相阿峰，郭秀違
（永濟新時速電機電器有限責（zé）任公（gōng）司，山西永濟 044502）
摘 要：結合CRH3、CRH380BL型高（gāo）速動車組在線（xiàn）運行軸承故障現象（xiàng），對軸承電蝕發生（shēng）機理、影響因素進行了較全麵的闡述，從改進保護性接地、提（tí）高軸承絕緣阻抗角度提出了解決軸（zhóu）承電（diàn）蝕問題的方案。
關鍵詞：高速動車組；CRH3；CRH380BL；牽引電機；軸承（chéng）電流；電蝕；接（jiē）地保護
CRH3、CRH380BL型高速動車（chē）組作為速度300-350km/h的主力車型，已廣泛分布在京津、武廣、京滬、滬寧等客運專線上，所配屬的牽引電機已（yǐ）超過5000台。截（jié）止（zhǐ）到2014年2月的運用統計數據，牽引電機在運用過程中發生軸承故障多達20餘起，軸承沒有達到預期的（de）壽命（mìng）提前失效。主要表現為軸（zhóu）承溫度過熱（rè）、甩（shuǎi）油、軸（zhóu）承卡滯。對於牽引電機軸承故障，鐵總多次組織專家（jiā）進行了研討，共同認定（dìng）軸承功能失效是由軸（zhóu）承電蝕引起的。但對問題產生的根源，意見分歧很（hěn）大，責任界限也往往難以界定。為尋求防止故（gù）障（zhàng）發（fā）生的根本（běn）途（tú）徑，在相關試驗基礎（chǔ）上，就軸承電蝕發（fā）生機理（lǐ）、影（yǐng）響因素進行簡單的分析，找到（dào）了預防軸承電蝕的（de）解決方案。
1 牽引電機軸（zhóu）承故障（zhàng）的（de）現象及特征
CRH3、CRH380BL型高速動車組牽引電機在線運行軸承故障具體表征為電機軸承溫度在較短時間內（nèi）快速上升，達到過熱限製、報警。故障種類主要為軸承過熱、軸承甩油、軸承卡滯。通過對二十多起軸承故障的牽（qiān）引電機運（yùn）行（háng）裏程、配屬車位等信息匯總，發現在動車（chē）組兩端車輛轉向（xiàng）架上的牽引電機故障機率高，占故障的70.83%。
經過對多台故障電機解體（tǐ）發現，電機故障具（jù）有相同的特點：軸承潤滑脂存在變黑、碳化現象；電機繞組端部（bù）存在潤滑（huá）脂汙跡；軸承絕（jué）緣塗層擊穿、部分有明顯灼燒痕跡；軸承滾動體（tǐ）表麵和滾道上（shàng）遍布微小的凹坑，呈現出嚴重的電腐蝕。故障現象見圖1。
綜合上述信息，高速動車組牽引電機軸承故障都直接（jiē）或（huò）者間接的與過電流、潤（rùn）滑有關，是絕緣軸承發生（shēng）電蝕而引起的功能失效。
2 牽引電機軸承故（gù）障機理分析
軸（zhóu）承電蝕是旋轉中的軸承內部電流通過引起（qǐ）的。
當電流（liú）流過軸承時（shí），電流會擊穿滾動接（jiē）觸部分極薄的油膜，產生火花，使接觸表（biǎo）麵產生局部熔（róng）化損壞，形成電（diàn）弧放電麻（má）點，造成軸承（chéng）溝道和鋼球電蝕，使摩擦係（xì）數增大，加劇機（jī）械磨損，致使（shǐ）軸承（chéng）異常發熱，嚴重時會發（fā）展成剝落，Z終使（shǐ）軸承功（gōng）能過早（zǎo）失效。電（diàn）蝕對軸（zhóu）承（chéng）的破壞（huài）程度取決於放（fàng）電能量和持續（xù）時間，但破壞（huài）效果基本相似，包括：滾動體和滾道上的（de）電蝕凹坑（kēng）、搓板（bǎn）紋等。電流通過還會導致軸承（chéng）內的潤滑脂結構發生變化，局（jú）部高溫會導致添加劑（jì）和基油發生反應，使基油燃燒或炭化，潤滑脂迅速衰變變黑、變硬。同時高溫使潤滑脂變稀，在旋轉部件作用（yòng）下從迷宮（gōng）間隙甩出，潤滑脂（zhī）的迅速（sù）失效也是過電流導（dǎo）致（zhì）軸承失效的一個典型模式。
