地铁轴承电流理论分析与仿真测试

张雄飞

（中交机电工程局有限公司）

0 引言

某地铁4号线在轴承检修过程中，发现轴承出现疑似轴承电腐蚀的条纹状黑斑现象。为确认轴承腐蚀与牵引回流的关系，本试验拟通过对典型的担当运行的地铁车辆进行车上牵引回流分布测试，分析牵引分流的分布，确认流经轴承的电流水平，为进一步分析轴承腐蚀机理及提出轴承腐蚀解决方案提供基础数据。

1 轴承电流测试方案

轴箱-轴端的电压可间接反映其轴承电流，拟测量轴箱螺栓-轴端的电压差，测试范围为一节车辆的各个轴箱对轴端的电位。整车回流系统如图1所示，受流靴测量点如图2所示，电流测量点如图3、图4所示。

图1 整车回流系统

图2 受流靴测量点示意图

图3 中间拖车、动车回流测点位置示意图

图4 头车、尾车回流测量点位置示意图

如图5所示，以TC1为首端，TC2为尾端，定义以下方位：11为机车左前方转向架；12为机车左后方转向架；21为机车右前方转向架；22为机车右后方转向架。

图5 机车转向架方位示意图

以M1-牵引电流-21为例，其代表的意义为M1车右前方转向架的牵引电流。

2 轨道回路对轴承电流车体电流分布的影响理论分析

构架-轴箱、轴箱外圈-轴端的绝缘破坏是导致轴承电流发生的原因之一。但是车和轨道在电气上也是耦合的，轨道的异常也会对车有影响。具体来说，当轨道的纵向电阻变大，甚至在某些节点，轨道出现断点（比如在进车库时），纵向电阻显著增大，则使列车的回流受阻，在过渡电阻分流一部分电流往地流通后，轨道中的部分电流依旧会强迫进入车体，这些电流可以通过车体-转向架-轴箱-轴承-钢轨重新回到钢轨中，这样就会增大轴承电流。尤其是当某个轴承的绝缘被破坏时，大量的电流会从轴承流过，加剧腐蚀，虽然持续时间可能很短，但是大电流的作用下依然不可忽视。

2.1 正常钢轨牵引回流路径

图6是牵引回流的正常回流路径，通过车上的接地排，向转向架的轴端引线，通过碳刷接地从钢轨回流到变电所，此过程在车体绝缘良好，轴承无损坏，钢轨纵向电阻无异常情况下，电流理论上能不通过轴承而通过碳刷完全回流到变电所，但是考虑实际工况的复杂性，回流路径会有不同。

图6 牵引回流路径分布图

2.2 异常钢轨牵引回流路径

如图7所示，图7a表示牵引回流可能在接地线和钢轨之间形成一个循环，电流从车轮或碳刷处流过，增加进入车体的电流，会相应的增大轴承电流；图7b表示由于轨道的纵向电阻可能异常或者轴端碳刷处对地电阻不均衡，导致进入各个轴端的电流大小不一；图7c表示牵引回流可能在车上的用电设备和轨道之间形成循环，增加进入车体的电流；图7d表示当钢轨断开或者某一段纵向电阻异常偏大，会导致一部分牵引回流通过车轮-轴承-轴箱-转向架-车体-钢轨路径回流，这势必会增大进入车体的电流，相应地增大轴承电流，同时也会让一部分电流进入地中电流，增大了地中电流。

图7 受轨道影响下牵引回流路径分布图

如图8所示，考虑钢轨纵向电阻异常增大或完全断开时（还有钢轨对地的过渡电阻变化时，会影响总回流I总回流在节点A的分流），原本在轨道中回流的一部分电流I强迫向上流入车体。而进入车体的电流I，必须回到钢轨中回到变电所。其路径有路径1和路径2，可以发现路径1正是轴承电流流通的路径，可见轨道纵向电阻增大时轴承电流增大是必然的。增加抑制电阻的方案如图中虚线框所示，拆除构架到轴端的软连线，在车体和轴端之间增加一个抑制电阻R，可见，如果不考虑轨道电阻增大的问题，那么，增加抑制电阻R能很好地抑制牵引回流I牵引回流在轴端处向车体分流的电流。

