相阿峰，郭秀违
（永济新时速电机电器有限责任公司，山西永济 044502）

　　摘　要：结合CRH₃、CRH380BL型高速动车组在线运行轴承故障现象，对轴承电蚀发生机理、影响因素进行了较全面的阐述，从改进保护性接地、提高轴承绝缘阻抗角度提出了解决轴承电蚀问题的方案。
　　关键词：高速动车组；CRH₃；CRH380BL；牵引电机；轴承电流；电蚀；接地保护

　　CRH₃、CRH380BL型高速动车组作为速度300-350km/h的主力车型，已广泛分布在京津、武广、京沪、沪宁等客运专线上，所配属的牵引电机已超过5000台。截止到2014年2月的运用统计数据，牵引电机在运用过程中发生轴承故障多达20余起，轴承没有达到预期的寿命提前失效。主要表现为轴承温度过热、甩油、轴承卡滞。对于牵引电机轴承故障，铁总多次组织专家进行了研讨，共同认定轴承功能失效是由轴承电蚀引起的。但对问题产生的根源，意见分歧很大，责任界限也往往难以界定。为寻求防止故障发生的根本途径，在相关试验基础上，就轴承电蚀发生机理、影响因素进行简单的分析，找到了预防轴承电蚀的解决方案。
　　1　牵引电机轴承故障的现象及特征

　　CRH₃、CRH380BL型高速动车组牵引电机在线运行轴承故障具体表征为电机轴承温度在较短时间内快速上升，达到过热限制、报警。故障种类主要为轴承过热、轴承甩油、轴承卡滞。通过对二十多起轴承故障的牵引电机运行里程、配属车位等信息汇总，发现在动车组两端车辆转向架上的牵引电机故障机率高，占故障的70.83%。
　　经过对多台故障电机解体发现，电机故障具有相同的特点：轴承润滑脂存在变黑、碳化现象；电机绕组端部存在润滑脂污迹；轴承绝缘涂层击穿、部分有明显灼烧痕迹；轴承滚动体表面和滚道上遍布微小的凹坑，呈现出严重的电腐蚀。故障现象见图1。

　　综合上述信息，高速动车组牵引电机轴承故障都直接或者间接的与过电流、润滑有关，是绝缘轴承发生电蚀而引起的功能失效。
　　2　牵引电机轴承故障机理分析
　　轴承电蚀是旋转中的轴承内部电流通过引起的。

　　当电流流过轴承时，电流会击穿滚动接触部分极薄的油膜，产生火花，使接触表面产生局部熔化损坏，形成电弧放电麻点，造成轴承沟道和钢球电蚀，使摩擦系数增大，加剧机械磨损，致使轴承异常发热，严重时会发展成剥落，Z终使轴承功能过早失效。电蚀对轴承的破坏程度取决于放电能量和持续时间，但破坏效果基本相似，包括：滚动体和滚道上的电蚀凹坑、搓板纹等。电流通过还会导致轴承内的润滑脂结构发生变化，局部高温会导致添加剂和基油发生反应，使基油燃烧或炭化，润滑脂迅速衰变变黑、变硬。同时高温使润滑脂变稀，在旋转部件作用下从迷宫间隙甩出，润滑脂的迅速失效也是过电流导致轴承失效的一个典型模式。
　　牵引电机轴承中有电流流过是因为在绝缘轴承的外圈与内圈之间存在超过一定数值的高电压，该高电压将轴承绝缘涂层耐压薄弱处击穿，轴承电气绝缘失效，形成了电流通路。
　　2.1电机轴电压
　　CRH₃、CRH380BL型高速动车组采用交—直—交传动的电力牵引，牵引电机由电压型变频器供电运行，经齿轮箱传动将电能转换为牵引列车的机械能，通过轮对和钢轨产生牵引力，并通过轮对驱动动车组运行。
　　在轨道牵引电传动系统中，牵引电机由电压型变频器供电运行时不可避免会出现轴电压。电机轴电压主要由两部分组成：一是由于磁路不对称，磁通脉动产生的电磁感应电压；二是脉宽调制（PWM）逆变器供电下，电源电压不平衡并含有比较高次的谐波分量，使电源中点电压产生零点漂移，存在零序分量，从而通过电机各部分间存在着大小不等的分布电容所构成的零序回路
产生高频共模电压。其值不仅取决于定子绕组和转子之间、转子和机座之间的电容以及轴承本身的电容值，还与脉冲频率、脉冲上升时间以及电动机的定额有关。
　　在设计和运行条件正常的牵引电机中会存在一定数值的轴电压，为了确定车载逆变器供电条件下电机轴电压数值，笔者专门进行了相关试验测试。试验结果：
　　轴电压Z大值为84V，变化周期与IGBT的开关频率一致，以共模电压为主。见图2。

