【地鐵車輛牽引電機軸承電腐蝕問題及防范建議分析】14000字（論文）

地鐵車輛牽引電機軸承電腐蝕問題及防范建議分析摘要：本文提出了地鐵車輛牽引電機在運行中出現(xiàn)軸承電腐蝕的問題，敘述了軸承出現(xiàn)電腐蝕對于軸承的破壞方式，通過對于電腐蝕產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，引出了由于采用PWM逆變器而引起的軸電壓的產(chǎn)生是出現(xiàn)軸承電腐蝕的主要原因。隨后對于軸電壓的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，指出產(chǎn)生軸電壓的原因主要是由于電機本身結(jié)構(gòu)的原因，由于使用電壓型變頻器，產(chǎn)生了高頻電壓，在電機基座和組件構(gòu)成的導(dǎo)電回路中導(dǎo)致了軸電流的產(chǎn)生，從而使軸承出現(xiàn)了電腐蝕。通過對于其產(chǎn)生機理的分析，得出了不同的抑制措施，通過對比分析，得出使用接地環(huán)為抑制軸承電腐蝕地最佳方案。隨后文章通過對于上海某號線地鐵出現(xiàn)的電腐蝕問題，進(jìn)行了添加接地環(huán)的測試實驗，實驗對比了引入接地環(huán)前后的軸承電壓的峰值大小，驗證了引入接地環(huán)對于軸電壓的抑制。關(guān)鍵詞：電腐蝕；牽引電機；軸承；軸電壓目錄摘要Ⅰ關(guān)鍵詞ⅠTOC\o"1-3"\h\u1緒論 I1緒論背景和研究意義伴隨著目前我國科技的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)也變得日益成熟，并且已經(jīng)完全可以實現(xiàn)對交流牽引電機進(jìn)行平穩(wěn)和可靠的無級調(diào)速，相較于交流牽引電機與直流牽引電機，交流牽引電機結(jié)構(gòu)更為簡單、可靠、體積較小、重量也較輕，所以更適合城市軌道車輛對電機的安裝空間和電機重量等方面的一些要求，更重要的是，交流牽引電機具有功率大、噪聲小、過載能力強、調(diào)速范圍較寬、可靠性較高、維護保障更為方便、運行平穩(wěn)舒適、節(jié)約電能等優(yōu)點，故成為現(xiàn)代城市軌道交通牽引電機的首選。但交流電機在軌道交通行業(yè)的大范圍使用的過程中，同時也暴露出來一些問題。如某類型地鐵的牽引電機現(xiàn)場測試中，出現(xiàn)軸電壓過大，電機軸承出現(xiàn)電腐蝕的情況。諸如此類的問題給地鐵車輛的正常運行帶來了非常大的隱患，因此，則需要對該類現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，以及如何抑制其產(chǎn)生進(jìn)行綜合研究，此研究對提高系統(tǒng)運行的可靠性，保障地鐵運行的安全性、經(jīng)濟性具有極其重要的意義。1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對于軸電壓和軸電流的研究范圍較為廣泛，主要對軸電壓和軸電流的產(chǎn)生機理及抑制方案進(jìn)行了較為深入地研究。白寶東[1]建立出PWM驅(qū)動感應(yīng)電機系統(tǒng)的參數(shù)共模等效電路模型，并給出了有關(guān)參數(shù)的一些計算公式，為軸電壓原理的表明提供了重要依據(jù)；王剛[2]對變頻電機軸電壓的產(chǎn)生機理同樣進(jìn)行了深入地研究。鑒于在地鐵車輛中變頻電機的大規(guī)模使用，所以如何解決地鐵電機中的軸承電腐蝕問題便是當(dāng)前的研究熱點之一。陳中杰[3]對牽引電機軸承電腐蝕的現(xiàn)象及產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)主要是由軸電壓和軸電流所引起的；閆光臨[4]針對地鐵車輛的軸承電腐蝕問題，通過分析其產(chǎn)生原因，同樣提出軸電壓和軸電流對此的影響，并提出了解決措施，且通過加裝接地環(huán)進(jìn)行了驗證，效果較好。除此之外我國對于各地區(qū)的地鐵車輛的軸電壓軸電流以及所造成的電腐蝕在具體車型中的研究和測試，為我對地鐵車輛牽引電機軸承的電腐蝕機理和抑制措施提供了有力借鑒。尚江傲[5]通過對廣州地鐵128增購項目牽引電機存在異響問題地分析，表明了其電腐蝕產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的改善措施，為我研究地鐵車輛軸承電腐蝕隱患解決措施提供了積極幫助。黃初平[6]介紹了軸電壓的產(chǎn)生機理和危害，并提出了抑制牽引電機軸電壓的措施，一是調(diào)整電機機殼，二是引入接地環(huán)，為我研究地鐵車輛軸承電腐蝕的產(chǎn)生機理和軸電壓的抑制措施提供了有力幫助；劉瑞芬[7]提出使用絕緣軸承對軸電壓進(jìn)行抑制的方法，并且通過建立模型和仿真驗證了其方法的有效性。