采用导电润滑脂增加轴承内部导电通道的方法来减少或消除电蚀。文献[3]使用耐高压润滑脂来防止大电流击穿油膜产生闪络造成电蚀。本文基于1号线受电弓运行情况，分析拉杆轴承电蚀原因，进而提出解决拉杆轴承电蚀损伤的方法，并完成试验验证。

1 受电弓结构及使用情况

1.1 受电弓结构

1号线采用的单臂式受电弓，主要由底架、下臂杆、上臂杆、弓头及控制系统等模块组成(见图2)，其受流电压为直流1 500 V。在图2中，电蚀轴承位于拉杆两端。拉杆以上臂杆与下臂杆铰链为支点，起固定弓头轨迹的作用，主要承受与上臂杆及弓头重量等效的拉力(约200 N)[4]。

图2 受电弓结构

1.2 列车运行环境

1号线全长34.8 km。其中：地上段长7.6 km，采用柔性接触网；地下段长27.2 km，采用刚性接触网。贵阳市年平均总降水量为1 129.5 mm，一年阴雨天在200天以上[5]。

1.3 露天段弓网关系试验

本文选取1号线下麦西站至窦官站区间的1.1 km长露天段作为试验段，对列车弓网监测试验数据进行研究。试验相关数据见表1、表2及表3。

表1 1号线弓网动态接触压力试验结果

表2 1号线试验段燃弧试验数据统计

表3 受电弓的硬点

由试验结果可知：平均弓网动态接触压力约为120 N；以不同速度行驶的列车在试验区段出现数次燃弧和多处硬点，虽满足运营标准规范，但可以看出运行过程中网压波动是真实存在的[6]。文献[7]研究结果表明，受电弓碳滑板与接触网从接触到脱离过程最大会产生20 N的突变力。

2 轴承电蚀原因分析

2.1 网压波动产生点蚀现象

由表1、表2及表3可见，列车在试验段出现数次燃弧和硬点[8]。在接触网网压波动影响、上臂杆及弓头重量等效力[4]、平均120 N的动态接触压力，以及碳滑板脱离接触网过程中产生20 N突变力[6]等的综合作用下，特大电流(指直流1 500 V，下同)经过轴承滚珠与轴承内外圈接触表面之间的极薄油膜时，会使接触表面产生电闪络、弧光及高热熔化，进而发展为电蚀损伤[9-11]。在电蚀初期检查，会发现端盖内侧面烧痕、轴承润滑脂变质、轴承滚珠及滑道接触面轻微烧痕等轻微电蚀损伤现象，如继续使用，则轻微电蚀损伤会逐步发展为轴承内部烧损及金属堆积等严重电蚀损伤。

2.2 导电润滑脂对点蚀损伤的影响

由于传统常用轴承润滑脂的主要成分为脂肪酸锂皂、精炼矿物基础油及石油添加剂，其质量分数分别为8%～18%、80%～95%、6%～10%，具有无导电特性及耐高压特性，故特大电流只能沿滚珠与内外圈点接触形成的单一导电通道通过。由于导电通道过少，而且在滚珠与内外圈的相对运动过程中点接触不稳定，故接触面会发生电闪络、产生高温，进而形成熔镏、疤结或弧坑，最后发展为电蚀损伤。文献[2]的试验结果证明，加入导电润滑脂后轴承的导电通道增多，可预防滚动轴承电蚀(见图3，图中箭头表示电流流向)。文献[3]研究发现，耐电压值的润滑脂也可减少或消除轴承中的电蚀损伤。

图3 单一导电通道轴承与多导电通道轴承

2.3 导流不畅加剧电蚀损伤

导流线螺栓松动、螺栓紧固缝隙中积灰、导流线及连接处螺栓在长期行车过程中吸附大量灰尘等多种因素，会导致导流不畅或相对于拉杆轴承该导流线未形成低阻值导电通道，部分特大电流通过拉杆轴承造成电蚀。此时，如有列车再生制动产生的大电流逆向经过该轴承，则会进一步加剧电蚀损伤。

2.4 气候影响

贵阳长年多雨。在露天段，如有少量雨水进入拉杆轴承中，就会使润滑脂变质，产生少量硬质粒子，严重时会导致局部润滑失效。随着列车运行，特大电流作用使轴承内部温度急剧上升，润滑脂碳化严重，产生越来越多硬质粒子和不规则熔镏、疤结或弧坑，逐步造成轴承内部卡滞、固死，进而恶化为大面积电蚀损伤[5]。

3 改进措施

针对贵阳多雨天气，其为客观条件无法避免，只能通过增加拉杆轴承内部导电通道或防止特大电流经过轴承内部的方法才能避免轴承电蚀损伤。工业防水密封轴承虽具有防水、防尘、保油及密封的特点，却不能有效解决大电流通过轴承内部的问题，且其在检修作业中无法添加润滑脂，故受电弓拉杆轴承不宜采用密封轴承。此外，目前耐高压导电润滑脂在轨道交通行业应用不够广泛，相关的现场验证文献较少，而且导电润滑脂测试的周期长、拆装轴承作业较为繁琐等，故本文也不考虑采用耐高压导电润滑脂方法。

经综合考虑，本文提出的改进措施为：在轴套外表面增加绝缘层。在配合轴承使用中，绝缘层可避免特大电流由拉杆套流经轴承内部。增加绝缘层的新轴套长度相对轴承单侧多出4 mm余量，故端盖与拉杆套配合时与轴承有4 mm的安全空隙，可避免轴承与端盖接触形成导电通道(见图4)，新旧轴套对比见图5。

图4 增加绝缘层的轴套

图5 新旧轴套对比

1号线新轴套的更换于2019年6月—8月完成。更换后半年内进行了间断性普查，均未发现拉杆轴承出现电蚀现象。2020年4月随机拆卸一套使用新轴套的拉杆轴承，并在清洁后检查，未发现内部出现电蚀现象，且轴承内部表面状态良好，见图6。

图6 使用10个月后的轴承

4 结语

受电弓拉杆轴承的电蚀是网压波动产生特大电流、轴承导电通道过少、润滑脂材料特性、导流线相对阻值不低、暴雨渗水等因素综合作用的结果。本文提出在轴套增加绝缘层的改进措施，消除了轴承内部的导电通道。1号线10个月的使用情况证明，增加绝缘层后，可有效防止1 500 V高压直流电流经拉杆轴承内部，有效减少了受电弓拉杆轴承的电蚀损伤。