机车牵引电动机用陶瓷轴承

　专题综述　

机车牵引电动机用陶瓷轴承

朱爱华1,朱成九1,张卫华2

(1.华东交通大学,南昌　330013;2.西南交通大学,成都　610031)

摘要:分析了牵引电动机轴承电流产生原因,损伤形式及电气特性对绝缘轴承的影响。在牵引电动机应用方面,陶瓷轴承优于钢制轴承,其具有润滑脂寿命更长,可有效防止电蚀损害等特点。

关键词:陶瓷轴承;机车牵引电动机;特性

中图分类号:T H133.33 文献标志码:B 文章编号:1000-3762(2007)08-0042-03

牵引电动机是电力机车和电传动内燃机车主传动系统中的主要设备。牵引电动机轴承用来支承因转子轴和联轴节的质量而引起的径向载荷,实现频繁的运转、停止循环作业,由于运行时转向架振动的影响,轴承要承受一定的动载荷。与车轴轴承和齿轮装置轴承相比,牵引电动机轴承的计算寿命要长得多,其轴承的型式,一般在齿轮一侧(传动侧)采用圆柱滚子轴承,在反齿轮一侧(换向器侧)则采用有支承转子轴轴向运动功能的深沟球轴承,采用脂润滑。在近年来新造的电动车上,安装了可变电压、可变频率控制的交流牵引电动机[1],这种交流牵引电动机具有重量轻、结构紧凑、高速运转的特点,为适应轴承高速旋转和牵引电动机各部件温度上升的特点,必须解决原有钢制轴承的“电蚀”危害,提高轴承、润滑脂的耐热性和耐久性。

1　牵引电动机轴承中产生电流的原因及主要损伤形式

收稿日期:2006-12-12;修回日期:2007-04-09

基金项目:西南交通大学牵引动力国家重点实验室资助项目;华东交通大学科研基金资助项目

作者简介:朱爱华(1964-),女,江西临川人。副教授,研究方向为轴承设计。E-mail:zahua237@yahoo.co 。 形成轴承电流的基本原因和来源有[2]:电动机内的磁流不对称;不对称的非屏蔽电缆设置;快速切换变频器及它们的共式电压。这些将导致轴承内产生三类电流,即:高频轴接地电流;高频循环电流及电容性放电电流。

电流对轴承产生的主要损害是“电蚀”。电蚀是旋转中轴承内部有电流通过,穿过滚动接触部非常薄的油膜从而产生电火花,造成局部熔化的一种损伤。放电产生的热量会导致轴承的金属表面局部熔化,形成放电痕,而且熔融的材料颗粒发生转移而使得局部变得很松散。熔过的材料重新变硬,但比原来的轴承材料要脆得多,在变硬的材料层下有一层韧化的材料,要比它周围的材料软。机车牵引电机轴承常出现电凹痕损害,电凹痕的直径大小从0.1mm到0.5mm不等,且肉眼可以看到。电凹痕由非常强大的高压电源所引起。

折纹或洗衣板现象(图1)是多条灰色线穿过滚道而形成的,其外观带有光泽和变黑迹象。折纹的形成是当滚动体滚过那些较小的放电痕时由于动态影响而引起机械共振的结果。折纹不是电流通过轴承造成的主要损害,而是较为次要的轴承损害。只有在经过一段时间后,最初的较小的放电痕才形成折纹。折纹的产生减少了滚动表面的接触面积,接触应力增加。

3　结束语

(1)铁路轴承磁粉探伤试块弥补了灵敏度试片实际磁场强度的不足,提高了对近表面缺陷的检出率,保证铁路轴承质量的可靠性。

(2)用同一个试块可以检测铁路轴承磁粉探伤4个探伤灵敏度,且显示直观。

(3)铁路轴承磁粉探伤时,试块灵敏度以第1、2、3孔周向、纵向磁痕完整清晰显示为宜。如果为了追求高检测灵敏度,要求第4孔清晰显示,可能会产生假磁痕,影响缺陷的辨别。