1.2.2國外研究現(xiàn)狀國外對于承受電應(yīng)力后軸承的表面狀況的研究也較為早，且對于電蝕有著較為詳細(xì)的理論基礎(chǔ)，使我能夠更加全面細(xì)致地對軸承在電應(yīng)力下的表面進(jìn)行分析。TZika等人在文獻(xiàn)[15]中概述了感應(yīng)電機中經(jīng)典和變頻器感應(yīng)的虛假軸承電流，并討論了是由電流通過引起的典型損壞模式，為進(jìn)一步研究高頻電流下的軸承損壞打下了基礎(chǔ)，同時對軸電壓產(chǎn)生機理做了研究，發(fā)現(xiàn)軸電流的產(chǎn)生主要是由存在靜電荷、磁通不對稱、共模電壓等因素的結(jié)合導(dǎo)致的，其研究讓我對于軸承電流以及電腐蝕有了更進(jìn)一步的理解。1.3本文研究方法介紹本文針對某地鐵的牽引電機現(xiàn)場測試軸電壓過大，電機軸承出現(xiàn)電腐蝕問題，將通過有目的、有計劃、有系統(tǒng)地搜集有關(guān)研究對象現(xiàn)實狀況來或歷史狀況的材料，先對軸承電腐蝕的問題進(jìn)行分析，通過對于其產(chǎn)生原因的分析研究，引出軸電壓是產(chǎn)生電腐蝕的主要原因，之后對軸電壓進(jìn)行分析，提出抑制措施，對比驗證后發(fā)現(xiàn)引入接地環(huán)為抑制方案的最優(yōu)選，最后比較使用抑制措施前后的軸承狀態(tài)，比較結(jié)果進(jìn)行分析，最終得出結(jié)論。

2軸承電腐蝕的問題分析2.1軸承電腐蝕示例電腐蝕產(chǎn)生的具體的原因，其原因可以將其分為電壓過大、電流泄漏兩種。當(dāng)軸承上的電壓過大時，電流將會通過滾珠和潤滑油膜，在軸承上從軸承一端的套圈，一直傳遞到另一端的套圈，并且在接觸區(qū)內(nèi)，電流也會進(jìn)行放電擊穿。在套圈和滾珠之間的接觸區(qū)內(nèi)的電流，其電流強度將會增大很多，并且也會造成在非常短的時間間隔內(nèi)，導(dǎo)致接觸區(qū)局部受熱，使接觸區(qū)發(fā)生熔化，并容易產(chǎn)生焊接在一起的糟糕狀況。當(dāng)電壓過大造成擊穿時，會導(dǎo)致的軸承的損傷表現(xiàn)大致分為以下幾種：軸承滾道及滾珠表面會產(chǎn)生直徑不高于100μm的環(huán)形坑（見圖1、圖2）。隨著時間的不斷增長，環(huán)形坑可能也會變成為波紋狀凹槽（見圖3、圖4），凹槽與凹槽之間的間距相同，底部顏色較為暗沉。圖1電流通過形成的環(huán)形坑圖2滾珠和滾道上的環(huán)形坑圖3內(nèi)圈滾道上波紋狀凹槽和顏色發(fā)暗的鋼球圖4電流泄露形成的波紋狀凹槽電流由于通過軸承與滾珠，在軸承上的滾道，即接觸位置，將會產(chǎn)生一些金屬的熔融，在軸承上的外圈滾道，將會出現(xiàn)較為明顯的由于電腐蝕，造成的的具有周期性的波紋狀的痕跡，由于這些表面缺陷的形成，將會導(dǎo)致軸承磨損得更快，并且燒傷組織也會在熔融位置產(chǎn)生。這種由電腐蝕造成的損壞痕跡通常出會現(xiàn)在軸承、密封圈以及軸頸的表面,而且有時候這種損壞痕跡同樣也會出現(xiàn)于齒輪上。當(dāng)這種損壞痕跡的出現(xiàn)面積進(jìn)行增大的時候,在軸承內(nèi)部外圈表面將會失去金屬光澤，軸承表面出現(xiàn)類似于被氧化的狀態(tài)。但是，在這種痕跡出現(xiàn)的早期，人們用肉眼卻很難發(fā)覺。但是在當(dāng)用50倍至100倍的顯微鏡進(jìn)行觀察時，發(fā)現(xiàn)這種電腐蝕損傷所引起的傷痕是一個個的小凹坑，在小凹坑的內(nèi)壁不僅較為圓滑而且具有光澤，很明顯這種腐蝕的痕跡是被熔化所導(dǎo)致的，這便是電腐蝕引起的損傷與機械磨損和化學(xué)腐蝕的不同的地方。只有出現(xiàn)局部放電擊穿，引起的瞬間高熱量才會產(chǎn)生這種現(xiàn)象。除了凹坑狀的電腐蝕之外，也會出現(xiàn)類似于劃痕狀的電腐蝕。這種電腐蝕造成的劃痕在外觀上與機械劃痕非常類似，但是不同的地方是，電腐蝕造成的劃痕在轉(zhuǎn)向處有棱角狀痕跡，而由于小顆粒的磨損造成的普通的機械劃痕是不會有類似這種突然的轉(zhuǎn)向的。我們在顯微鏡下可以發(fā)現(xiàn)，電腐蝕劃痕不僅在劃痕周圍，而且在這種劃痕的底部同樣是圓滑并且具有光澤的，而且在一定的區(qū)域內(nèi)，電腐蝕引起的劃痕深淺幾乎一樣，但是機械劃痕通常不會像電腐蝕劃痕一樣圓滑，而且機械劃痕深淺不同。如此說明，這種電腐蝕劃痕的產(chǎn)生，是由于產(chǎn)生高熱量導(dǎo)致的金屬熔融，并且其也同樣是由于放電擊穿油膜所導(dǎo)致的。