牽引電機軸承中有電流流過是因為在絕緣軸承的外圈與內圈（quān）之間（jiān）存在超過一定數值的高電壓，該高電壓將軸承絕緣塗層耐壓薄弱處擊穿，軸承（chéng）電氣絕緣失效，形成了電流通路（lù）。
2.1電機軸電壓
CRH3、CRH380BL型高速動車組采用交—直—交傳動的電力牽引，牽引電機由電壓型變頻器（qì）供電運行，經齒輪箱傳動將電（diàn）能轉換為牽引列車的（de）機械能，通過輪對和鋼軌產生牽引力，並通過輪對驅動動車組運行。
在軌道牽引電傳動係統中，牽引電機由電壓型變頻器供電運（yùn）行時（shí）不可避免（miǎn）會出（chū）現（xiàn）軸電壓。電機軸電壓主要由兩部分組成：一是由於磁路不（bú）對稱，磁通脈動產生的電（diàn）磁感應電壓；二是脈寬調製（PWM）逆變器供電下（xià），電源電壓不平衡並（bìng）含有比較高次的諧波分量，使電（diàn）源中點電壓產生零點漂移，存在零序分量，從（cóng）而通過電機各部分間存在著大（dà）小不等的分布（bù）電容所構成的零序回路
產生高頻共模電壓。其（qí）值不僅取決於定子繞組和轉子之間、轉子和機（jī）座之間的電容以及軸承本身的電容值（zhí），還與脈衝（chōng）頻率、脈衝上升時間以及（jí）電動機的定額有關。
在設計和運行（háng）條件正常的牽引電機中（zhōng）會存在一定數值的軸電壓，為了確定車載逆變器（qì）供電條件（jiàn）下電機（jī）軸電壓數值，筆者專門進（jìn）行了相關試驗測試。試（shì）驗結果：
軸電壓Z大（dà）值為（wéi）84V，變化周期與IGBT的開關頻（pín）率（lǜ）一致，以共模電壓為主。見圖2。
2.2外部電壓
從故障統計情況來看，端車車（chē）輛（CRH3的EC01/EC08、CRH380BL的EC01/EC16）轉向架上牽引（yǐn）電機軸承故障率占了全部電機軸承故障的70.83%。同時，在部分故障電機的配件迷宮槽上也出現了嚴重電蝕（shí）麻點和燒熔，故障現象見圖（tú）3，這（zhè）顯（xiǎn）然不是上述（shù）數值較低的軸電壓所為。為探（tàn）尋（xún）高電壓的來源，不（bú）應僅局限於牽引電傳動（dòng）係統，還需要（yào）結合線路工況，從高速動車組（zǔ）車輛接地（dì）係統關聯層麵進行綜合（hé）的分析。
CRH3、CRH380BL型（xíng）高速動車組保（bǎo）護（hù）接地方式采用集中接地的方式，全列車輛間（jiān）通過電勢線纜（lǎn）連（lián）接，僅在中間車相鄰轉向架上設軸端保護接地裝置，相當（dāng）於單點接地（dì）。其（qí）優點是全列車通過低阻抗導體相連，且通過中間車的軸（zhóu）端保護接地裝置（zhì）與鋼軌（大（dà）地）相（xiàng）通，沒有環（huán）路電流，電磁兼容性較好且軸端保護裝置設（shè）置（zhì）較少，成本低（dī），但此接地（dì）方案對鋼軌的接地（dì）效果要求（qiú）極高。圖（tú）4、圖5為CRH3、CRH380BL型動車組（zǔ）接地方式（shì）示（shì）意圖。
由於動車組（zǔ）的車體是強、弱電係統的公共（gòng）參考地，而該參考地又通過（guò）接地碳（tàn）刷（shuā）、輪對、鋼軌與大地相接，當動車組高速運行時，該（gāi）公共參考地處於快速移動狀態。當列車或線（xiàn）路（lù）接（jiē）地（dì）狀況不理想，比如在（zài）列車運行接地點處於（yú）軌道連接不良的區域時，由於軌道回流不暢，運行接地電流容易串入車體內。牽（qiān）引回流的不同影響車體電勢（shì）的分布，由於端車車輛（liàng）（CRH3的EC01/EC08、CRH380BL的EC01/EC16）是全列距離保護性接地點Z遠（yuǎn）的位置，受車輛自身或軌道阻抗對車體電勢差的影響，端（duān）車車（chē）體對轉向架軸端的電勢差為（wéi）全列Z高。
