铁路机车异步牵引电动机轴承结构

铁路机车异步牵引电动机的轴承结构 李进泽

（南车株洲电机有限公司，湖南 株洲 412001） 摘 要：对于结构简单、维护量少的铁路机车异步牵引电动机来说，作为其关键部件之一的轴承往往是其中一个薄弱点，其运转情况的好坏在很大程度上直接影响异步牵引电动机的运行可靠性，因此电机设计时，必须合理设计其轴承结构，包括选择合适的轴承、设计正确的润滑系统和可靠的密封结构。

关键词：铁路机车异步牵引电动机、轴承、轴承结构、润滑、密封

0 引言

三相交流传动机车首先必须满足的要求是，对于铁路重载货运机车，能连续产生较大的牵引力；对于铁路高速客运机车，一级齿轮传动装置能得到较高的机车速度，因此要求铁路机车异步牵引电动机转矩要大、转速要高。另一方面由于受到铁路机车车轮直径、两车轮内侧距离和机车下部限界的限制，要求异步牵引电动机体型相对地越来越小。同时，逆变器供电又会造成异步牵引电动机轴承强振动、高温升、轴承电蚀等不利影响。

因此，异步牵引电动机设计时，必须仔细分析其轴承常常需承受高转速、高负荷、高温升、强振动等苛刻运行条件的特殊性，有针对性地设计轴承结构，并采取相应措施。

1 轴承类型及其布置

为简化结构，降低成本，铁路机车牵引电机一般尽可能采用单侧传动，一般采用两轴承结构（如图1），传动端采用较大的NU 型圆柱滚子轴承，作为非定位轴承，仅承受径向负荷；而非传动端采用定位轴承，除承受径向负荷外，还承担电机轴的轴向定位和轴向负荷，一般采用NH 型、NUP 型、NUH 型圆柱滚子轴承，或向心球轴承，还可采用组合结构（如图2，TGV 异步牵引电机轴承结构）。

采用人字形小齿轮时，人字齿轮已轴向定位，两端轴承必须都为非定位轴承，如ICE 动车异步牵引电机BAZ7096。

图1 两轴承结构的异步牵引电动机 图2非传动端采用组合轴承结构

2 轴承转速

异步牵引电动机轴承选择除考虑轴承的受力负荷外，还要着重考虑高转速和轴承电蚀这两个不利因素。 异步牵引电动机转速的限制除取决于其自身（主要是转子）的强度和刚度外，在很大程度上取决于逆变器所能提供的最高频率以及轴承的许用速度。

一般异步牵引电动机的最高转速都比较高，不少都高于轴承样本中所列的极限转速（特别是传动端），如BR120机车异步牵引电机最高工作转速（4500r/min ）为其传动端轴承（NU322）脂润滑的极限转速（轴承样本推荐2000r/min ）的2倍多，超过该轴承油润滑的极限转速（2600r/min ）的70%，也超过非传动端轴承（NJ318带角环HJ318）脂润滑时的极限转速（2800r/min ）的60% [1]。

作者简介：李进泽（

1967—），男，1990年毕业于浙江大学电机专业，高级

工程师，首席设计师，主要从事轨道交通异步牵引电动机、石油钻机变频电机、风力发电电机的研究开发。

因此，电机设计时，要按轴承承载能力和极限转速间的最佳结合来选择轴承，既要有足够的动态承载系数，同时，又要有较高的极限转速。应尽可能选用尺寸较小，且极限转速较高的中系列，甚至轻系列轴承（如日本300系异步牵引电动机采用NU214和6311），以减小d m N 值[d m N=轴承平均直径(mm)×转速(r/min) ]。

另外，可通过采取其它一些改进措施提高轴承的许用转速，如改变润滑方式（采用油润滑，可使轴承的额定转速比脂润滑时提高15～25%）、提高轴承精度（一般采用P6）、适当选用较大游隙的轴承（如C3、C4）。

3 轴承温升

一方面，新型耐高温绝缘材料的出现使得异步牵引电动机的绝缘等级越来越高（如H 级、200级），使得电机的许用温升越来越高。

另一方面， 由于高次谐波电流在转子导条中集肤效应明显，可在转子绕组中产生达10～38%的额外发热；加上系统控制的需要，往往要求异步牵引电动机具有较高的转差率（对并联供电的逆变器系统而言，一般为1～3%），大大增加了转子的发热，使转子工作温度可高达200～300℃，如蓝剑动力车异步牵引电动机（4FHA7056C ），试验时其转子温升就高达186.3K （环境温度28.7℃）［4］。转子大量热量会以热传导的方式从转轴上迅速传到与其邻近的轴承，同时还有来自定子（如4FHA7056C 电机定子温升157.4K ［4］）、转子的大量辐射热会通过轴承周围的热空气辐射传到轴承上，加上轴承自身高负荷、高转速产生的大量摩擦热，使得轴承的运行温升非常高，如4FHA7056C 电机轴承温度达97.1℃［4］，有时甚至超过100℃，因此异步牵引电机轴承温升限值大多已提高到了80K 。

图

3 轴承电蚀（外圈）

图4 绝缘轴承

4 轴承电蚀

由于电机内的磁路不对称、不对称的非屏蔽电缆敷设、快速切换的逆变器及它们的共式电压会在电机中形成轴承电流，并在轴承中产生电蚀（使轴承滚动面变得粗糙，象洗衣板似的，如图3），使轴承过早损坏。前两种来源对工频电源和逆变器供电电机都是潜在的风险。最后一种来源只存在逆变器供电的电机中，其产生的高频轴接地电流、高频循环电流、电容性放电电流会增大轴承电蚀损坏的危险。

Busse 等人提出，PWM 逆变器驱动下电机轴承寿命可由以下公式求得：

Elec Life=7,867,204 X10-[2.17X (Apk/mm2)] 式中A pk /mm 2—轴承电流密度［5］

一般通过滚动轴承的最大电流密度不得超过1.5A/mm 2（SKF 、FAG 等轴承制造商提出的限值更低），否则轴承性能将严重恶化［6］。

因此，要提高异步牵引电动机轴承的寿命，就必须减小或阻隔流过轴承的电流，防止轴承电蚀，通常的有效方法是采用绝缘轴承（陶瓷或PPS 树脂绝缘轴承，如图4，采用轴承外圈滚道面绝缘处理，也有采用轴承内圈轨道面或滚动体绝缘处理的）。

5 轴承润滑及密封

对于高转速的异步牵引电动机轴承来说，特别是传动端因采用承受较高径向负荷、较大尺寸的轴承，该端轴承速度因数d m N 值就较高。但一般如d m N 值超过600，000时就不宜采用脂润滑，需采用油润滑。采用油润滑

后，一方面，可使轴承的额定转速比脂润滑时提高15～25%；另一方面，可通过减小小齿轮与传动端轴承之间