綜上所述，以上現(xiàn)象是存在于電機運行中的，是軸承中存在的一種電腐蝕現(xiàn)象。而且據(jù)研究表明，此種電腐蝕是由于旋轉(zhuǎn)機械中存在的軸電壓所造成的。2.2電腐蝕產(chǎn)生原因分析軸承如要發(fā)生電腐蝕，其必要條件是軸承中肯定有存在電流，而軸電流的產(chǎn)生根本原因是電勢差的產(chǎn)生，即軸電壓的產(chǎn)生，因為產(chǎn)生了軸電壓并且在組件和機座之間產(chǎn)生了閉合回路進(jìn)而導(dǎo)致了軸電流的產(chǎn)生。根據(jù)國內(nèi)外的多項研究，有很多種情況即為產(chǎn)生軸電壓從而導(dǎo)致軸承出現(xiàn)電腐蝕損傷。2.2.1電機結(jié)構(gòu)原因在電機運行時，同一轉(zhuǎn)動軸承的兩端之間或是不同轉(zhuǎn)動軸承與轉(zhuǎn)動軸承之間所產(chǎn)生的電位差，我們將其稱作軸電壓，如果轉(zhuǎn)動軸承兩端通過電機機座和組件等部件構(gòu)成導(dǎo)電閉合回路，則軸電壓就會引起軸電流的形成。軸電壓的產(chǎn)生，是伴隨著電機的不斷旋轉(zhuǎn)的，在一般工況下，電機的軸電壓的產(chǎn)生原因有磁路不平衡、靜電感應(yīng)等。在正弦波的工作頻率下，并且是由接觸網(wǎng)進(jìn)行供電的情況中，正常情況下轉(zhuǎn)動軸承兩端的電勢差相對較小，此情況下對軸承造成的影響可以忽略不計。因為電機軸承在運行中不斷旋轉(zhuǎn)，故會產(chǎn)生電位差，而軸承與電機中機座等組件會構(gòu)成導(dǎo)電回路，且導(dǎo)路阻抗由于電機材料原因過小，因此不會阻隔軸電流的流通，故較容易產(chǎn)生電腐蝕。2.2.2供電電源原因目前，采用PMW逆變器進(jìn)行供電的方式在城市軌道車輛中應(yīng)用較為廣泛，PWM逆變器原理是依靠改變脈沖寬度從而控制輸出電壓，通過改變周期從而控制頻率，當(dāng)采用PWM逆變器進(jìn)行供電時，電機所產(chǎn)生的軸電壓主要是電源三相輸出電壓,即Y形接法的矢量和不為零的零序分量產(chǎn)生。PMW逆變器會導(dǎo)致驅(qū)動系統(tǒng)中的高頻諧波成分增多，而產(chǎn)生的這些諧波分量，即一個周期電氣量的傅里葉級數(shù)中次數(shù)大于1的整數(shù)倍分量，這個諧波分量在轉(zhuǎn)軸、定子繞組等部分會產(chǎn)生電磁感應(yīng)，電機內(nèi)所分布電容存在的電壓耦合作用將會構(gòu)成系統(tǒng)共?；芈?，這種共?；芈冯妷?，即多個輸入端上共同存在的對地電壓，其振蕩頻率較高并與轉(zhuǎn)子耦合，產(chǎn)生轉(zhuǎn)軸對地的脈沖電壓，該共?；芈冯妷簩⒃谙到y(tǒng)中產(chǎn)生零序電流，電機軸承便是這個零序回路組成的一部分。軸電流便是軸電壓通過電機軸、軸承、定子機座或輔助裝置等部件所構(gòu)成的導(dǎo)電閉合回路后產(chǎn)生的。2.3電腐蝕機理總結(jié)通過對軸電壓和軸電流的分析,可以看出，在感應(yīng)電動機驅(qū)動系統(tǒng)中，共模電壓是軸承軸電壓及軸電流問題產(chǎn)生的根源。由于逆變器在電動機定子繞組中產(chǎn)生的共模電壓、耦合至電動機轉(zhuǎn)子引起軸電壓，從而導(dǎo)致軸電流。通過建立電動機的內(nèi)部耦合參數(shù)模型，可以確定軸電流的流通路徑。由上文可以看出，電腐蝕對于軸承的損傷較為嚴(yán)重，而電腐蝕產(chǎn)生機理是因為電機本身結(jié)構(gòu)和電機電源供電方式等原因產(chǎn)生了軸電壓和軸電流而引起的，所以對于軸電壓和軸電流問題的分析便顯得尤為重要。

3軸電壓及軸電流的問題分析3.1軸電壓及軸電流的產(chǎn)生機理除了以上所介紹的部分原因之外，影響軸電壓的產(chǎn)生，可以歸結(jié)為兩方面的原因，即電機本身結(jié)構(gòu)的原因和電機供電方式的原因。當(dāng)由正弦波為電機進(jìn)行供電時，電機的定子環(huán)路磁通會在由軸、軸承、端蓋和機座組成的閉合導(dǎo)電回路中產(chǎn)生軸電壓。當(dāng)軸電壓超過其峰值500mV時，在回路中有可能會產(chǎn)生環(huán)形電流，該環(huán)流則會在相對比較短的時間內(nèi)對軸承造成損壞。在環(huán)路中的磁通所產(chǎn)生的原因是由定子軛部的磁路不對稱引起的。針對于此種原因所產(chǎn)生的軸承電腐蝕，可以通過在轉(zhuǎn)軸一端或者轉(zhuǎn)軸兩端采用絕緣軸承，比如使用陶瓷軸承，此方法可以有效地對回路進(jìn)行阻斷，進(jìn)而阻斷軸電流。電壓型變頻器供電也是軸電流的產(chǎn)生從而引起軸承電腐蝕的重要因素之一。