圖6、圖7是CRH380BL型動車（chē）組在京滬線路運行保護接地試驗結果，在2個往返的試驗中，EC01車體對轉向架軸端大於100V的測試值分別為206次和324次，捕（bǔ）捉到的Z大電（diàn）勢差為500V。從列車網側電流與車（chē）體電流測試結果來（lái）看，運（yùn）行（háng）接地電流很大，高達幾（jǐ）百安培。
牽引電機在運行過程中，此外部電（diàn）壓會（huì）和電（diàn）機軸（zhóu）電壓一起施加在絕緣軸承（chéng）的內、外圈上，特別是端車轉向架上的牽引電機，軸承內、外圈承受的電壓相對更高。電（diàn）機運用過（guò）程中，軸承絕緣塗層在高頻強電（diàn）場作（zuò）用下，電導和極化累積加劇，絕緣（yuán）塗層薄弱處易（yì）被擊穿，形成（chéng）電流回流通道，引發軸承電燭。極端條件（jiàn）下成（chéng）為運行接地電流（liú）環流泄漏通路（lù），短時間內就會使軸（zhóu）承外圈與軸承室間熔融（róng），且大電流作用使軸承的滾珠熔融破損，軸承（chéng）保持架斷裂。
3 防止軸承電（diàn）蝕對策（cè）
牽引電機絕緣軸承不（bú）產生電蝕所容許（xǔ）的電壓或允許通（tōng）過電流的大小與供電條件、軸承狀況（kuàng）、安裝質量、電機運行工（gōng）況（kuàng）、現場運行環（huán）境和軸電流流經（jīng）路線的阻（zǔ）抗等諸多（duō）因素有關。迄今，國內或IEC標準還沒有對（duì）軸電壓或軸電流限值的明確規定。一般來說，完全消除掉軸（zhóu）承內、外圈的電（diàn）勢差是非常困難（nán）的。然而，如（rú）果能夠阻止或（huò）大大降低通過軸承的電流，就（jiù）可（kě）以防止軸承發生電腐（fǔ）蝕。為了Z大限度地保持原有設（shè）計理念，可以從提高軸承的絕緣可靠性能，優化（huà）列車保護性接地方式、以（yǐ）降低端車過電壓等方麵采取對策。
3.1提高絕緣軸承耐（nài）壓性能
對於交流變頻牽引電機來說，采用絕緣（yuán）軸承原本是為（wéi）防止（zhǐ）逆變器供電所帶來的軸承電蝕作用，在外圈（quān）表麵噴塗氧化陶瓷塗層（céng）來（lái）阻斷（duàn）不高於1000v電壓，對（duì）高速鐵路（lù）軌道情況（kuàng）複雜運行環境下接地不（bú）良帶來的衝擊電壓影響因素考慮不足。軸承選擇（zé）絕緣的決定（dìng）因素是電流電壓的時間特性。如果是直流電壓或低頻交流電壓，絕緣效果取決於軸（zhóu）承絕（jué）緣層的純電阻值（zhí）；如果是高頻交（jiāo）流電壓（常見於（yú）使用變頻器的（de）設備中），取決於軸承絕緣層的容抗值。目前絕緣軸承還屬於特殊應用軸承（chéng）範疇，由於各家采用的絕緣方（fāng）式不同（tóng），其絕緣參數指標（biāo）差異很大，也沒有（yǒu）形成標準。對（duì）於樹脂或陶瓷塗層絕緣軸承，可用式（1）對絕緣性能（néng）進行評（píng）估和計算：
其中
，R為直流電阻值，Ω；C為電容量，F；f為頻率，Hz；A為塗層接觸麵；s為塗層的厚（hòu）度（dù）；ε為絕緣塗層相對介電常數；ε0為（wéi）真空中的介電常數。
提高軸承運行可靠性，從軸承自身來（lái）說，增加絕緣塗層的耐壓強（qiáng）度，即提（tí）高軸承絕緣阻抗值，不失為一種經濟可靠的辦法。
（1）增加絕緣塗層厚度
增加絕緣塗層的厚度或減小（xiǎo）塗層麵積、使塗層的電容量盡可能小，可顯著提高絕緣軸承阻抗值。在（zài）尺寸接口不（bú）變的前提下，可以將牽引電機用絕緣軸承的氧化鋁陶瓷絕緣塗層厚度由目（mù）前的0.1～0.2mm增加到0.3～0.5mm，其絕緣阻抗增加（jiā）幅度見圖8所示。
