HXD3型机车牵引电机故障的预防检查及办法探讨

于乃术

(济南铁路局 济南西机务段青岛整备车间,山东青岛266021)

济南西机务段青岛地区2009年3月份开始配属HXD3型交流传动电力机车用于客车牵引。先后于2009年8月30日HXD3-445机车第4牵引电机发生窜轴故障;2009年10月6日HXD3-441机车发生第6牵引电机冒烟故障;2009年10月14日HXD3-445机车第4电机轴承固着故障。HXD3机车牵引电机故障均在停车区间乘务员下车检查时发现,均未对旅客运输产生较大影响。

如何在现有的条件下尽可能在库内预防或提早发现HXD机车牵引电机故障,降低由此引发的机车运行事故是我段目前着重考虑的问题,下面就对此问题进行深入探讨。

1 HXD3型机车牵引电机的构造

HXD3型机车牵引电机是逆变器供电的三相鼠笼式异步YJ85A牵引电动机。该电机为滚抱结构,单端输出;采用强迫外通风,冷却风从非传动端进入传动端排出;采用3轴承结构,3个轴承均为绝缘轴承;传动端采用圆柱滚子轴承;非传动端采用双轴承结构,承受径向力的为圆柱滚子轴承,承受轴向力的为4点接触球轴承。在两端盖处设有注油口,使用中可补充润滑脂。

2 牵引电机故障的机理

(1)流经牵引电机轴承电流的影响

HXD3机车原边电流是通过受电弓进入机车,经高压隔离开关和主断路器,通过高压互感器进入机车,经25 kV高压电缆与变压器原边一端,变压器原边另一端通过6个并联回流装置EB1～EB6,从轮对回流至钢轨。如图1所示。

图1 机车主电路图

由于原边电流是通过轮对回流至钢轨,就会不可避免出现电流流经轴承表面的问题,电流流经轴承表面,就会产生电火花,从而熔融滚道表面,形成电流腐蚀。由此可在滚道表面形成可见斑点,在显微镜下可观察到斑点是由细小的凹坑簇集而成,进一步发展就可导致波纹状表面。这种斑点将导致轴承表面运行恶化、过热,从而引起轴承固着故障。

(2)轮对表面擦伤或剥离的影响

轮对表面出现擦伤或剥离问题,随机车高速运行,擦伤部位将对钢轨产生周期性冲击力作用,这种冲击力将会部分作用到牵引电机轴承上,速度越大这种冲击力越大,从而引起电机轴承故障。

(3)牵引电机轴承设计安装方式与齿轮齿形影响

HXD3机车牵引电机传动端采用圆柱滚子轴承;非传动端采用双轴承结构。HXD3机车牵引电机的齿端小齿轮与轮对采用斜齿配合。斜齿轮从原理上讲在传递力矩的过程将产生轴向力矩,这个轴向力矩随其传递径向力矩成正比。由牵引电机的轴承设计安装可知,整个轴向力均作用在4点接触球轴承上。这个轴向力随牵引电机不同转向而相反。4点接触球轴承从结构上讲,其承受轴向作用能力是有限的。过大的轴向力极易导致其发生故障,从而引起窜轴或固着。

3 机车小辅修时的牵引电机轴承质量控制预防措施

(1)回流装置EB1～EB6的检查

由流经牵引电机轴承电流影响机理分析可知,一旦回流装置发生故障或接触不良,原边电流不能通过回流装置流回到钢轨,势必将导致该回流电流部分通过轮对轴承和牵引电机轴承回流到钢轨。从而造成该处所的轴承出现电流腐蚀,这种腐蚀达到一定程度,就将导致运转中轴承过热固着,引发机车故障。

2009年10月14日HXD3-445机车第4电机轴承发生固着故障,在10月25日更换牵引电机后,11月4日小修发现回流装置EB4出现质量问题,该装置碳刷四周出现1 mm左右凹痕,存在卡阻现象,有过热及烧灼迹象。如图2所示。

图2 回流装置EB4出现的卡阻现象

从上述情况看,加强对回流装置EB的检查对预防牵引电机轴承故障是有一定意义的。因此,在防止牵引电机轴承故障的措施中,加强回流装置的技术检查是必不可少的,需引起技术管理人员的注意,将其纳入预防故障技术检查措施中进行落实,建议每次小辅修时打盖检查。

对回流装置的检查要求:①检查接地电刷不小于59 mm,接触面良好,不小于80%,连接线状态良好,连接应牢固。②集电环状态良好,无异物。③弹簧无裂纹,无变形。④各部固定螺栓紧固良好,密封良好。