图8 轨道纵向电阻异常时回流路径

但是，一旦轨道电阻增大或者多车时（区间上其他车辆的回流会注入到车体中来），从轨道注入车体的电流I，会因为增大R，阻碍了电流I从路径2回流到钢轨，使更多的从路径1走，因此会增加轴承电流，所以增加车体到轴端的抑制电阻不是一个两全之策，因此需要对增加电阻R进行优化。根据实测数据分析可知，增加抑制电阻R在单列车和多车情况下都对抑制轴承电流有效果，可见牵引回流才是引起轴承电流的主导因素。在增加抑制电阻R后，多车和轨道回流不畅情况下，会引起轴承电流一定程度的增大，但由于对单列车运行工况的轴承电流具有显著减少作用，因此，从整体上看，增加电阻能够使整体的轴承电流减少。

3 仿真分析

3.1 单列车运行时增加抑制电阻对轴承电流的抑制效果仿真

（1）工况1：单列车运行+轨道纵向电阻正常+部分轴承绝缘破坏

按照各轴承油膜电阻，大部分油膜电阻都是处于数欧姆的水平，少有几个轴的油膜电阻为几百毫欧的水平，所以在仿真时用R油膜=1mΩ作为绝缘良好的轴承油膜电阻，用R油膜=200mΩ作为绝缘被破坏的轴承油膜电阻，其中M11和M31油膜电阻为200mΩ，得出各轴承电流如表1所示。

表1 各轴承对应的轴承电流

由表1可知，由于M11和M31的油膜电阻明显小于其他轴的油膜电阻，M11和M31轴承电流明显大于其他轴，采用在车体和轴端增加抑制电阻的方案，分别增加30mΩ、50mΩ、100mΩ，得出轴承电流如表2所示。

表2 增加电阻后的各轴承对应的轴承电流

由表2可见，当轴承内外圈的绝缘被破坏比较轻时，增加抑制电阻对轴承电流的减少无明显变化，抑制效果大约为10%，而对于轴承绝缘破坏比较严重的轴承（M11、M31），电流分别由14.37A、13.66A减小为7.437A、7.135A（抑制电阻增大为100mΩ时），抑制效果分别为48.2%、47.7%。可见在列车轴承绝缘正常的情况下，增加抑制电阻有效果但是不是很明显，这是合理的，因为油膜电阻很大的情况下，外部增加的电阻对其影响较小。而对于绝缘破坏比较严重的，轴承电流明显上升，增加抑制电阻后，能够大幅度地抑制轴承电流，证明单列车情况下在车体和轴端增加电阻对抑制轴承电流是有效果的，与实际测试结果相符。

（2）工况2：单列车运行+轨道纵向电阻增加20mΩ+部分轴承绝缘破坏

如图9所示，M11和M31轴承绝缘破坏，油膜电阻为200mΩ，M1和M3之间的钢轨纵向电阻增加较大为20mΩ。此时得出各轴承的电流如表3第一行所示。

图9 M1和M3之间轨道纵向电阻偏大

表3 轨道纵向电阻增20mΩ下，增加抑制电阻后的轴承电流

可见，在钢轨纵向电阻增大为20mΩ时，由于是在M1和M3之间，在M31之前的回流应该有2400A，按照电阻的分流，向上进入车体的电流有600A左右，则相对于仿真中，单个牵引回流300A，相对较大，牵引回流在该工况下已不是主导因素，所以增加抑制电阻R会导致轴承电阻增加。

（3）工况3：单列车运行+轨道纵向电阻增加2mΩ+部分轴承绝缘破坏

表4是假设M11和M31轴承绝缘破坏，油膜电阻为200mΩ，其他轴承都处于一样的绝缘水平，可见，M11和M31中的电流明显大于其他轴承。

表4 各轴承对应的轴承电流

单列车行驶在回流不畅的轨道上，假设轨道回流不畅的断点位于M1和M3之间，回流方向是从M3到M1，如图10所示。

图10 M1和M3之间轨道纵向电阻偏大

如图10所示，在M1和M3车体之间的轨道纵向电阻异常稍微增大（2mΩ），则原本沿着轨道回流的电流中的一部分电流就会沿着图中所示的路径在车体中流动，因此TC1和M1中的轴承电流应该会增大，而M3中的电流有上有下，则可能增大，可能减少。纵向电阻增大后得出此时的轴承电流如表5第一行所示，可见M1和TC1中的电流增大，符合预期结果。而M31中，因为电流被迫向上流动，有可能直接通过轴承，抵消一部分原本向下的电流，所以其电流从14.13A降低为13.03A。在车体和轴端增加50mΩ的电阻，轴承电流得到了抑制。可见，由于轨道纵向电阻不大，使由钢轨注入车体的电流比较小，这是牵引回流占主导，所以轨道电阻虽然异常，但是在整体上轴承电流能够被抑制。