(4)试块在磁化过程中,不存在影响磁痕显示的人为因素,可靠性高。

(编辑:赵金库)

I SS N1000-3762 CN41-1148/TH

轴承　2007年8期

Bearing2007,No.8

42-44

图1　滚道中的折纹或洗衣板现象

微小的电凹痕现象是最为普遍的电流损害形式。众多的微小电凹痕覆盖了滚动体和滚道的表

面,受损表面的外观暗淡无光,特点为熔融的坑状痕迹。电凹痕的直径大多为5～8μm ,其真正形状只有通过高倍显微镜才可以看到(图2)

。

图2　微小放电痕截面

电流放电还会导致轴承内的润滑脂结构发生

变化,润滑脂很快就会老化。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,这样,添加剂的用量就会大大增加,且润滑脂会变硬、变黑。油脂迅速衰变是电流通过而引起的一种典型故障模式。

2　牵引电动机用绝缘轴承的基本要求

目前,解决电蚀的对策是设置旁通电路使电流流向轴承外部,或使轴承周围绝缘以切断电流,具体方法有:

(1)在牵引电动机主轴或机壳安装接地装置,使电流不经过轴承内部。

(2)使用绝缘轴承架或绝缘轴承。

从价格和可靠性方面来看,以绝缘轴承方式为主。牵引电动机用绝缘轴承大致有三种,即:混合陶瓷轴承;陶瓷喷镀轴承;树脂膜轴承。

牵引电动机用绝缘轴承除了一般轴承的要求

外,还多了绝缘性能的要求。主要有:

(1)绝缘电阻稳定性(周围温度、湿度等变化引起的绝缘能力不得有明显下降)。(2)一定的机械强度(在压、拔或掉落时不得有碎裂)。

(3)轴承旋转性能。

(4)耐碱、清洗剂、煤油等的性能。(5)与轴、轴承箱等的互换性等。

3　牵引电动机电气特性对绝缘轴承

的影响

采用直流电时,绝缘轴承充当着普通电阻器的作用。氧化铝层是一个纯绝缘体,因此,重要的问题是氧化铝层的电阻值。在直流电的作用下,标准氧化铝层的击穿电压一般是1000V ,并且电

阻大于50M

Ω,可以对轴承进行有效绝缘。采用交流电时,特别是在由闸式双极晶体管变频器产生高频电流的情况下,必须考虑绝缘轴承的绝缘效果。此时,由于快速切换闸式双极晶体管半导体装置产生5kHz 到10MHz 高频电流,在变频器输出时,还导致极快速的电压升高至

5000～8000V /

μs,甚至高达10000V /μs 。绝缘轴承可视为一个电容器,其电容量取决于润滑剂类型、温度、粘度和绝缘膜的厚度等。若电压达到一定的极限,电容器将放电并出现高频电容性放电电流从而产生电损害。所以,为防止绝缘轴承在高频率电流环境下出现电损害,就必须制定一个等效的整套轴承电气回路模型图,将绝缘轴承的所有元件都考虑在内,求出轴承电气系统的电阻值,检验系统的电阻值是否能满足绝缘性能要求。图3为模仿轴承等效电气结构示意图。

要精确地将等效轴承电路当作一个电气系统并不是件简单的事。其原因主要有:

(1)高频率电场中的大量金属元素具有非常复杂的三维结构,必须考虑结构中可能出现的涡流电流。

(2)外圈和滚动体之间以及滚动体和内圈之

间的触点会产生电容,这些电容值随轴承的振动随机变化。

电绝缘层如氧化铝(A l 2O 3)涂层必须设计为一个电阻器和一个电容器的平行连接。电阻值Z 计算公式为

Z =

R

1+j ωRC

,ω=2

πf ・

34・朱爱华等:机车牵引电动机用陶瓷轴承