于乃術

(濟南鐵路局 濟南西機務段青島整備車間,山東青島266021)

濟南西機務段青島地區(qū)2009年3月份開始配屬HXD3型交流傳動電力機車用于客車牽引。先后于2009年8月30日HXD3-445機車第4牽引電機發(fā)生竄軸故障;2009年10月6日HXD3-441機車發(fā)生第6牽引電機冒煙故障;2009年10月14日HXD3-445機車第4電機軸承固著故障。HXD3機車牽引電機故障均在停車區(qū)間乘務員下車檢查時發(fā)現(xiàn),均未對旅客運輸產(chǎn)生較大影響。

如何在現(xiàn)有的條件下盡可能在庫內(nèi)預防或提早發(fā)現(xiàn)HXD機車牽引電機故障,降低由此引發(fā)的機車運行事故是我段目前著重考慮的問題,下面就對此問題進行深入探討。

1 HXD3型機車牽引電機的構造

HXD3型機車牽引電機是逆變器供電的三相鼠籠式異步YJ85A牽引電動機。該電機為滾抱結構,單端輸出;采用強迫外通風,冷卻風從非傳動端進入傳動端排出;采用3軸承結構,3個軸承均為絕緣軸承;傳動端采用圓柱滾子軸承;非傳動端采用雙軸承結構,承受徑向力的為圓柱滾子軸承,承受軸向力的為4點接觸球軸承。在兩端蓋處設有注油口,使用中可補充潤滑脂。

2 牽引電機故障的機理

(1)流經(jīng)牽引電機軸承電流的影響

HXD3機車原邊電流是通過受電弓進入機車,經(jīng)高壓隔離開關和主斷路器,通過高壓互感器進入機車,經(jīng)25 kV高壓電纜與變壓器原邊一端,變壓器原邊另一端通過6個并聯(lián)回流裝置EB1～EB6,從輪對回流至鋼軌。如圖1所示。

圖1 機車主電路圖

由于原邊電流是通過輪對回流至鋼軌,就會不可避免出現(xiàn)電流流經(jīng)軸承表面的問題,電流流經(jīng)軸承表面,就會產(chǎn)生電火花,從而熔融滾道表面,形成電流腐蝕。由此可在滾道表面形成可見斑點,在顯微鏡下可觀察到斑點是由細小的凹坑簇集而成,進一步發(fā)展就可導致波紋狀表面。這種斑點將導致軸承表面運行惡化、過熱,從而引起軸承固著故障。

(2)輪對表面擦傷或剝離的影響

輪對表面出現(xiàn)擦傷或剝離問題,隨機車高速運行,擦傷部位將對鋼軌產(chǎn)生周期性沖擊力作用,這種沖擊力將會部分作用到牽引電機軸承上,速度越大這種沖擊力越大,從而引起電機軸承故障。

(3)牽引電機軸承設計安裝方式與齒輪齒形影響

HXD3機車牽引電機傳動端采用圓柱滾子軸承;非傳動端采用雙軸承結構。HXD3機車牽引電機的齒端小齒輪與輪對采用斜齒配合。斜齒輪從原理上講在傳遞力矩的過程將產(chǎn)生軸向力矩,這個軸向力矩隨其傳遞徑向力矩成正比。由牽引電機的軸承設計安裝可知,整個軸向力均作用在4點接觸球軸承上。這個軸向力隨牽引電機不同轉(zhuǎn)向而相反。4點接觸球軸承從結構上講,其承受軸向作用能力是有限的。過大的軸向力極易導致其發(fā)生故障,從而引起竄軸或固著。

3 機車小輔修時的牽引電機軸承質(zhì)量控制預防措施

(1)回流裝置EB1～EB6的檢查

由流經(jīng)牽引電機軸承電流影響機理分析可知,一旦回流裝置發(fā)生故障或接觸不良,原邊電流不能通過回流裝置流回到鋼軌,勢必將導致該回流電流部分通過輪對軸承和牽引電機軸承回流到鋼軌。從而造成該處所的軸承出現(xiàn)電流腐蝕,這種腐蝕達到一定程度,就將導致運轉(zhuǎn)中軸承過熱固著,引發(fā)機車故障。

