王立國

（中國北車集團(tuán) 大連機(jī)車車輛有限公司 技術(shù)開發(fā)部，遼寧大連116022）

IGBT逆變器供電的電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架軸承失效分析

王立國

（中國北車集團(tuán) 大連機(jī)車車輛有限公司 技術(shù)開發(fā)部，遼寧大連116022）

對由IGBT變流元件構(gòu)成的交流傳動逆變器供電的電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架的驅(qū)動裝置軸承和軸箱軸承的電流通路進(jìn)行探索、分析，特別對Electric Discharge Machining（EDM）電流進(jìn)行了分析，提出了判斷軸承電蝕失效的依據(jù)及相應(yīng)的解決措施。

交流傳動電力機(jī)車；IGBT逆變器；轉(zhuǎn)向架軸承；EDM電流；軸承失效

近年來，隨著鐵路向高速重載方向發(fā)展，電力機(jī)車和動車組牽引已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了由交直傳動到交直交傳動的轉(zhuǎn)變。我國干線鐵道電力牽引采用工頻25 k V供電系統(tǒng)［1］。目前，由IGBT等功率元件組成的變頻逆變器供電的大功率交流傳動系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于機(jī)車和動車組驅(qū)動裝置和驅(qū)動系統(tǒng)中。由于牽引交流電路電流經(jīng)車軸軸端接地，給電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架上的軸承帶來了失效威脅［3-4］。國內(nèi)外的研究人員，特別是交流電機(jī)研究人員，對如何避免電機(jī)軸承損傷做了相當(dāng)多的研究，關(guān)于這方面的文獻(xiàn)也頗多［6，8，10，13］，但其僅僅局限于電機(jī)本身，很少論及與電機(jī)相連的負(fù)載。要想確定影響軸承失效的具體因素，特別是與電機(jī)相連的負(fù)載中所包含的軸承損傷，需要對整個交流傳動系統(tǒng)有整體上的認(rèn)識，需要從系統(tǒng)的角度來分析。

1 電力機(jī)車牽引系統(tǒng)電流通路介紹

對轉(zhuǎn)向架軸承有影響電流通路總結(jié)起來，主要有原邊電流接地通路、主電路牽引系統(tǒng)電流通路以及列車間的電流平衡通路。

1.1 電力機(jī)車原邊電流通路

電力機(jī)車在單機(jī)運(yùn)行時，電力機(jī)車牽引系統(tǒng)的電流有兩個主要的通路。一個為原邊電流通路，如圖1所示。接觸網(wǎng)25 k V，經(jīng)受電弓PG，高壓套管HVB，高壓隔離開關(guān)QS，主斷路器MCB，到主變壓器TM1，與主變壓器TM1的原邊繞組A端子連接，經(jīng)主變壓器原邊繞組后，經(jīng)X端子流出，經(jīng)過6個并聯(lián)的軸端接地裝置EB1～EB6接地，從輪對回流至鋼軌返回變電所。

1.2 電力機(jī)車主牽引系統(tǒng)電流通路

電力機(jī)車單機(jī)運(yùn)行時，另一通路為25 k V單相交流電經(jīng)過變壓器TM1（圖1），二次繞組轉(zhuǎn)換的低壓單相交流電，連接到相應(yīng)的由IGBT元件構(gòu)成的網(wǎng)側(cè)變流器（圖2），一般采用四象限變流器這是主牽引系統(tǒng)的整流環(huán)節(jié)；整流后的電流經(jīng)過中間直流環(huán)節(jié)后，經(jīng)電機(jī)側(cè)整流器，由IGBT元件構(gòu)成的逆變器逆變?yōu)榻涣麟姍C(jī)M1～M4適用的三相交流電，這是主電路的逆變環(huán)節(jié)，如圖2所示。

圖1 電力機(jī)車牽引系統(tǒng)原邊電流路徑示意圖

圖2 交流傳動主電路系統(tǒng)示意圖

正是由于采用IGBT元件構(gòu)成的逆變器供電，牽引電機(jī)才會產(chǎn)生EDM電流。EDM電流是造成軸承電蝕失效的主要原因，也是本文分析的重點(diǎn)。