當(dāng)電動機由電壓型變頻器進(jìn)行供電，即由PWM變頻器供電時，電動機中會存在一個全新的軸承電流源，即所謂的高頻共模電壓。而電壓源型變頻器，在PWM逆變器測控制方式下，盡管在輸出端，電壓相位相差120度，但三者之和并不等于零，因此會導(dǎo)致存在很高的共模電壓，也稱其為零序電壓。由于PWM變頻技術(shù)所存在的的脈沖性質(zhì)，PMW逆變器輸出的電壓脈沖會在非常短的時間內(nèi)，快速上升或快速下降，也就是意味著會存在很高的電壓變化率，當(dāng)這種高頻的電壓的變化率在電機內(nèi)部的寄生電容上作用時，不僅在電機內(nèi)部會產(chǎn)生電流，而且由于電容的不斷累積，還會使得轉(zhuǎn)子的軸電壓升高。共模電壓是因為PWM變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和其控制方式所存在的，此共模電壓包含了與輸出電壓的諧波分量相互關(guān)聯(lián)的頻率分量。而且三相共模電壓是相同的，即可以看作為電壓的零序分量。此共模電壓的所產(chǎn)生的幅值的大小與共模電流的阻抗的大小有密切關(guān)系，并且此共模電流最終會一直流通到逆變器的中心點。此共模電壓的大小，其與定子繞組與轉(zhuǎn)子之間的電容，并且和轉(zhuǎn)子與基座之間的電容以及與軸承本身的電容有關(guān)，如果軸承上存在的電壓的峰值比其擊穿電壓值還要大，還會出現(xiàn)短時間的放電電流。該放電電流的重復(fù)頻率將會隨軸承電壓數(shù)值的增大而增大，也會伴隨脈沖頻率的增加而增加。故因為用PWM逆變器進(jìn)行供電，會產(chǎn)生軸電壓及軸電流，對軸承造成電腐蝕的危害。電機中存在的磁路不對稱會產(chǎn)生低頻軸承電流。非對稱磁路在軛部會產(chǎn)生一個圓型的交流磁通，即環(huán)形磁通，在電機的軸、軸承、端蓋和機座所構(gòu)成的導(dǎo)電閉合回路中，此環(huán)形磁通會感應(yīng)出交流電壓。如果所感應(yīng)的電壓的峰值較大，并且其電壓大小能夠擊穿潤滑油膜，那么電流就會流過該導(dǎo)電閉合回路，同時也流過兩端軸承，因此而產(chǎn)生軸電流，導(dǎo)致對軸承造成電腐蝕的損傷。對于這種產(chǎn)生原因，解決的方法一般是采用絕緣軸承，比如使用半陶瓷軸承，此絕緣軸承能夠隔斷電流通路。一般來說城軌車輛牽引電機內(nèi)部的軸承大多數(shù)都采用絕緣軸承，因此不會存在由于磁路不對稱而產(chǎn)生的軸承電壓及軸承電流。在高頻電壓下同樣會產(chǎn)生高頻電流。在通常正常情況下，典型的三相正弦波電源是平衡又對稱的，此電源的中性點電壓為零。但是，當(dāng)采用脈沖寬度調(diào)制（即使用PWM逆變器）切換的三相電源供電時，由于PWM逆變器是在一瞬間將直流電壓轉(zhuǎn)換為三相交流電壓，即使轉(zhuǎn)換后的交流電壓的基頻分量是對稱并且是平衡的，但是利用此變頻技術(shù)，無法在切換的瞬時使得三相輸出的電壓之和為零，中性點電壓也會因此不為零，由于中性點的電壓不為零，共模電壓也便會因此產(chǎn)生，所以中性點的電壓不為零就是共模電壓的根本來源。因為存在共模電壓，則會產(chǎn)生電機端處的高頻共模電壓，此電壓會在閉合回路中產(chǎn)生共模電流，其中一部分電流會流過電機軸承或傳動設(shè)備的軸承，引起軸承的電腐蝕，對軸承表面造成損傷。除此之外，還有一些常見的產(chǎn)生軸電壓和軸電流的原因。城市軌道車輛的電動機因為存在扇形沖片、硅鋼片等部件疊加安裝的原因，加上存在鐵芯槽、通風(fēng)孔等部件，易造成在磁路中存在著不平衡的磁阻，并且在轉(zhuǎn)軸的周圍存在交變磁通量，會對轉(zhuǎn)軸進(jìn)行切割，在轉(zhuǎn)軸的兩端會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，產(chǎn)生感應(yīng)電壓從而導(dǎo)致了軸電壓的產(chǎn)生。在地鐵車輛運行的現(xiàn)場，周圍環(huán)境設(shè)備多為高電壓設(shè)備，較多的高壓設(shè)備會產(chǎn)生較強的電場，電機軸在高壓設(shè)備產(chǎn)生的強電場的作用下，由于存在靜電感應(yīng)，便也會在轉(zhuǎn)軸的兩端感應(yīng)出軸電壓。軸電壓也會因為外部電源而產(chǎn)生。在車輛運行現(xiàn)場，電路接線通常比較繁瑣復(fù)雜，特別是大電機與測量元件的接線相對更多，如果出現(xiàn)帶電線頭搭接在轉(zhuǎn)軸上的情況，則也會引起軸電壓的產(chǎn)生。另外還有其他原因，例如靜電荷的積累、測溫元件絕緣處破損等另外因素也都有可能是軸電壓的產(chǎn)生的原因。在軸電壓產(chǎn)生后，一旦在轉(zhuǎn)軸及機座、殼體間形成導(dǎo)電閉合回路，便會產(chǎn)生軸電流。