(2)牵引齿轮箱的打盖检查

HXD3型大功率交流传动电力机车的辅修周期为走行5.0+5%万 km,修制安排为:辅—辅—小,小1—小2—小3—中 1,中1—中2—中3—大1。

因此定期在小辅修时打开牵引变速齿轮箱检查牵引电机油封状态,对提前预防牵引电机窜轴、轴承故障有良好的作用。

由于牵引电机油封由转子齿端过量程套管和电机齿端端盖组成的迷宫式油封,在外观上是看不到的,只能通过观察过量程套管外端与牵引电机齿端端盖位移变化进行判断。既通过用高度尺进行两端面距离测量,并将6个牵引电机端面检测数值进行比较,以此观察位移变动情况;同时,需再次将机车入库检查时运行的反方向牵引运行一段距离,再做上述测量,再观察位移变动情况,发现异常时,落电机分解检查。上述测量数据应予以保留,逐步做到在进行同期比较的同时同一电机的历史数据比较,对提前发现牵引电机故障更有指导意义。

(3)利用牵引齿轮箱换油时故障预防

牵引电机变速箱需15万km更换齿轮箱油,齿轮箱油型号为SHC75W90LS厂家Mobil,该油油质清澈,为暗红色。如在更换齿轮箱油时,发现油质变色,或出现黑色污浊或杂质时,必须打开齿轮箱检查孔盖检查牵引电机油封状态。

对牵引电机及齿轮箱结构研究发现,该结构不同于我国DF8B、DF4A、B型机车结构。电机齿端轴承出现问题发生润滑脂泄漏时,该油脂不会从电机齿端部流到电机外部,而是流到牵引变速箱内部(如图3所示),与牵引变速箱齿轮油混合;发生润滑脂流出时,从外观是看不到有油溢出的痕迹。因此如换油时发现油质异常,就必须注意,及时打盖进行检查。

HXD3-0445机车2次发现第4牵引齿轮箱底部有油迹时都是在牵引电机故障轴承固死后出现的,在这之前没有任何先兆。原因就在于HXD牵引齿轮箱与牵引电机结合设计的这种特殊结构。这种结构设计只有在电机发生轴承固死故障,牵引齿轮箱发生严重弹性变形时,才会有齿轮油从弹性变形产生的空间间隙内(原密封结合面被变形破坏)泄漏出来,变形恢复,泄漏消除,只留下了能从齿轮箱外部看见的油迹。因此,只有在发生故障时才会有润滑脂泄漏,有油迹出现。

图3 电机齿端轴承发生润滑脂泄漏时的情况

4 运用机车牵引电机质量控制预防措施

(1)利用机车牵引电机保护监视系统预防控制

由HXD3型机车主回路(图1)可以发现,在每一组牵引变流器的输出回路中,设有输出电流互感器CT U、CTW,见图4所示,对牵引电机过载及牵引电机三相不平衡起控制和监视保护作用,牵引电机过载保护的动作值为 1 400 A(10 μ s和 1 ms);发生保护时,四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁,输入回路中的工作接触器断开,同时向微机控制系统发出跳主断的信号。

图4 机车主电路的平衡控制和监视保护电路

由于牵引电机轴承出现故障,将导致电机过载,从而导致过载保护动作,因此途中出现牵引电机发生过流时,TCMS显示屏显示故障,对该到达机车,非常有必要入库进行打盖检查。确认是否出现窜轴等电机故障。

同时对途中出现上述保护报警时,还需要乘务员在就近可停车地点下车进行手摸检查电机及轮对,是否存在温度过高。及时采取措施,避免事故扩大化。

(2)牵引电机接地故障处理

当牵引电机接地时,TCMS会发出跳主断的命令,同时显示屏会显示相应的故障。此时将司控器主手柄回“0”位,按“复位”按钮,如能合上主断,手柄能提到位,观察牵引电机牵引力,如发现一个及一个以上电机无牵引力,则根据牵引吨数来确定是否继续牵引或是将整列车维持运行到下一个车站。如合不上主断,或是提手柄后就跳主断,应立即隔离相应的CI,然后就能合上主断、提手柄。维持运行,到达就近可停车区段时,乘务员要停车下车手摸检查电机机体是否存在温度过高,同时通过通风窗对牵引电机内部进行观察,要预防电机爆膛及出现其他故障。并及时采取措施,避免事故扩大化。