1.3 電力牽引的列車間的電流通路

電力牽引的列車主要分為兩類，一類為電力機(jī)車牽引客車組成的客運(yùn)列車，另一類為電力機(jī)車牽引貨車組成的貨運(yùn)列車。機(jī)車與被牽引車輛間也存在平衡電流，此平衡電流會對轉(zhuǎn)向架軸箱軸承造成電蝕影響?？蓞⒖嘉墨I(xiàn)［3-4］。

2 轉(zhuǎn)向架輪對驅(qū)動裝置組成及EDM電流路徑

2.1 轉(zhuǎn)向架輪對驅(qū)動裝置組成

電力機(jī)車或車輛轉(zhuǎn)向架（走行部）可以大致分為兩類，一類是帶牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)向架，稱為動力轉(zhuǎn)向架，一類是不帶動力的轉(zhuǎn)向架，稱為非動力轉(zhuǎn)向架。對于目前我國正在運(yùn)行的主力機(jī)型六軸、八軸電力機(jī)車而言，均為動力轉(zhuǎn)向架。對于無動力客車和貨車轉(zhuǎn)向架，均安裝非動力的兩軸轉(zhuǎn)向架。本文主要針對交流傳動六軸電力機(jī)車及轉(zhuǎn)向架組成的電流通路及轉(zhuǎn)向架部分相關(guān)軸承的失效分析。

六軸電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架軸式為C0－C0，主要由構(gòu)架、電機(jī)懸掛、輪對、基礎(chǔ)制動裝置、一、二系懸掛裝置等構(gòu)成。此種類型的轉(zhuǎn)向架，根據(jù)電機(jī)懸掛裝置的安裝方式，又分為半懸掛和全懸掛轉(zhuǎn)向架。即交流牽引電機(jī)一端通過抱軸箱軸承非彈性的抱合在車軸上，另一端通過彈性橡膠關(guān)節(jié)，懸掛在構(gòu)架的橫梁上。牽引電動機(jī)質(zhì)量的一半通過帶有彈性橡膠關(guān)節(jié)的電機(jī)吊桿，懸掛在構(gòu)架上，另一端通過與抱軸箱相連接，為滾動抱軸形式。當(dāng)前，120 km等級的客貨運(yùn)電力機(jī)車而言，均采用半懸掛形式，本文主要研究半懸掛形式的電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架。如圖3所示為電力機(jī)車輪對驅(qū)動裝置剖面示意圖。

牽引電機(jī)3為電壓型PWM逆變器供電的交流異步牽引電機(jī)，單機(jī)功率可以達(dá)到1 200 k W到1 600 k W。牽引電機(jī)非驅(qū)動端通過抱軸箱軸承8，與車軸9相連，驅(qū)動端通過牽引主動齒輪5與套裝在車軸上的大齒輪7嚙合，傳遞力矩。車軸兩端分別通過軸箱軸承11與軸箱相連，有的軸箱還帶有軸端接地裝置10。三相交流電機(jī)運(yùn)行時，產(chǎn)生的EDM電流，通過電機(jī)軸上安裝的齒輪5，與安裝在車軸上的從動齒輪7相連，經(jīng)過車軸9和抱軸箱軸承8到軸端，經(jīng)軸端接地裝置10，將電流接地。其通路如圖3中箭頭標(biāo)志所示。

圖3 驅(qū)動裝置剖面示意圖［5］

由圖3可以看到，在共模電流流經(jīng)的路徑上，電機(jī)軸兩端軸承（非驅(qū)動端和驅(qū)動端）、抱軸箱軸承以及軸箱軸承均暴露于EDM電流中，存在電蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

3 電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架軸承的失效分析

3.1 電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架軸承介紹

目前國內(nèi)主要型號電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架的軸承可以分為3類：牽引電機(jī)軸承、驅(qū)動裝置齒輪箱軸承和軸箱軸承。采用的軸承種類主要有圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、深溝球軸承和4點(diǎn)接觸球軸承等見圖3。

3.2 軸承失效模式及原因

軸承失效的原因大致分為3類：①潤滑不良；②機(jī)械損傷；③電火花放點(diǎn)加工（EDM）或者稱為軸承電流。本文重點(diǎn)分析電火花放電加工（EDM）或者稱為軸承電流導(dǎo)致的軸承損傷。