綜合其產(chǎn)生原因，可以發(fā)現(xiàn)，由于電機本身結(jié)構(gòu)和供電方式的兩種原因，極可能產(chǎn)生軸電壓，而軸電壓的存在并不是一定會引發(fā)軸電流，還需要再有一個閉合導(dǎo)電回路，產(chǎn)生電勢差而導(dǎo)致有軸電流的產(chǎn)生。從以上產(chǎn)生機理的分析，抑制措施則主要可以從兩個思路來施加方法：短路，如采用接地環(huán)；斷路，使用絕緣軸承等。3.2抑制措施根據(jù)軸承電流產(chǎn)生的原因及電流的流通路徑，抑制軸承軸電壓的產(chǎn)生的措施可通過以下兩個方面來進(jìn)行抑制：一是消除軸承電壓的來源，消除軸承電壓也就不會導(dǎo)致產(chǎn)生軸承電流，此方法可以從根本上解決軸承電流引起的電腐蝕對軸承表面所帶來的損傷；二是通過對軸承進(jìn)行絕緣或者增加回路存在的電流的泄放的角度，從而抑制電腐蝕，保護軸承。根據(jù)軸承電腐蝕的產(chǎn)生機理和進(jìn)行的理論分析，基于以上的分析，消除軸電壓軸電流的方法要為減小或消除共模電壓以及改變軸電流的流通路徑這兩方面。故對于軸承電腐蝕的抑制方法將主要從以下幾個方面采用優(yōu)化措施。3.2.1改善控制電路和控制策略共模電壓是由驅(qū)動模塊所產(chǎn)生的，所以控制共模電壓可以通過改變逆變電路方式的控制策略，利用此方法能夠有效的減小甚至于完全消除共模電壓。例如，可以采用雙橋逆變器，雙橋逆變器所產(chǎn)生的共模電壓小于傳統(tǒng)逆變器電路所產(chǎn)生的共模電壓。但是使用雙橋逆變器既增加了器件的數(shù)量又增加了開關(guān)的損耗，因此，此方法需要根據(jù)實際情況和運行工況來選擇才能夠進(jìn)行使用。3.2.2采用電刷接觸進(jìn)行抑制在電動機轉(zhuǎn)軸和機座之間使用電刷進(jìn)行接觸，使用電刷等同于直接對軸承內(nèi)圈和軸承外圈進(jìn)行短接，并且能夠有效地消除軸承內(nèi)圈和軸承外圈之間存在的電勢差，從而能夠提供一個從電動機轉(zhuǎn)軸連接到電動機外殼且阻抗較低的并聯(lián)通路，此方法從理論上講是最優(yōu)方案。但其不足之處是，如果電刷采用碳刷對軸承內(nèi)圈和外圈進(jìn)行短接，毫無疑問將會增加電機維護的工作量。接地電刷通常每兩至三年需要進(jìn)行維護或更換，使得維護工作較為繁瑣，并且電動機的機殼應(yīng)與地面充分接觸，但這種方法能保證軸承免受軸電流引起電腐蝕對軸承造成損壞。因此，相比于使用電刷進(jìn)行接觸進(jìn)行抑制，則更建議采用接地環(huán)方案，使用接地環(huán)能夠更有效便捷地解決維護方面的問題，并且該方案已經(jīng)在國內(nèi)外的牽引電機中開始運用。3.2.3采用更高性能的絕緣性軸承根據(jù)軸電流的流通路徑，通過對軸承進(jìn)行絕緣處理，也是一種能夠避免軸承中產(chǎn)生軸電流的有效方法。通過對軸承進(jìn)行絕緣處理，可以阻斷電流流通路徑，不讓軸承電流通過回路進(jìn)行放電，從而使得保護軸承的目的能夠達(dá)到。隨著新材料以及新科技的發(fā)展，目前的絕緣軸承存在有三種類型:外圈絕緣軸承、內(nèi)圈絕緣軸承、陶瓷混合滾子軸承。由于外圈絕緣軸承是對軸承外圈進(jìn)行絕緣涂層，故只能絕緣低頻軸電壓，而不能有效地對高頻軸電壓進(jìn)行絕緣，而且電壓需要由潤滑油膜承受，因此相比較內(nèi)圈絕緣的軸承，外圈絕緣軸承更容易產(chǎn)生軸電流而引發(fā)電腐蝕，但如使用內(nèi)圈絕緣軸承，則對軸承裝配和維護方面的要求很高，并不是最為有效直接的方法。此外，陶瓷混合軸承也能有效防止電腐蝕，但是其缺點在于加工困難，成本高，價格貴，且耐沖擊性能差，所以城市及軌道車輛牽引電機中使用陶瓷混合軸承也不是能夠解決軸電流造成的電腐蝕危害的最佳方案。3.3.4采用濾波器利用濾波器的原理可以直接有效地減小逆變器側(cè)產(chǎn)生的共模電壓,從而能夠達(dá)到抑制電動機軸承的軸電壓和軸電流的效果。逆變器所輸出的脈沖電壓，在經(jīng)過電感器后會將完全成為的正弦波電壓。這樣便可以較為有效地消除軸承電壓與軸承電流。逆變輸出濾波器有效地降低了電機輸入脈沖電壓的電壓上升率,通過采用濾波器這種方法,電機內(nèi)分布電容的耦合作用便會有效地進(jìn)行減弱,軸電壓以及由軸電壓引起的電流都會下降，同時由于電壓變化率引起的電壓變化率電流同樣也會明顯減少，因此采用濾波器可以有效地抑制軸承電流的產(chǎn)生。目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對于濾波器的研究已經(jīng)取得了顯著的成果。