2009年10月14日HXD3-445機車第4電機軸承發(fā)生固著故障,在10月25日更換牽引電機后,11月4日小修發(fā)現(xiàn)回流裝置EB4出現(xiàn)質(zhì)量問題,該裝置碳刷四周出現(xiàn)1 mm左右凹痕,存在卡阻現(xiàn)象,有過熱及燒灼跡象。如圖2所示。

圖2 回流裝置EB4出現(xiàn)的卡阻現(xiàn)象

從上述情況看,加強對回流裝置EB的檢查對預防牽引電機軸承故障是有一定意義的。因此,在防止牽引電機軸承故障的措施中,加強回流裝置的技術檢查是必不可少的,需引起技術管理人員的注意,將其納入預防故障技術檢查措施中進行落實,建議每次小輔修時打蓋檢查。

對回流裝置的檢查要求:①檢查接地電刷不小于59 mm,接觸面良好,不小于80%,連接線狀態(tài)良好,連接應牢固。②集電環(huán)狀態(tài)良好,無異物。③彈簧無裂紋,無變形。④各部固定螺栓緊固良好,密封良好。

(2)牽引齒輪箱的打蓋檢查

HXD3型大功率交流傳動電力機車的輔修周期為走行5.0+5%萬 km,修制安排為:輔—輔—小,小1—小2—小3—中 1,中1—中2—中3—大1。

因此定期在小輔修時打開牽引變速齒輪箱檢查牽引電機油封狀態(tài),對提前預防牽引電機竄軸、軸承故障有良好的作用。

由于牽引電機油封由轉(zhuǎn)子齒端過量程套管和電機齒端端蓋組成的迷宮式油封,在外觀上是看不到的,只能通過觀察過量程套管外端與牽引電機齒端端蓋位移變化進行判斷。既通過用高度尺進行兩端面距離測量,并將6個牽引電機端面檢測數(shù)值進行比較,以此觀察位移變動情況;同時,需再次將機車入庫檢查時運行的反方向牽引運行一段距離,再做上述測量,再觀察位移變動情況,發(fā)現(xiàn)異常時,落電機分解檢查。上述測量數(shù)據(jù)應予以保留,逐步做到在進行同期比較的同時同一電機的歷史數(shù)據(jù)比較,對提前發(fā)現(xiàn)牽引電機故障更有指導意義。

(3)利用牽引齒輪箱換油時故障預防

牽引電機變速箱需15萬km更換齒輪箱油,齒輪箱油型號為SHC75W90LS廠家Mobil,該油油質(zhì)清澈,為暗紅色。如在更換齒輪箱油時,發(fā)現(xiàn)油質(zhì)變色,或出現(xiàn)黑色污濁或雜質(zhì)時,必須打開齒輪箱檢查孔蓋檢查牽引電機油封狀態(tài)。

對牽引電機及齒輪箱結構研究發(fā)現(xiàn),該結構不同于我國DF8B、DF4A、B型機車結構。電機齒端軸承出現(xiàn)問題發(fā)生潤滑脂泄漏時,該油脂不會從電機齒端部流到電機外部,而是流到牽引變速箱內(nèi)部(如圖3所示),與牽引變速箱齒輪油混合;發(fā)生潤滑脂流出時,從外觀是看不到有油溢出的痕跡。因此如換油時發(fā)現(xiàn)油質(zhì)異常,就必須注意,及時打蓋進行檢查。

HXD3-0445機車2次發(fā)現(xiàn)第4牽引齒輪箱底部有油跡時都是在牽引電機故障軸承固死后出現(xiàn)的,在這之前沒有任何先兆。原因就在于HXD牽引齒輪箱與牽引電機結合設計的這種特殊結構。這種結構設計只有在電機發(fā)生軸承固死故障,牽引齒輪箱發(fā)生嚴重彈性變形時,才會有齒輪油從彈性變形產(chǎn)生的空間間隙內(nèi)(原密封結合面被變形破壞)泄漏出來,變形恢復,泄漏消除,只留下了能從齒輪箱外部看見的油跡。因此,只有在發(fā)生故障時才會有潤滑脂泄漏,有油跡出現(xiàn)。