3.3 牽引電機(jī)變頻供電下的電機(jī)軸電流問題

電力機(jī)車牽引電機(jī)及其驅(qū)動裝置組成的通路中，有兩種類型的電流。一種為環(huán)路電流，一種為共模電流，共模電流又分為d v/d t（電壓變化率）電流和EDM電流（又稱為電火花加工電流）其產(chǎn)生機(jī)理可參考文獻(xiàn)［10］。d v/d t電流主要是由于電源電壓零序分量的存在而引起，通過電容的充放電使軸承出現(xiàn)放電，從而產(chǎn)生d v/d t電流。d v/d t電流與逆變器載波頻率和電壓上升時間有關(guān)，逆變器的載波頻率越高，一個調(diào)制周期波周期內(nèi)產(chǎn)生的d v/d t電流數(shù)量越多，但電流幅值不變。

牽引電機(jī)軸電壓產(chǎn)生循環(huán)軸電流早在19世紀(jì)20年代，就被Alger發(fā)現(xiàn)［6］。目前，由IGBT功率元件構(gòu)成的PWM逆變器驅(qū)動裝置中，關(guān)于電機(jī)軸電壓、電機(jī)和負(fù)載軸承電流的產(chǎn)生，主要有3個原因：

（1）由于相間電壓不平衡或者是共模電壓導(dǎo)致的電源供應(yīng)的不平衡產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電機(jī)軸電壓。

（2）快速開關(guān)PWM供電電源，會產(chǎn)生快速的電壓瞬變（高d v/d t）和高的PWM載波頻率。

（3）主要是由于磁場不對稱或者是磁通量不平衡產(chǎn)生的軸向轉(zhuǎn)子電壓。

對于交流傳動來說，電機(jī)軸電壓及軸承和負(fù)載電流產(chǎn)生的主要的原因，主要是由共模電壓產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子靜電感應(yīng)電勢。

如圖4所示為典型的PWM供電的變頻調(diào)速電機(jī)系統(tǒng)。圖5所示為簡化驅(qū)動示意圖。電力機(jī)車的牽引電機(jī)由于采用由IGBT元件構(gòu)成的逆變器變頻驅(qū)動，電源電壓含有比較高次的諧波分量，使電源中點(diǎn)電壓產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，即中點(diǎn)電壓不再為零，從而通過電路中存在的零序回路產(chǎn)生軸電壓，該電壓將在系統(tǒng)中產(chǎn)生零序電流。電壓源零點(diǎn)對地電壓，也就是電壓源的零序電壓，可以由式（1）表示：

圖4 PWM交流電機(jī)控制示意圖［7］

圖5 可調(diào)速逆變器示意圖

圖6 三相正弦波電壓

在三相平衡的正弦波供電情況下，VCM＝0，而在逆變器供電時，VCM取決于逆變器的開關(guān)狀態(tài)，其值將不再是零，而是隨著逆變器開關(guān)狀態(tài)改變而改變［7］。

逆變器技術(shù)及共模：

變流元件IGBT構(gòu)成的PWM逆變器變頻調(diào)速系統(tǒng)，由于其6開關(guān)三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會產(chǎn)生共模電壓，任意時刻，6個晶體管中的3個處于開通狀態(tài)。如圖7、圖8所示。圖8為t1時刻S1、S4、S5閉合時的示意圖，圖9所示為其閉合時的等效電路圖。此時產(chǎn)生共模電壓為VCM＝VB/6。

圖7 基本6開關(guān)逆變器/三相電機(jī)電路示意圖

圖8 時間為t1時刻SW1、SW2、SW3閉合時的電路圖

圖9 時間為t1時刻SW1、SW4、SW5閉合時的等效電路

圖10為t2時刻SW2、SW4、SW5閉合時的示意圖，圖11所示為其閉合時的等效電路圖，此時共模電壓VCM＝－VB/6

圖10 時間為t2時刻SW2、SW4、SW5閉合時電路

圖11 時間為t2時刻SW2、SW4、SW5閉合時的等效電路

圖12為六階躍逆變器作用時共模電壓示意圖，圖13所示正弦波PWM波形產(chǎn)生與共模電壓，此時共模電壓峰值可以達(dá)到VCM＝VB/2。由此可見共模電壓是很高的。