对出现接地故障报警的到达机车,必须进行技术检查。测量绝缘电阻:用1 000 V兆欧表测量定子绕组冷态绝缘电阻不低于100 M Ω;用500 V兆欧表测量转轴对定子的绝缘电阻不低于5 MΩ。测量定子绕组线电阻,换算到20℃时,其值应与典型值0.079 48 Ω的相对误差不超过±10%。

(3)电机转速显示出现故障

当机车正常运行时,出现严重空转或无转速,这是电机转速传感器信号没有正常传送到TCMS中去,可能是传感器本身故障,也可能是传输线路问题,或电机窜轴导致传感器失效故障。2009年8月30日发现HXD3-445机车第4牵引电机发生窜轴故障就是在电机转速显示无转速时,打开防护罩检查电机转速传感器时发现的。

在运行中出现上述情况时,乘务员要在就近停车地点停车下车手摸检查电机轴承端盖部位,是否存在温度过高。对该车入库后应及时将途中信息反馈整备车间专业工程师,反馈信息要详细,并将个人手机号码留下,以便在判断故障需要进一步了解信息时,能及时进行沟通。提高对故障的判断处理。

(4)加强轮对踏面检查来预防牵引电机轴承故障

对轮对踏面施行趟检,对踏面擦伤或剥离达到技术规定的限定要求时,必须及时进行更换。踏面发生剥离或擦伤产生周期性冲击对机车牵引电机的轴承影响是间接的,需要一定的时间累计,其引发的故障往往因时间较长,最终导致故障归罪于轴承质量不良所致,使故障的真正原因被忽视或被掩盖。

因此,对走行部质量控制要树立防微杜渐的思想。实际工作中,往往出现因轮对准备不到位,对踏面擦伤或剥离超限轮对采取维持使用观察,这样的作法是不可取的。这种作法极易造成地勤检查人员的质量安全意识淡化,轻视走行部质量检查,而且由于踏面冲击力的作用随机车运行速度而变化,这种变化导致轴承发生不确定性故障,极易导致发生重大运输事故。

踏面擦伤、剥离的技术检查要求如下:车轮踏面擦伤深度不大于0.7 mm;车轮踏面剥离长度不超过40 mm,且深度不超过1 mm;轮对踏面磨耗不大于7 mm,轮缘厚度不小于23 mm。工作中应严格遵守此规定。

5 通过改变选用的轴承来降低轴承故障的建议

HXD3机车牵引电机的齿端小齿轮与轮对采用斜齿配合。斜齿轮从原理上讲在传递力矩的过程中将产生轴向力,这个轴向力与其传递径向力矩成正比。通过分析可以看出,4点接触球轴承主要承担轴向力,并起着转子轴向定位的作用。如果4点接触球轴承出现故障,才会出现窜轴故障。因此,建议将4点接触球轴承改为双列圆锥滚子轴承,将轴向力的承担分别由两列圆锥滚子轴承来承担,提高其承受轴向作用的能力。这对提高牵引电机工作可靠性是有帮助的。下面对两种轴承略作简化分析,以示对比。

单列圆锥滚子轴承:当量动负荷计算为

单列向心球轴承(4点接触球轴承):当量动负荷计算为

单列大锥角圆锥滚子轴承,取e为1.5tanβ时,Y取 0.4ctanβ(β取 25°～ 29°);单列向心球轴承,取 e最大值0.44时,Y取1(e取值越小,Y取值越大)。

取当量动负荷P相等,将上述条件代入公式(1)、(2)可推导出

式中,Fα为轴向力;Fγ为径向力;Y为轴向系数;e为与轴承实际接触角β有关的参数。

由于HXD3交流传动电力机车投入使用时间较短,牵引电机发生故障后,都是由厂家运回分解,现场站段一般很难具体了解到发生故障的实际原因,这就为现场如何预防、发现故障带来困难。造成牵引电机轴承故障的原因是多方面的,通过对HXD机车的运用、故障现象、原理机制作出系统分析,希望能对提前发现HXD机车牵引电机故障以及预防发生运行故障提供一些有益的帮助。

[1] HXD3型大功率交流传动电力机车保养使用说明书(1)、(2)[Z].中国北车集团大连机车车辆有限公司,2006.

[2] HXD3型大功率交流传动电力机车维修手册[Z].中国北车集团大连机车车辆有限公司,2006.

[3] 机械设计手册 (上册) (第2分册) 第2版(修订)[M].北京:化学工业出版社,1987.