圖3 電機齒端軸承發(fā)生潤滑脂泄漏時的情況

4 運用機車牽引電機質(zhì)量控制預防措施

(1)利用機車牽引電機保護監(jiān)視系統(tǒng)預防控制

由HXD3型機車主回路(圖1)可以發(fā)現(xiàn),在每一組牽引變流器的輸出回路中,設有輸出電流互感器CT U、CTW,見圖4所示,對牽引電機過載及牽引電機三相不平衡起控制和監(jiān)視保護作用,牽引電機過載保護的動作值為 1 400 A(10 μ s和 1 ms);發(fā)生保護時,四象限脈沖整流器和逆變器的門極均被封鎖,輸入回路中的工作接觸器斷開,同時向微機控制系統(tǒng)發(fā)出跳主斷的信號。

圖4 機車主電路的平衡控制和監(jiān)視保護電路

由于牽引電機軸承出現(xiàn)故障,將導致電機過載,從而導致過載保護動作,因此途中出現(xiàn)牽引電機發(fā)生過流時,TCMS顯示屏顯示故障,對該到達機車,非常有必要入庫進行打蓋檢查。確認是否出現(xiàn)竄軸等電機故障。

同時對途中出現(xiàn)上述保護報警時,還需要乘務員在就近可停車地點下車進行手摸檢查電機及輪對,是否存在溫度過高。及時采取措施,避免事故擴大化。

(2)牽引電機接地故障處理

當牽引電機接地時,TCMS會發(fā)出跳主斷的命令,同時顯示屏會顯示相應的故障。此時將司控器主手柄回“0”位,按“復位”按鈕,如能合上主斷,手柄能提到位,觀察牽引電機牽引力,如發(fā)現(xiàn)一個及一個以上電機無牽引力,則根據(jù)牽引噸數(shù)來確定是否繼續(xù)牽引或是將整列車維持運行到下一個車站。如合不上主斷,或是提手柄后就跳主斷,應立即隔離相應的CI,然后就能合上主斷、提手柄。維持運行,到達就近可停車區(qū)段時,乘務員要停車下車手摸檢查電機機體是否存在溫度過高,同時通過通風窗對牽引電機內(nèi)部進行觀察,要預防電機爆膛及出現(xiàn)其他故障。并及時采取措施,避免事故擴大化。

對出現(xiàn)接地故障報警的到達機車,必須進行技術檢查。測量絕緣電阻:用1 000 V兆歐表測量定子繞組冷態(tài)絕緣電阻不低于100 M Ω;用500 V兆歐表測量轉(zhuǎn)軸對定子的絕緣電阻不低于5 MΩ。測量定子繞組線電阻,換算到20℃時,其值應與典型值0.079 48 Ω的相對誤差不超過±10%。

(3)電機轉(zhuǎn)速顯示出現(xiàn)故障

當機車正常運行時,出現(xiàn)嚴重空轉(zhuǎn)或無轉(zhuǎn)速,這是電機轉(zhuǎn)速傳感器信號沒有正常傳送到TCMS中去,可能是傳感器本身故障,也可能是傳輸線路問題,或電機竄軸導致傳感器失效故障。2009年8月30日發(fā)現(xiàn)HXD3-445機車第4牽引電機發(fā)生竄軸故障就是在電機轉(zhuǎn)速顯示無轉(zhuǎn)速時,打開防護罩檢查電機轉(zhuǎn)速傳感器時發(fā)現(xiàn)的。

在運行中出現(xiàn)上述情況時,乘務員要在就近停車地點停車下車手摸檢查電機軸承端蓋部位,是否存在溫度過高。對該車入庫后應及時將途中信息反饋整備車間專業(yè)工程師,反饋信息要詳細,并將個人手機號碼留下,以便在判斷故障需要進一步了解信息時,能及時進行溝通。提高對故障的判斷處理。