圖12 六階躍逆變器作用時共模電壓（開關(guān)順序1－6－3－2－5－4）（若電機(jī)基頻為f0則共模電壓頻率為3 f0）

圖13 正弦波PWM波形產(chǎn)生與共模電壓（共模電壓頻率＝載波頻率fc轉(zhuǎn)折或階躍數(shù)＝6fc）

由以上的分析看，共模電壓的峰值為中間直流母線電壓的1/2，因此，對與功率在1 200～1 600 k W的交流牽引電機(jī)來說，其中間直流回路電壓VB可達(dá)2 800 V，其共模電壓峰值可以達(dá)到1 400 V左右，數(shù)值是非常高的。

3.4 導(dǎo)致軸承損傷的電壓和電流范圍

根據(jù)德國標(biāo)準(zhǔn)［3］對于通過列車軸端軸承電流的相關(guān)研究表明，只有通過軸承的電流密度超過一定的界限值時，才會對軸承造成損傷。

接觸電壓：軸承剛導(dǎo)電時的接觸電壓，也就是燒熔損壞電壓，公認(rèn)的限值為0.5 V；

軸承電流密度：在接觸面上，依照赫茲點(diǎn)接觸原理［8-9］，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，通過電流密度的絕對下限值為0.1 A/mm2，當(dāng)足夠的運(yùn)轉(zhuǎn)時間達(dá)到軸承損壞時，接觸面上的電流密度極限值為0.7 A/mm2［3］。有研究表明當(dāng)軸承電流密度小于0.8 A/mm2時，不會影響軸承機(jī)械壽命［8］。軸承壽命與電流密度之間的關(guān)系可以參考下圖14［8］所示。

圖14 軸承電流密度/（A·mm－2）與壽命之間關(guān)系

需要注意的是電流密度而不是電流的大小起決定作用。軸承電流密度的計(jì)算，除了需要測量電流大小外，還需要根據(jù)赫茲點(diǎn)接觸理論，計(jì)算軸承接觸面積。文獻(xiàn)［10］提供了電力機(jī)車抱軸箱軸承的一個仿真計(jì)算實(shí)例，可作參考。其主要研究了與牽引電機(jī)相連的抱軸箱軸承電流及其是否需要采用絕緣軸承。其變流器和電機(jī)參數(shù)為：電機(jī)在額定工況下牽引功率為300 k W。其余參數(shù)見表2所示。

表2 300 kW電機(jī)及變流器參數(shù)

作者通過計(jì)算機(jī)仿真的方法，計(jì)算出齒輪箱抱軸箱軸承的電流密度如表3所示。

表3 計(jì)算所得軸承電流密度

結(jié)合上面4種情況，得出抱軸箱軸承電流密度小于0.1 A/mm2，因此抱軸箱軸承不需要絕緣軸承。并且依據(jù)D.Busse等人提出的軸承壽命公式［8］，在牽引電機(jī)的額定工況下計(jì)算，即取抱軸箱軸承電流密度最大值0.073 A/mm2，可以計(jì)算抱軸箱軸承的電氣使用壽命為：

式（2）中：Eleclife表示軸承電氣壽命。

對于單機(jī)功率為1 200～1 600 k W的大功率牽引電機(jī)來說，與其相連的抱軸箱軸承和軸箱軸承是否需要采用絕緣軸承，還需要進(jìn)一步的仿真分析和研究。

4 判斷軸承電蝕的依據(jù)

4.1 軸承滾道的損傷

電蝕可以導(dǎo)致軸承損傷以致最終的永久失效。損傷的第一階段肉眼是看不見的，此階段由EDM電流現(xiàn)象產(chǎn)生的微觀小坑，跟點(diǎn)焊差不多。此過程發(fā)生次數(shù)以千計(jì)時，產(chǎn)生如圖15所示密布的微觀電蝕小坑，直徑在幾微米。損傷的第二階段與微觀小坑有關(guān)，通常被稱為銼痕性損傷，如圖16、圖17所示。在對軸承進(jìn)行檢測時，如果出現(xiàn)以下癥狀，可以斷定軸承存在電蝕：軸承的外圈內(nèi)滾道和內(nèi)圈外滾道出現(xiàn)銼痕式的褶皺，或者油脂顏色變黑。

