地铁车辆牵引电机异响问题及解决措施

朱鹏举

【摘 要】针对某项目车辆牵引电机异响问题,介绍了故障牵引电机的调查过程,初步确认牵引电机异响的原因为牵引电机轴承出现异常;对出现异常的牵引电机轴承进行了调查,发现电机轴承出现电蚀现象;通过对电蚀轴承的进一步调查,初步确认牵引电机轴承轴端电流过大是牵引电机电蚀的原因.为解决牵引电机轴端电流过大的问题,提出了有效的整改措施,并进行了试验验证,取得了良好的效果.%Aiming at the abnormal sound made by metro vehicle traction motor in a certain project,the investigation process is introduced,and the abnormal traction motor bearing is detected.Through further investigation,the electric erosion phenomenon in the traction motor is confirmed as the main reason for the abnormal sound,which is caused by the excessive current at the bearing shaft end.Aiming at this problem,effective solutions are proposed and confirmed by experimental verification. 【期刊名称】《城市轨道交通研究》 【年(卷),期】2017(020)009 【总页数】3页(P140-141,145)

【关键词】牵引电机;轴承;电蚀;车辆;故障分析 【作 者】朱鹏举

【作者单位】广州地铁集团有限公司运营事业总部,510310,广州

【正文语种】中 文 【中图分类】U.260.1

AbstractAiming at the abnormal sound made by metro vehicle traction motor in a certain project，the investigation process is introduced,and the abnormal traction motor bearing is detected.Through further investigation，the electric erosion phenomenon in the traction motor is confirmed as the main reason for the abnormal sound，which is caused by the excessive current at the bearing shaft end.Aiming at this problem，effective solutions are proposed and confirmed by experimental verification. Key words traction motor； bearing； electric erosion； vehicle；malfunction analyze

Author′s address Operation Division，Guangzhou Metro Group Co.,Ltd.，510310，Guangzhou，China

地铁车辆牵引电机是车辆动力来源，牵引电机故障将直接影响车辆牵引性能。地铁车辆若出现牵引电机轴承卡死故障，可能导致车辆轮对擦伤轨道影响行车安全的严重后果。

某地铁车辆项目在运营两年后，出现了批量车辆牵引电机异响问题。针对牵引电机出现的异响问题，地铁运营方组织更换并拆解了4台异响较大的牵引电机。经检查发现4台电机非传动端轴承的外圈滚道均出现了发暗的波纹状凹槽。

经检测发现，轴承外圈滚道有明显电蚀的周期性条纹状痕迹，内圈滚道有灰色的磨损痕迹，轴承外圈滚道条纹状磨损区域的整体磨损深度约为13.8 μm，失效轴承外圈滚道轴承条纹状区域组织有白色烧伤层，且其深度约为1.5μm。

经分析，由于有电流通过轴承，故在轴承的外圈滚道均出现了明显电蚀的周期性条

纹状痕迹。通过电流会在轴承的滚道（接触位置）产生金属的熔融和细小的熔融泡。这些表面缺陷的形成能加速轴承的磨损，并会在熔融位置产生烧伤组织。滚道的烧伤组织液证明了电蚀的存在。

轴承供应商也认为轴承失效机理为过电流。接触表面损伤最初呈现浅环形坑状；随着时间的推移，环形坑发展为波纹状凹槽；且滚道上的凹槽底部颜色发暗。 根据GB/T 20161—2008—T《逆变器供电的鼠笼感应电机应用导则》，当电机由电压型变频器供电运行时，会存在1个特定的轴承电流源，即电动机转轴上感应出高的轴电压。当轴电压形成导电回路后将产生轴承电流。轴承中有电流存在是轴承发生电腐蚀的必要条件。牵引电机轴电压主要来源为PWM（脉冲宽度调制）变频器产生的高频共模电压和PWM变频器输出电压的变化。 2.1 PWM变频器产生的高频共模电压

两电平电压源型变频器在常规的PWM控制方式下，输出端U、V、W输出的三相电压尽管相位互差120°，但三者之和并不为零，即存在很高的共模电压。共模电压与逆变器的拓扑结构和控制方式有密切相关，包含有与输出电压谐波分量有关的频率分量。图1为共模电路模型及轴承电压Ubrg的典型电路。

图1 中，轴承电压Ubrg是共模电压Ucm的镜像。Ucm的幅值取决于共模电流的阻抗（尤其是电抗）。共模电流最终流到逆变器的中性点。共模电压会感应到电动机转轴的较高轴电压，从而形成轴承电流。 2.2 PWM变频器输出电压的电压变化率

由于PWM技术所固有的脉冲性质，PWM变频器输出的电压变化率（d V/d t）。当电机正常运行时，电机轴承中的滚珠在油膜中高速运行，使润滑剂在轴承内部形成两层油膜，从而使电机轴承呈现出容性作用，成为寄生电容。当高频的d V/d t作用在电机内部的寄生电容上时，电容的累积作用使得转子轴电压升高。由于电机轴承的内座圈与转轴相接，外座圈与定子相联，故轴电压将作用在轴承上。当转子

轴电压升高到一定程度以后，将产生轴承电流。

经测量，出现问题的电机轴承电压约为200 V，而正常轴承轴端电压约为100 V。 经过以上分析，地铁运营方联合供应商提出了解决问题的思路：一方面消除轴电压的产生来源，另一方面增加轴承电流回路的释放；并相应提出了优化逆变器负极EMI（电磁干扰）电容选型及调整接地方案2个解决措施。

（1）优化逆变器负极EMI电容选型。结合车辆的结构及接线原理，选择合理的变流器负极EMI电容可为轴承电流提供良好通路，从而使轴承电压减小。经牵引系统供应商详细计算和试验分析，在负极和逆变器之间选择1μF的EMI电容，且必须采用无感电容以尽量降低电路的电感值。

（2）调整接地方案。车辆目前接地方案满足EN 50153《铁路应用机车车辆电气危害防护规定》和DIN VDE 0123《轨道车辆的轮对滚动轴承区的电路》要求，能分别为工作回流、漏电电流、雷击电流、系统内的电磁干扰提供引入大地的设定通路，能提升车辆电磁兼容性能，从而保证设备正常工作和车辆安全运行。通过调整接地电阻的接入位置及数量，将接地电阻电气位置改为安装在构架与接地轴端之间，降低线路感抗值，为轴承电流提供低阻抗支路，从而降低轴承电流。 故障项目高压箱采用1μF无感电容且调整了接地方案。优化调整后，该项目的轴承电压见图2。

由图2可见，轴承电压已降至100 V以下。根据研究成果，这一电压水平基本解决了牵引电机轴承电蚀问题。

地铁车辆牵引电机轴承问题越来越多。其中，牵引电机轴承电蚀问题是一个系统性问题，其影响因素较多。本文分析了引起牵引电机轴承电蚀问题的原因，并针对其成因提出了解决措施。经验证，该解决措施可将轴承电压降至100 V以下，可有效解决了牵引电机轴承电蚀问题。

【相关文献】

［1］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.变频器供电的鼠笼型感应电机应用导则：GB 20161-2008-T［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［2］施洪生，张奕黄，高培庆.高速牵引电机轴承关键技术的发展趋势［J］.机车电传动，2007（2）：1-5.

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