(4)加強輪對踏面檢查來預防牽引電機軸承故障

對輪對踏面施行趟檢,對踏面擦傷或剝離達到技術規(guī)定的限定要求時,必須及時進行更換。踏面發(fā)生剝離或擦傷產(chǎn)生周期性沖擊對機車牽引電機的軸承影響是間接的,需要一定的時間累計,其引發(fā)的故障往往因時間較長,最終導致故障歸罪于軸承質(zhì)量不良所致,使故障的真正原因被忽視或被掩蓋。

因此,對走行部質(zhì)量控制要樹立防微杜漸的思想。實際工作中,往往出現(xiàn)因輪對準備不到位,對踏面擦傷或剝離超限輪對采取維持使用觀察,這樣的作法是不可取的。這種作法極易造成地勤檢查人員的質(zhì)量安全意識淡化,輕視走行部質(zhì)量檢查,而且由于踏面沖擊力的作用隨機車運行速度而變化,這種變化導致軸承發(fā)生不確定性故障,極易導致發(fā)生重大運輸事故。

踏面擦傷、剝離的技術檢查要求如下:車輪踏面擦傷深度不大于0.7 mm;車輪踏面剝離長度不超過40 mm,且深度不超過1 mm;輪對踏面磨耗不大于7 mm,輪緣厚度不小于23 mm。工作中應嚴格遵守此規(guī)定。

5 通過改變選用的軸承來降低軸承故障的建議

HXD3機車牽引電機的齒端小齒輪與輪對采用斜齒配合。斜齒輪從原理上講在傳遞力矩的過程中將產(chǎn)生軸向力,這個軸向力與其傳遞徑向力矩成正比。通過分析可以看出,4點接觸球軸承主要承擔軸向力,并起著轉(zhuǎn)子軸向定位的作用。如果4點接觸球軸承出現(xiàn)故障,才會出現(xiàn)竄軸故障。因此,建議將4點接觸球軸承改為雙列圓錐滾子軸承,將軸向力的承擔分別由兩列圓錐滾子軸承來承擔,提高其承受軸向作用的能力。這對提高牽引電機工作可靠性是有幫助的。下面對兩種軸承略作簡化分析,以示對比。

單列圓錐滾子軸承:當量動負荷計算為

單列向心球軸承(4點接觸球軸承):當量動負荷計算為

單列大錐角圓錐滾子軸承,取e為1.5tanβ時,Y取 0.4ctanβ(β取 25°～ 29°);單列向心球軸承,取 e最大值0.44時,Y取1(e取值越小,Y取值越大)。

取當量動負荷P相等,將上述條件代入公式(1)、(2)可推導出

式中,Fα為軸向力;Fγ為徑向力;Y為軸向系數(shù);e為與軸承實際接觸角β有關的參數(shù)。

由于HXD3交流傳動電力機車投入使用時間較短,牽引電機發(fā)生故障后,都是由廠家運回分解,現(xiàn)場站段一般很難具體了解到發(fā)生故障的實際原因,這就為現(xiàn)場如何預防、發(fā)現(xiàn)故障帶來困難。造成牽引電機軸承故障的原因是多方面的,通過對HXD機車的運用、故障現(xiàn)象、原理機制作出系統(tǒng)分析,希望能對提前發(fā)現(xiàn)HXD機車牽引電機故障以及預防發(fā)生運行故障提供一些有益的幫助。

[1] HXD3型大功率交流傳動電力機車保養(yǎng)使用說明書(1)、(2)[Z].中國北車集團大連機車車輛有限公司,2006.

[2] HXD3型大功率交流傳動電力機車維修手冊[Z].中國北車集團大連機車車輛有限公司,2006.

[3] 機械設計手冊 (上冊) (第2分冊) 第2版(修訂)[M].北京:化學工業(yè)出版社,1987.