　　2.2外部电压
　　从故障统计情况来看，端车车辆（CRH₃的EC01/EC08、CRH380BL的EC01/EC16）转向架上牵引电机轴承故障率占了全部电机轴承故障的70.83%。同时，在部分故障电机的配件迷宫槽上也出现了严重电蚀麻点和烧熔，故障现象见图3，这显然不是上述数值较低的轴电压所为。为探寻高电压的来源，不应仅局限于牵引电传动系统，还需要结合线路工况，从高速动车组车辆接地系统关联层面进行综合的分析。

　　CRH₃、CRH380BL型高速动车组保护接地方式采用集中接地的方式，全列车辆间通过电势线缆连接，仅在中间车相邻转向架上设轴端保护接地装置，相当于单点接地。其优点是全列车通过低阻抗导体相连，且通过中间车的轴端保护接地装置与钢轨（大地）相通，没有环路电流，电磁兼容性较好且轴端保护装置设置较少，成本低，但此接地方案对钢轨的接地效果要求极高。图4、图5为CRH₃、CRH380BL型动车组接地方式示意图。

　　由于动车组的车体是强、弱电系统的公共参考地，而该参考地又通过接地碳刷、轮对、钢轨与大地相接，当动车组高速运行时，该公共参考地处于快速移动状态。当列车或线路接地状况不理想，比如在列车运行接地点处于轨道连接不良的区域时，由于轨道回流不畅，运行接地电流容易串入车体内。牵引回流的不同影响车体电势的分布，由于端车车辆（CRH₃的EC01/EC08、CRH380BL的EC01/EC16）是全列距离保护性接地点Z远的位置，受车辆自身或轨道阻抗对车体电势差的影响，端车车体对转向架轴端的电势差为全列Z高。

　　图6、图7是CRH380BL型动车组在京沪线路运行保护接地试验结果，在2个往返的试验中，EC01车体对转向架轴端大于100V的测试值分别为206次和324次，捕捉到的Z大电势差为500V。从列车网侧电流与车体电流测试结果来看，运行接地电流很大，高达几百安培。

　　牵引电机在运行过程中，此外部电压会和电机轴电压一起施加在绝缘轴承的内、外圈上，特别是端车转向架上的牵引电机，轴承内、外圈承受的电压相对更高。电机运用过程中，轴承绝缘涂层在高频强电场作用下，电导和极化累积加剧，绝缘涂层薄弱处易被击穿，形成电流回流通道，引发轴承电烛。极端条件下成为运行接地电流环流泄漏通路，短时间内就会使轴承外圈与轴承室间熔融，且大电流作用使轴承的滚珠熔融破损，轴承保持架断裂。
　　3　防止轴承电蚀对策
　　牵引电机绝缘轴承不产生电蚀所容许的电压或允许通过电流的大小与供电条件、轴承状况、安装质量、电机运行工况、现场运行环境和轴电流流经路线的阻抗等诸多因素有关。迄今，国内或IEC标准还没有对轴电压或轴电流限值的明确规定。一般来说，完全消除掉轴承内、外圈的电势差是非常困难的。然而，如果能够阻止或大大降低通过轴承的电流，就可以防止轴承发生电腐蚀。为了Z大限度地保持原有设计理念，可以从提高轴承的绝缘可靠性能，优化列车保护性接地方式、以降低端车过电压等方面采取对策。
　　3.1提高绝缘轴承耐压性能
　　对于交流变频牵引电机来说，采用绝缘轴承原本是为防止逆变器供电所带来的轴承电蚀作用，在外圈表面喷涂氧化陶瓷涂层来阻断不高于1000v电压，对高速铁路轨道情况复杂运行环境下接地不良带来的冲击电压影响因素考虑不足。轴承选择绝缘的决定因素是电流电压的时间特性。如果是直流电压或低频交流电压，绝缘效果取决于轴承绝缘层的纯电阻值；如果是高频交流电压（常见于使用变频器的设备中），取决于轴承绝缘层的容抗值。目前绝缘轴承还属于特殊应用轴承范畴，由于各家采用的绝缘方式不同，其绝缘参数指标差异很大，也没有形成标准。对于树脂或陶瓷涂层绝缘轴承，可用式（1）对绝缘性能进行评估和计算：