同時，隨著濾波器技術(shù)的不斷發(fā)展，其的空間也將不斷減小，并且在減小軸電流方面相比于其他對電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變的方法，顯得更為方便和有效。但由于城軌車輛中常見的有源濾波器造價太高，并且易受硬件條件的限制，而且會增加牽引逆變器的體積和重量，顧采用濾波器不作為解決電腐蝕問題的最佳處理方案。3.2.5引入接地環(huán)接地環(huán)的本質(zhì)上是對電路進(jìn)行短路，其主要材料是呈圓周布置的高性能導(dǎo)電纖維，接地環(huán)外圍是鋁合金框架，其安裝示意圖如圖5所指示。圖5接地環(huán)安裝示意圖在實際工程應(yīng)用中，越來越多的電機采用絕緣軸承，即將軸承外圈與安裝底座進(jìn)行絕緣，但也因此無法直接對軸承內(nèi)外圈進(jìn)行短接。故可以使用接地環(huán)將電機外殼與轉(zhuǎn)軸進(jìn)行短接，從而有效地降低軸電壓。接地環(huán)利用其特殊的導(dǎo)電纖維材料，引導(dǎo)使產(chǎn)生的軸電流能夠通過軸承端蓋接地，從而避免軸電流引起的電腐蝕對軸承及其相關(guān)設(shè)備造成損壞，能夠有效解決軸電壓問題，避免軸承的電腐蝕損害。3.3措施對比結(jié)果采用接地環(huán)對比傳統(tǒng)的碳刷，絕緣軸承等解決方案，具有高效，免維護，壽命長，易安裝等優(yōu)點。綜合分析以上的對于軸電壓引起電腐蝕的抑制方案，采用接地環(huán)對于設(shè)備器件的消耗較少，且安裝和維修都較為方便，安裝便捷，能夠更為運營企業(yè)所接受，因此引入接地環(huán)為最優(yōu)方案。

4實驗驗證伴隨著目前電機驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，利用PWM逆變器進(jìn)行脈沖寬度的調(diào)整控制（簡稱脈寬調(diào)制控制技術(shù)）獲得了越來越廣泛地應(yīng)用。尤其是應(yīng)用于，需要非常無誤并且精準(zhǔn)地控制下的地鐵列車的牽引電機。在以往，地鐵牽引電機故障通常是因為缺乏潤滑油而導(dǎo)致的機械振動沖擊，或是由于牽引電機不正確的安裝方式或不合理的組裝等因素。目前，地鐵車輛的工程技術(shù)人員漸漸地認(rèn)識了采用PWM逆變器進(jìn)行脈沖寬度控制的地鐵牽引電機，在地鐵車輛電機需要頻繁的啟動和制動的運行工況下，在源源不斷的過大的電流進(jìn)行高電壓放電的過程中，軸承電腐蝕對軸承所造成的損害已不容忽略?，F(xiàn)如今已經(jīng)有很多的科研人員針對PWM逆變器進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制情況下，對軸承電腐蝕的機理及其抑制措施進(jìn)行了深入地研究和分析，并得出了非?？煽康难芯拷Y(jié)論。本章節(jié)將通過上海地鐵牽引電機發(fā)生的故障作為案例，對其故障的產(chǎn)生原因和電腐蝕的產(chǎn)生機理和抑制措施進(jìn)行分析，綜合實驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計和對比，通過對于安裝接地環(huán)對軸承進(jìn)行優(yōu)化后的牽引電機軸承電腐蝕情況的對比分析，通過實驗結(jié)果的分析說明安裝接地環(huán)地鐵車輛所利用的PWM逆變器進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制的牽引電機的防護軸承電腐蝕的有效措施。4.1實驗對象分析本文用西門子電機作為例子進(jìn)行分析。西門子牽引電機是廣泛運用于上海地鐵車輛上的一種逆變牽引電機。其運用于1號、2號、4號、11號和13號線。此西門子牽引電機的控制機理，是通過可編程邏輯控制器傳遞出通信信號，該信號作為牽引電機運行的參數(shù)條件，信號經(jīng)過以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)通信，傳遞到伺服驅(qū)動器，然后伺服驅(qū)動器將此參數(shù)信號轉(zhuǎn)化成PWM信號，從而驅(qū)動牽引電機進(jìn)行轉(zhuǎn)動。電機編碼器安裝在電機后部，編碼器對于牽引電機進(jìn)行實際轉(zhuǎn)動的圈數(shù)、位置和速度都能夠進(jìn)行記錄并且能夠?qū)τ谒欧?qū)動器進(jìn)行信息反饋。伺服驅(qū)動器擁有的運算功能能夠?qū)τ趶木幋a器所釆集到的各類數(shù)據(jù)和可編程邏輯控制器傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而控制電機再次進(jìn)行轉(zhuǎn)動運行，進(jìn)而達(dá)到PLC所需要的參數(shù),通過一次行程環(huán)流回路進(jìn)行正確精準(zhǔn)的控制。