铁路机车异步牵引电动机轴承结构

1 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。 2 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dmN值[dmN=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Apk/mm2—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/mm2（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dmN值就较高。但一般如dmN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 3 的距离，减小了小齿轮的悬垂影响，减小轴承径向负荷，因此就允许使用尺寸更小的具有更高额定转速的轴承。

对于非传动端轴承来说，因其负荷小而采用尺寸较小的轴承，一般仍可采用脂润滑。

5.1 油润滑

一般，传动端轴承油润滑时采用循环油润滑，旋转的齿轮将齿轮油飞溅到齿轮箱壁，由齿轮箱壁集油沟汇集后，流入电机进油口，然后进入轴承，流过轴承后，从里端的油密封件回油槽流回齿轮箱。这时要求在轴承和转子之间有一个有效阻隔油流的密封结构。

5.1.1 润滑方式

润滑油起两个作用：一是形成并维持弹性的流体动压油膜，二是起冷却作用，将轴承滚动体摩擦产生的热量带走。而维持适宜的油膜所需润滑油是比较少的，但要起冷却作用则必须供给大量的润滑油。

一般宜采用小的进油量，低的润滑油液面或仅使润滑油流过轴承，另外，轴承结构还必须便于排油，不可使大量润滑油存积在轴承内，否则，会因过多的润滑油搅拌产生流体摩擦发热而进一步提高油温，而过多的润滑油被搅拌起来后更会增加密封的难度（特别是高速时）。但为有效地防止急加速及起动时轴承供油不足而磨损轴承，也可设置储油槽，以便轴承内的润滑油始终能维持在一个较低的液面高度，使轴承类似处于油浴润滑的状态（可以说是微小油浴状态）。

一般，运行中采用中等粘度的润滑油，如ICE动力车采用Optigear 220齿轮油，E120机车润滑油的粘度为ISO VG320 CLP齿轮油。但在试验台上空转运行时，宜采用高粘度的润滑油，如粘度400。

5.1.2 密封

由于油润滑的异步牵引电动机一般转速高，其密封处的圆周速度远远高于接触密封接触处的圆周速度限值（一般不超过4～5m/s [8] ），所以应采用非接触式密封方式。经常采用迷宫密封、间隙密封、离心密封等数种方式组合成的混合密封结构。

异步牵引电动机密封结构设计时，应充分利用流体最大阻力原理。

液体在压力作用下，从间隙中泄漏量可用下式表示：

Q=Av(cm3/s) ［9］

式中：Q——泄漏量，cm3/s；

A——间隙的总面积，cm2；

v——介质在间隙中的平均流速，cm/s。

从上式中可以看出，欲减少泄漏量，应尽可能减少间隙面积和介质在间隙中的流速，而间隙减少可显著增加流体流动的阻力，从而降低其流速。异步牵引电动机油润滑轴承可采用以下几种密封结构（或措施）中的一种或几种。

⑴ 迷宫密封——增加流体在间隙中流过的路程、突然改变流体在流程中的空间

因密封间隙中流体的流动阻力与其流过的路程成正比，所以迷宫密封结构中曲折的路径可增加流体在密封间隙中流过的路程，增加流体流动的阻力而增加密封作用。通过迷宫槽的设置可使流体在流程中的空间突然改变，使流体压力改变，使流体随之受到膨胀或压缩，从而造成其部分能量损失，导致流体流速降低而增加密封效果。

其中，直通型迷宫（仅轴向，如图1）主要靠减小间隙和增加空腔（环）的数量来保证其密封；交错型迷宫（轴向+径向，如图5，其中还采用了阶梯密封方式）与直通型迷宫相比，突然改变了流体在流动过程中的方向，可引起涡流，从而增加内摩擦损失和流动阻力，能增强其空腔的动能耗散而密封效果好，流体在在间隙中流动速度越大，其效果越显著。

在内油封上开设宽且深的回油槽（如图6），可有效破坏旋转的油流在轴上形成的油膜环和避免在回油槽空腔内形成高压，旋转的轴可将间隙中的润滑油飞溅到回油槽中并通过其下部的回油孔返回到齿轮箱中。

⑵ 间隙密封——减小间隙宽度 4 靠狭窄的密封间隙来阻挡流体向电机内泄漏，因流体流动阻力与密封间隙的平方成反比，所以减小密封间隙，可显著增加流体流动的阻力，从而降低其流速，增加密封效果，一般，间隙可取0.40～1.00m m（双边）。

图 5 交错型迷宫密封结构 图 6 内油封上宽且深的回油槽

⑶ 离心密封

有时，在紧靠轴承内端面的轴上套一个离心甩油环（如图1），既挡住漏油直通道，又可使轴向游移的油甩离轴颈后，从油室壁流下，其尺寸应刚好既保证稳固又不至于增加油室内油的搅动，轴向位置应尽量靠近迷宫密封处，考虑轴向窜动和膨胀以及方便拆装，取其与迷宫内壁的间隙为0.50～2.00mm [8] 。甩油环将有效地阻挡大部分流向电机内的润滑油，以及将其甩到内油封回油槽的空腔壁上，汇流到底部后，从回油孔返回到齿轮箱中。也可在轴承与内油封之间，装一环行挡油板（固定在端盖或内油封上），把轴承旋转时飞溅的润滑油，及时挡回到轴承内，并使其大部分从该挡油板下方的回油孔流回到齿轮箱。笔者认为这两个措施对有储油室（特别是轴承内润滑油液面高度较高而润滑油搅拌、飞溅厉害时）的轴承的密封将是行之有效的。

⑷ 间隙中填充粘性较大的流体（如润滑脂），也可起到增加流体流动阻力的作用，但必须考虑因其流失或被润滑油稀释、溶解，影响其持续有效性。

5.2 脂润滑

异步牵引电动机轴承的高转速、高温升等运行条件，将使油脂添加剂损失得更快，其添加润滑脂的间隔应大为缩短，而机车要求轻维护量的异步牵引电动机有长的润滑脂补充周期，所以有必要选用耐热性、耐久性好的复合型润滑脂，如日本300系及其后的新型新干线异步牵引电动机上采用复合锂基型润滑脂、蓝剑动力车异步牵引电动机4FHA7056C采用KLUBER的Isoflex Topas NCA52复合钙基型润滑脂、我国“中华之星” JD128异步牵引电动机采用RoyalPurple的UPG2#复合铝基型润滑脂。