　　其中，R为直流电阻值，Ω；C为电容量，F；f为频率，Hz；A为涂层接触面；s为涂层的厚度；ε为绝缘涂层相对介电常数；ε0为真空中的介电常数。
　　提高轴承运行可靠性，从轴承自身来说，增加绝缘涂层的耐压强度，即提高轴承绝缘阻抗值，不失为一种经济可靠的办法。
　　（1）增加绝缘涂层厚度
　　增加绝缘涂层的厚度或减小涂层面积、使涂层的电容量尽可能小，可显著提高绝缘轴承阻抗值。在尺寸接口不变的前提下，可以将牵引电机用绝缘轴承的氧化铝陶瓷绝缘涂层厚度由目前的0.1～0.2mm增加到0.3～0.5mm，其绝缘阻抗增加幅度见图8所示。

　　将轴承外圈带陶瓷氧化物涂层结构改为内圈带绝缘涂层，即使不增加涂层厚度，同样可以提高绝缘轴承阻抗值，对阻止高频轴电流也具有较好的效果。
　　（2）采用混合陶瓷轴承
　　混合陶瓷轴承由轴承钢质的轴承圈和轴承级氮化硅材料的滚动体组成，其电容值约40pF，比陶瓷涂层轴承低了近100倍。具有非常高的阻抗，并且有效克服了陶瓷涂层绝缘电阻与温度、湿度的依存性缺陷（注：绝缘阻抗随温度升高、环境湿度增大而下降），良好的电绝缘性能对防止高频电流电蚀损害特别有效。但因其价格高，成为制约其在轨道行业应用的因素之一。

　　3.2增加轴端碳刷接地装置
　　在电机非传动轴端与端盖之间安装碳刷，结构见图9。通过碳刷把端盖与转轴连接起来，产生短路。消除轴上感应电势，使轴承内、外圈没有电位差。但是接地电刷由于磨损会在电刷表面形成氧化层从而增大了电刷和转轴之间的接触电阻，阻碍轴电压的释放，因此需要定期进行维护或替换。CRH₃、CRH380BL型受电机在转向架安装空间限制，碳刷的更换和维护相对较困难。

　　3.3优化改进保护接地方式
　　在列车或线路接地状况不理想情况下，CRH₃、CRH380BL型动车组现有集中保护接地容易产生车体对转向架轴端的高电压，恶化牵引电机轴承的运行环境。为了避免恶劣运行环境下超强电压对绝缘轴承的冲击，借鉴CRH₁型、CRH₂型、CRH₅型动车组的保护接地方式，秉承Z大限度保持原型设计理念，同时减小车辆自身或轨道阻抗对车体电势差的影响，对现有保护接地方式进行优化改进。在CRH3、CRH380BL型动车组头车增加保护性接地点，即使轨道上存在接地不良点，头车因为有保护性接地点的存在而不会导致高电势的产生。改进后的接地方案在京沪线路上进行了实际测试，EC01车体对转向架轴端测到的Z大电势差为125V，优化后的接地方式在减小端车车体电势差方面起到了很好的作用，同时分流作用明显，可有效避免由于接地不良而导致的破坏性高电势差的存在。
　　4　结论
　　（1）CRH₃、CRH380BL型动车组牵引电机在轴电压和（或）外部电压的作用下，致使绝缘轴承在薄弱处击穿后，形成流过轴承的电流，在滚动接触表面形成电弧放电，产生电弧放电麻点，造成轴承沟道和钢球电蚀，严重时会发展成剥落，Z终导致轴承功能过早失效。
　　（2）CRH₃、CRH380BL型动车组采用车体中部集中设置保护接地的方式，在轨道情况复杂的正线铁路上运行时，如果列车或线路接地状况不理想，端部车辆容易形成车体对转向架轴端的高电压冲击，对牵引电机轴承工作影响较大。

　　（3）从轴承自身来说，采用增大绝缘轴承外圈陶瓷绝缘涂层厚度或采用陶瓷滚动体绝缘轴承，均可提高轴承绝缘阻抗值，对阻止高频轴电流、防止轴承电蚀均有明显的作用。
　　（4）改进后的高速动车组保护性接地方案在减少转向架与车体电势差、分流等方面起到了很好的效果，可有效改善绝缘轴承的运用环境。

 来源：《铁道机车车辆》2015年4月