將軸（zhóu）承外圈（quān）帶陶瓷氧化物塗層（céng）結構改為內圈帶絕緣塗層（céng），即使不（bú）增加塗層厚度（dù），同樣可以（yǐ）提高絕（jué）緣軸承（chéng）阻抗值，對阻止高頻軸電流也（yě）具有較（jiào）好的效果。
（2）采用混合陶瓷軸承（chéng）
混（hún）合（hé）陶瓷軸承由軸承鋼質的軸承圈和軸承級氮化（huà）矽材料的滾動體組成，其電容值約40pF，比陶瓷塗層軸（zhóu）承低了近100倍。具有非常高的阻抗，並且有效克服了陶瓷塗層絕緣電阻（zǔ）與溫（wēn）度、濕（shī）度的依存（cún）性缺陷（注（zhù）：絕緣阻抗隨溫度升高、環（huán）境濕度增大而下降），良好的電（diàn）絕緣性能對防止高頻電流電蝕損害特別有效。但因其價格高，成為製約其在軌道行業應用的因素之一。
3.2增加軸端碳刷接地裝置
在電機非傳（chuán）動軸端與端蓋之間安裝碳刷，結構見圖9。通過碳（tàn）刷把端蓋與（yǔ）轉軸連接起來，產生短路。消除（chú）軸上感應電勢，使（shǐ）軸承內、外圈沒有電位（wèi）差。但是接地電刷（shuā）由於磨（mó）損會在電刷表麵形成氧化層從而增大（dà）了電刷和轉軸之間的接觸（chù）電阻，阻礙軸電壓的釋放（fàng），因此需（xū）要（yào）定期進行維護或替（tì）換。CRH3、CRH380BL型受電機（jī）在轉向架安裝空間限製，碳刷的更換和維護相對較困難。
3.3優（yōu）化改進保護接地方式
在列車或線路接地（dì）狀況不理想情況下，CRH3、CRH380BL型動車組現有集中保護（hù）接地容易產生（shēng）車體對轉向架軸端的高電壓，惡化牽引電機軸承的運行環（huán）境（jìng）。為（wéi）了（le）避免惡劣（liè）運行環境下超強電壓對（duì）絕緣軸（zhóu）承的衝擊，借鑒CRH1型、CRH2型、CRH5型動車組的保護接地方式（shì），秉承Z大限度保持原型設（shè）計理念，同時減小車輛自身或軌道阻抗對車體電勢差（chà）的影響（xiǎng），對現（xiàn）有（yǒu）保護接地方式進行優化改進。在（zài）CRH3、CRH380BL型動車（chē）組頭車增加保護性接地點，即使軌道上存在接（jiē）地不良點，頭車因為有保（bǎo）護性接地點的存在而不會（huì）導致高電勢的產生。改進後的接地方案在京滬線路上進行了實（shí）際測試，EC01車體對轉向架軸（zhóu）端測到的Z大電勢差為（wéi）125V，優化後的接地方式在減小端車車體電勢差方麵起（qǐ）到了很好的（de）作用，同時分流作用明顯，可有效避（bì）免由於接（jiē）地不良而導致的破壞性高電勢差的存在（zài）。
4 結（jié）論
（1）CRH3、CRH380BL型動車組牽引電機在軸電壓和（或）外部電壓的作用下，致使絕緣軸承在薄弱處擊穿後，形（xíng）成流過軸承的電流（liú），在滾動接（jiē）觸表麵形成電弧放電，產生電弧放電麻點，造成軸承溝（gōu）道（dào）和鋼球（qiú）電蝕，嚴重時會發展成剝落，Z終導致軸承功能過早失效。
（2）CRH3、CRH380BL型動車組采用車體中（zhōng）部集中設置（zhì）保護接地的方式，在（zài）軌道情況複雜的正線鐵路上運行時（shí），如果列車或（huò）線（xiàn）路接地狀況不理想，端部車輛容易形成車（chē）體對轉向架軸端的高電壓衝（chōng）擊，對牽引電機軸承工作影響較大。
（3）從軸承自（zì）身來說，采用增大絕緣軸承外圈陶（táo）瓷絕（jué）緣塗層厚度或采用陶瓷滾動體絕緣軸承，均可提高軸承（chéng）絕緣阻抗（kàng）值（zhí），對阻（zǔ）止高頻軸電流（liú）、防止軸承電蝕均有明顯的作用。
（4）改進後的高速動車組保護性接地方（fāng）案在減少（shǎo）轉向架與車體電勢差、分流等方麵（miàn）起到了很好的效果，可有效改善絕緣軸承的運用環境。
來源：《鐵道機車車輛》2015年4月
