动车组辅助变流器冷却风机电机噪声问题分析与解决方案

党建峰,薛 勃,党亚男,刘晓荔

(中车永济电机有限公司, 永济 044500)

0 引 言

CRH5动车运行过程中,发现批量辅助变流器冷却风机在低温环境下有噪声,经分析噪声来自冷却风机电机,如图1、图2所示。为找到噪声原因,对冷却风机电机进行拆解。发现传动端端盖轴承室有明显磨损痕迹,如图3所示。

图1 CRH5A型动车组牵引辅助变流器冷却风机

图2 风机电机

图3 磨损端盖轴承室状态

该电机定子机座外壳、两端端盖沿用传统材质,均为铸铝合金(ZL101A),两端采用的轴承均为6206(NSK6206DDU CM NS7 或 SKF6206-2Z/C3-LHT23),轴承外径公差为(-0.011 mm,0),与其配合的两端端盖轴承室公差为(0,+0.019 mm)。本文从以下三个方面进行分析[1]:轴承耐低温性能、传统端盖材质特点、轴承室配合尺寸,从而找到传统设计缺陷,重新进行轴承选型、端盖材质选用,轴承室配合尺寸优化,来解决冷却风机电机噪声问题。

1 原因分析

1.1 轴承耐低温性能分析

风机电机原始设计时,对中国东北和西北地区冬天的低温考虑不足,通过对一台故障电机进行-40 ℃耐低温实验,发现轴承SKF 6206 2Z/C3 WT出现转动不灵活现象,经与轴承厂家沟通发现,自密封轴承在环境温度较低时自带的内部油脂粘度变高,导致轴承转动不灵活。当电机运行时,轴承外圈与内圈同时旋转,外圈旋转对电机端盖轴承室造成磨损,保持架断裂。

1.2 端盖材质特点分析

铝合金(ZL101A)端盖材质偏软,刚度低、耐磨性差。列车运行速度不均衡,起动和停止有升速和降速过程,遇到风雪天气会低速运行,列车对辅助变流器风扇的振动冲击也不均衡。由于共振等因素,冷却风机风扇会受到列车不均匀振动冲击。

对电机而言,作为负载的风扇在受力不均匀变化,随着使用时间的增长,电机转轴输出端会出现微小弯曲,导致电机轴承振动。电机轴承振动会使轴承外圈与铝合金端盖轴承室发生相对转动,由于铝合金端盖材质硬度较低,轴承室先磨损,轴承室磨损后,轴承外圈与轴承室配合间隙变大,加剧了电机振动,如此恶劣循环,导致轴承室磨出凹槽,电机出现噪声,严重还会导致电机扫膛。

1.3 轴承室配合尺寸分析

电机原始设计不合理,端盖轴承室与轴承外圈为间隙配合,且端面没有压紧力,轴承外圈容易松动,也会导致端盖轴承室磨损。

2 解决方案

2.1 更换轴承型号

通过更换耐低温轴承,将冷却风机轴承更换为耐低温NSK 6206DDU CM NS7或SKF6206 2Z/C3 LHT23(使用温度为-50 ℃～+140 ℃),保证自密封轴承在东北等低温环境下润滑脂粘度不会变大,轴承转动灵活。

2.2 更改端盖轴承室材质

通过更改轴承室材料,提高耐磨性,设计了一种结构稳定、强度大、耐磨性好,以铝合金为主体,在需承受摩擦的轴承室内铸造时就铸入钢套的端盖。

(1)镶嵌的钢套采用了既防内部转动又防轴向松动的结构。

非传动端结构如图4所示。在钢套的外圆,6个Φ10 mm孔均布,铸造时铝水填满这6个孔。同时要求钢套与铝接触的外表面粗糙度为Ra12.5 mm,目的是增加与铝的结合力,防止钢套内部转动和轴向松动。

图4 非传动端端盖钢套

传动端结构如图5所示。在钢套的外圆,设计有一个凸出的圆环,圆环留8个宽度各为10的齿,铸造时铝水填满齿间的区域,钢套粗糙度为Ra12.5 mm,目的也是增加与铝的结合力,防止钢套内部转动和轴向松动。

图5 传动端端盖钢套

(2)对铸造端盖多个部位进行了加强,防止端盖变形,新的镶钢套的端盖,既提高了本体强度,也提高了需承受磨损的轴承室的强度。

非传动端端盖改造前后如图6所示。改造后端盖轴承室外圆增加了6条加强筋,端盖中间与轴承接触部位改成镶钢套,外部为有15°斜角的圆台体,根部圆角由R3 mm增大为R8 mm。

图6 非传动端盖改造前后对比图

传动端端盖改造前后如图7所示。将中间部位的环筋加厚加宽,且改为八处筋;端盖中间与轴承接触部位改成镶钢套,根部圆角由R3 mm增大为R8 mm。

图7 传动端盖改造前后对比图

2.3 轴承室配合尺寸优化

轴承室与轴承由间隙配合改为小过盈配合[2]。轴承外径公差为(-0.011 mm,0),对于与其配合的两端端盖轴承室公差为(-0.019 mm,-0.006 mm)。

3 实施效果

对2台进口风机电机进行带负载风机、高低2个转速、XYZ3个独立方向、每方向各6 h的振动实验,2台电机的端盖全部采用镶钢套结构,其中编号SC201219-83电机采用原轴承室配合尺寸(与轴承外圈为间隙)、编号SC201219-71电机采用改进的轴承室配合尺寸(与轴承外圈为过盈)。为了了解实验时2种配合条件下轴承外圈在轴承室内是否有转动的现象,电机组装时在轴承外圈顶面与端盖轴承室顶面用记号笔划出一条连接线。振动实验前后,对电机传动端端盖、非传动端端盖、定子两端止口进行了20°恒温条件下三坐标检测,实验情况及三座表测量结果记录。

SC201219-83电机振动前直径尺寸和椭圆度合格,振动后合格,变化量极小,或可认为是2次测量带来的误差。发现在轴承与轴承室上做的标记有约2 mm的圆周向转动,如图8所示,轴承室无被摩擦的痕迹。三座表测量结果如表1所示。

表1 SC201219-83电机三坐标测量结果

图8 电机转动情况(编号SC201219-83)

编号SC201219-71电机振动前直径尺寸和椭圆度合格,振动后还合格,变化量极小,或可认为是2次测量带来的误差。未发现在轴承与轴承室上做的标记有移动,如图9所示,轴承室无被摩擦的痕迹,三坐标测量结果如表2所示。

表2 SC201219-71电机三坐标测量结果

图9 电机转动情况(编号SC201219-71)

从表2 电机三坐标测量结果可以看出,使用镶钢套的端盖,传动端端盖轴承室按过盈配合加工(因稍优于间隙),可以有效防止电机转动。

2台电机振动实验结果表明,端盖镶钢套工艺、轴承室内径与轴承外圈小过盈配合,解决了铝制端盖轴承室易磨损、轴承外圈圆周转动问题,延长了电机的使用寿命,风机噪声消除。

4 结 语

通过更换耐低温轴承和铸铝合金端盖镶钢套工艺方法,解决了CRH5动车组辅助变流器冷却风机噪声问题,对其他轨道牵引电机的修理有借鉴作用,特别是对使用铸铝合金端盖的电机,延长了使用寿命,积累了修理经验。