以前，車輛工程技術(shù)人員通常以為，牽引電機之所以會發(fā)生故障的原因是因為缺乏潤滑油導(dǎo)致機械振動沖擊或是因為軸承的安裝并非正確合理等因素造成的。但是多次實驗和實踐證明了，牽引電機發(fā)生故障的原因可以主要分為兩大類，電氣類的原因是因為軸承電腐蝕導(dǎo)致軸承出現(xiàn)表面損傷，從而引發(fā)的軸承運行故障；機械類的原因是因為軸承在電機運轉(zhuǎn)時會發(fā)生徑向偏移，導(dǎo)致了機械沖擊引起軸承出現(xiàn)勞損掉落的情況。通過對于較多出現(xiàn)故障電機的檢查及實驗測試的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有總故障電機臺數(shù)的20%是由機械損壞的原因所導(dǎo)致的,而總故障電機臺數(shù)的80%是由于軸承電腐蝕的原因所造成的損壞。當(dāng)牽引電機運行功率高于100HP/76kW時，容性電流和高頻回路電流這兩種電流是軸承電流的主要組成部分。阻斷高頻回路電流的最有效直接的方法是通過對于電機的非驅(qū)動端進(jìn)行隔離或者對軸承采取絕緣，從而對軸承進(jìn)行保護，并且在電機驅(qū)動端進(jìn)行絕緣保護的另一側(cè)需要安裝軸承防護環(huán)，即為接地環(huán)，從而有效地阻斷電流的流通。而且這種方法也可以對電機的軸承和與軸承連接的組件同時進(jìn)行保護。所以對軸承電腐蝕的實驗分析便顯得尤為重要。通過對于上海某號線地鐵的牽引電機的故障進(jìn)行分析，為了能夠直觀有效地對電機產(chǎn)生故障的原因進(jìn)行分析，我們對上海地鐵某號線車輛存在的部分故障牽引電機進(jìn)行了拆解和檢測，并對軸電壓進(jìn)行了測量。通過對于此類牽引電機的故障分析，得出軸承電腐蝕是此類故障出現(xiàn)的根本原因，并且由于軸電壓的存在是引起牽引電機軸承電腐蝕的根本原因，所以對于此類牽引電機的軸電壓峰值進(jìn)行了測量，并且為了驗證采用接地環(huán)的方式對軸電壓的抑制效果，分別對于存在電腐蝕的地鐵線路進(jìn)行了安裝接地環(huán)前后的軸電壓峰值變化的對比測試，通過對比安裝前后軸電壓的峰值，對于采用接地環(huán)對牽引電機軸電壓進(jìn)行抑制后也進(jìn)行了電壓的測量和驗證，最終得出結(jié)論。4.2未施加抑制措施的軸承狀態(tài)對于上海地鐵出現(xiàn)牽引電機軸承電腐蝕引發(fā)軸承故障時，在沒有施加接地環(huán)進(jìn)行抑制的這種情況下，分別對于上海地鐵兩條線路的地鐵牽引電機軸電壓分別進(jìn)行了兩次測量。4.2.1上海某號線的軸電壓測試（一）對于未施加抑制措施時的軸電壓測試結(jié)果如表1所示，其軸電壓如圖6、圖7所示。表1線路（1）施加抑制方案前的地鐵軸電壓測試結(jié)果次序測試方法電壓最大值（V）電壓最小值（V）第一次以最大牽引從0加速到40km/h接著以最大常用制動減速到停車69.667-70.667第二次65.667-58.333圖6線路（1）施加抑制措施前地鐵軸電壓測試結(jié)果（第一次）圖7線路（1）施加抑制措施前地鐵軸電壓測試結(jié)果（第二次）通過對于選取的上海地鐵的第一條線路的未采取接地環(huán)進(jìn)行抑制的軸電壓測試結(jié)果進(jìn)行分析可以得出，在列車以最大牽引從0加速到40km/h接著以最大常用制動減速到停車這種工況下時，第一次測量得到的電壓最大值為69.667V，電壓最小值為-70.667V，第二次測量得到的電壓最大值為65.667V，電壓最小值為-58.333V，由此可見，在此條線路軸承出現(xiàn)電腐蝕問題并未采用接地環(huán)進(jìn)行抑制時，軸電壓的峰值較大，故使得軸承出現(xiàn)電腐蝕的破壞。4.2.2上海某號線的軸電壓測試（二）對于未施加抑制措施時的軸電壓測試結(jié)果如表2所示，其軸電壓狀態(tài)如圖8、圖9所示。表2線路（2）施加抑制方案前的地鐵軸電壓測試結(jié)果次序測試方法電壓最大值（V）電壓最小值（V）第一次以最大牽引從0加速到40km/h接著以最大常用制動減速到停車102.00-93.000第二次88.00-117.00圖8線路（2）施加抑制措施前地鐵軸電壓測試結(jié)果（第一次）圖9線路（2）施加抑制措施前地鐵軸電壓測試結(jié)果（第二次）通過對于選取上海地鐵某線路未采取接地環(huán)進(jìn)行抑制的軸電壓測試結(jié)果進(jìn)行分析可以得出，在列車以最大牽引從0加速到40km/h接著以最大常用制動減速到停車這種工況下時，第一次測量得到的電壓最大值為102.00V，電壓最小值為-93.000V，第二次測量得到的電壓最大值為88.00V，電壓最小值為-117.00V，由此可見，與第一條線路的測試結(jié)果類似，在此條線路軸承出現(xiàn)電腐蝕問題并未采用接地環(huán)進(jìn)行抑制時，軸電壓的峰值較大，故使得軸承出現(xiàn)電腐蝕的破壞。