表5 轨道纵向电阻增加2mΩ和安装抑制电阻后的轴承电流

3.2 多车运行时增加抑制电阻对轴承电流的抑制效果仿真

列车正常运营中，都是按一定间隔时间发车，所以一般前后相隔一定的距离均有其他列车运行，如图11所示，对于图中虚线框所示的子区间，列车甲向1#牵引所和2#牵引所分别取流多少电流，必然会通过钢轨向1#牵引所和2#牵引所各自回流相应的电流，列车乙同理。图11中，列车甲距离1#号牵引所近，则大部分回流向1#号牵引所回流，列车乙距离2#号牵引所近，则回流主要向2#号牵引所回流，则甲、乙两列车的回流都会经过对方所在的钢轨回路，则都有可能注入对方的车体，相应的增加轴承电流，但这部分电流相对较小。如果在考虑钢轨上下行并联问题，则这部分电流回流相应再减少。但如果考虑到列车轴承绝缘破坏情况下，这部分电流会大部分注入车体，也可能使轴承电流增大。

图11 多车情况下的系统结构图

（1）工况1：多车+轨道纵向电阻正常+部分轴承绝缘破坏

在多车时，把列车甲作为测试的对象，考虑实际一般情况，即钢轨纵向电阻正常，且列车乙取流2400A，M11和M31轴承绝缘有一定破坏，油膜电阻为200mΩ，如图12所示。如表6所示，第二行轴承电流为一列车跑的时候的轴承电流，第二行为后方增加一辆车后的轴承电流，可见，绝缘破坏的轴承电流增大幅度相对于绝缘良好的轴承较大。而在车体和轴端增加了50mΩ的电阻后，轴承电流减少，可见在车体和轴端增加电阻对于多车情况下也是可以抑制轴承电流的，仿真结果与实验结果相符合。

表6 多车和增加抑制电阻后的轴承电流

图12 多车和轨道回流通畅

（2）工况2：多车+轨道纵向电阻增加20mΩ+部分轴承绝缘破坏

考虑一种比较极端的情况，即钢轨纵向电阻较大，假设为20mΩ，且列车乙处于加速，取流为4000A，其中轨道纵向电阻增大点位于M1和M3之间，M11和M31轴承油膜绝缘得到一定破坏，油膜电阻为200mΩ。如图13所示。由表7可知，相比于表1，由于轨道回流不畅，和轴承绝缘破坏，导致TC1和M1中的轴承电流显著增加。在车体和轴端增加50mΩ的电阻后，由于轨道纵向电阻和多车注入列车甲的电流相对很大，所以牵引回流不再是主导因素，因此增加抑制电阻不能减少轴承电流。

图13 多车和轨道纵向电阻偏大

表7 多车加轨道纵向电阻增大和加抑制电阻后的轴承电流

可见，在考虑多车时，在极端情况下，抑制电阻的方案依然会失效，但是正常情况下，由轨道上其他列车注入测试车的电流相对较小，所以增加抑制电阻的可以从整体上抑制轴承电流。但是，根据分析，这一部分相对较小的电流会在增加抑制电阻时，增大轴承电流，所以对多车时的抑制效果要劣于单列车，这在实际测试中的结果也可以验证，如图14（多车测试结果）和图15（单列车测试结果）所示，多车下对轴承电流的抑制效果小于单列车。

图14 回库（单列车工况）各测试日轴承电流排序图

图15 外出（多车工况）各测试日轴承电流排序图

4 结束语

经过理论分析、仿真分析，并结合实测数据，可以得到如下主要结论：构架-轴箱外圈和轴端的轴箱盖-轴端的绝缘破坏是导致轴承电流的主要路径，应加强这两处位置的绝缘检测；在以上两处绝缘破坏的情况下，轴承油膜电阻是影响轴承电流的关键因素。轨道中的纵向电阻对轴承电流的影响密切，钢轨纵向电阻增加会导致轴承电流显著增加；钢轨断口处的焊接、连接的电缆电阻参数、库内与正线联络线之间的绝缘关节等因素会影响纵向电阻。钢轨纵向电阻较大时，无论是否加装车体-轴端的电阻，都会增加轴承电流。增加车体-轴端的电阻对单列车运行和多车运行时的轴承电流抑制均有效果，尤其是在单列车运行时，抑制效果明显；钢轨纵向电阻增加较大时，增加车体-轴端的电阻对轴承电流抑制没有效果。