圖15 軸承外圈滾道輕微電蝕小坑［11］

圖16 軸承外圈滾道輕微銼痕［11］

圖17 軸承內(nèi)圈圈滾道電蝕銼痕［11］

圖18 軸承油脂顏色變黑［11］

4.2 油脂的判斷

最后，電蝕會導(dǎo)致潤滑脂分解，老化。變黑的油脂是電蝕高級階段普遍的標(biāo)志，因?yàn)榫植康臏囟确逯禃?dǎo)致潤滑脂中增稠劑、基油和添加劑發(fā)生反應(yīng)，如圖18所示。

5 保護(hù)牽引電機(jī)及其相連接負(fù)載軸承措施

關(guān)于保護(hù)牽引電機(jī)本身及其相關(guān)負(fù)載中的軸承，例如驅(qū)動裝置抱軸箱軸承、軸箱軸承等，存在數(shù)種可行的減輕軸承電流的措施。這些措施在很大程度上是成功的，此處按照優(yōu)先順序給出。對于其中的一些措施，例如電機(jī)軸接地炭刷需要周期性的檢查和維護(hù)。采用電機(jī)接地刷；對于電流通路中的電機(jī)軸軸承，驅(qū)動裝置軸承及軸箱軸承全部采用絕緣軸承；采用隔離的軸承/全部（陶瓷軸承）；采用帶導(dǎo)電油脂的軸承；d v/d t濾波器（也稱為正弦濾波器）；采用法拉第屏蔽定子繞組的電機(jī)；共模變壓器（被動）共模濾波器（主動）采用雙PWM逆變器（12開關(guān)）等。

能夠減輕軸承電流，但是不能消除產(chǎn)生軸承電流電勢的措施：

降低PWM頻率到能接受的限值，在逆變器驅(qū)動和電機(jī)之間安裝3%～5%的電感（inductor），對電機(jī)定子疊片安全接地，降低逆變器驅(qū)動輸入電壓到最低可接受限值等措施。

在新設(shè)計(jì)交流傳動電力機(jī)車，特別是采用由IGBT元件構(gòu)成的電壓型PWM調(diào)制逆變器作為電機(jī)的供電電源時，必須將由此產(chǎn)生的交流電機(jī)軸承電流現(xiàn)象予以考慮，并考慮其與齒抱軸箱軸承和軸箱軸承的連接關(guān)系及可能存在的電流通路。

最常用的消除軸承電流的方法是對軸承絕緣。需要特別注意的是必須對電機(jī)兩個軸承全部絕緣，如果僅僅對一端軸承進(jìn)行絕緣，所有的電流將流經(jīng)未絕緣的軸承，導(dǎo)致更快的軸承失效。如果電機(jī)軸承采用絕緣軸承的話，與電機(jī)相連的驅(qū)動裝置軸承也必須絕緣，否則的話，電流就會從電機(jī)軸流經(jīng)負(fù)載中的軸承或者是轉(zhuǎn)速計(jì)軸承到大地。如果不能對驅(qū)動負(fù)載或者相連元件進(jìn)行隔離的話，至少應(yīng)該增加電機(jī)軸接地炭刷，以提供電流對地的低阻抗路徑。

6 結(jié)束語

提出了交流傳動電力機(jī)車流經(jīng)轉(zhuǎn)向架軸承的3種電流通路；對交流傳動電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架軸承的失效形式及原因進(jìn)行了分析總結(jié)，重點(diǎn)對由IGBT等功率開關(guān)元件構(gòu)成的電壓型PWM逆變器引起的軸承電流進(jìn)行分析，明確了判斷軸承產(chǎn)生電蝕的依據(jù)，提出了減輕軸承電流的數(shù)項(xiàng)措施，以期對交流傳動電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架軸承的設(shè)計(jì)、運(yùn)用和檢修維護(hù)提供一點(diǎn)借鑒，確保行車安全。

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Analysis of Bogie Bearing Failure of IGBT Inverter-Fed Electric Locomotive

WANG Liguo
（Technology Development Department，Dalian Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，CNR Group，Dalian 116022 Liaoning，China）

The current path through drive unit bearings and axle box bearings of IGBT Inverter-fed electric locomotives is investigated and analyzed.Especially，the EDM current inducing the electric erosion failure is analyzed.The proofs to identify the electric erosion and the corresponding solutions to prevent the failure are proposed.

AC drive electric locomotive；IGBT inverter；bogie bearing；EDM current；bearing failure

U264.8

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.08

1008－7842（2014）04－0038－06

8—）男，工程師（

2014－01－14）