4.3施加抑制措施的軸承狀態(tài)對于上海地鐵出現(xiàn)牽引電機軸承電腐蝕引發(fā)軸承故障時，在進(jìn)行施加接地環(huán)進(jìn)行抑制的這種情況下，分別對于上文出現(xiàn)牽引電機軸電壓過大的上海地鐵兩條線路的地鐵牽引電機軸電壓分別進(jìn)行了兩次測量。4.3.1施加抑制措施后軸電壓測試（一）對于施加抑制措施后，第一條線路軸電壓測試結(jié)果如圖10所示。圖10線路（1）施加抑制措施后地鐵軸電壓測試結(jié)果從上圖的實驗結(jié)果進(jìn)行分析，在列車加速和勻速運行時，電壓均穩(wěn)定在5-8V，并且未發(fā)現(xiàn)瞬間放電波形，明顯在引入接地環(huán)之后，軸電壓的峰值進(jìn)行了明顯的下降。4.3.2施加抑制措施后軸電壓測試（二）對于施加抑制措施后，第二條線路軸電壓測試結(jié)果如圖11所示。圖11線路（2）施加抑制措施后地鐵軸電壓測試結(jié)果從上圖的實驗結(jié)果進(jìn)行分析，在引入接地環(huán)進(jìn)行對軸電壓的抑制后，從試驗測試的結(jié)果我們可以看到，軸電壓由原來的超過100V下降至現(xiàn)在的10V以內(nèi)，軸電壓的下降了超過100V。此時，理論上軸電壓難以擊穿油膜。4.4結(jié)果分析通過對于上海地鐵兩條不同的線路存在的軸電壓過高引起電腐蝕的問題進(jìn)行實驗，從對實驗結(jié)果的分析我們可以看到，在引入接地環(huán)之前，存在軸電壓過大問題的軸承，電壓的峰值從60V到100V不等，此電壓過大容易引起擊穿油膜，從而導(dǎo)致對軸承造成電腐蝕的損傷，大大降低了軸承壽命，通過引入接地環(huán)對軸電壓進(jìn)行抑制后，實驗表明，軸電壓的峰值得到了大幅度的抑制，第一條地鐵線路車輛的牽引電機軸承的最高電壓從69.667V，最低電壓-70.667，降低到了5—8V，得到了有效抑制；第二條地鐵線路車輛的牽引電機軸承的最高電壓從102.00V，最低電壓-93.000V，降低到了10V以內(nèi)。通過實驗數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，通過引入接地環(huán)，第一條線路車輛在列車加速和勻速運行時，電壓均穩(wěn)定在5-8V，并且未發(fā)現(xiàn)瞬間放電波形，第二條線路列車牽引電機的軸電壓由原來的超過100V下降至現(xiàn)在的10V以內(nèi)，軸電壓下降了超過100V。綜合對比在引入接地環(huán)前后的軸電壓，我們可以得出軸電壓能有效地抑制地鐵車輛牽引電機在列車運行時出現(xiàn)的軸電壓過高現(xiàn)象，我們可以看出接地環(huán)利用其特殊導(dǎo)電纖維材料，對軸電流進(jìn)行引導(dǎo)誘發(fā)，使軸電流通過端蓋接地，從而能夠有效地避免軸電流的出現(xiàn)對軸承及相關(guān)設(shè)備造成損壞，有效地解決了在地鐵列車運行時存在的軸電壓過大的問題，有效地避免了軸承的電腐蝕所造成的損害。通過綜合實驗對比，我們可以得出結(jié)論，引入接地環(huán)對地鐵列車運行時其牽引電機的軸電壓過大的問題有了很好地解決，是一種有效、便捷、經(jīng)濟、安全、合理的方案。

5總結(jié)5.1方案預(yù)期目的總結(jié)本文通過對于上海地鐵車輛出現(xiàn)軸承電腐蝕的原因為研究方向，通過對電腐蝕的分析，發(fā)現(xiàn)軸電壓過大以至于擊穿油膜是造成軸承電腐蝕的主要原因，通過對比各種解決方案和實驗驗證得出引入接地環(huán)是降低軸電壓，抑制軸承電腐蝕的有效措施，并且對于上海地鐵某號線安裝接地環(huán)前后的牽引電機軸電壓進(jìn)行了實驗測試，實驗表明，安裝接地環(huán)能夠有效地降低軸電壓的峰值，阻止軸電壓擊穿油膜，抑制了軸承電腐蝕對軸承造成的危害。方案先通過對比和假設(shè)，并對于所要采取的實驗方案進(jìn)行預(yù)期，最終達(dá)到了預(yù)期目的，完成了引入接地環(huán)的實驗，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄，得出了引入接地環(huán)為抑制軸承電腐蝕的最佳方案，方案預(yù)期得到了有效驗證，并收獲最終結(jié)論。5.2總結(jié)與思考本方案在對比采用接地環(huán)對于軸電壓的抑制效果上有著較強的說服力，但還需要更加全面的測試，需要在更多的不同線路以及不同的軸承上進(jìn)行更多的試驗，或與其他抑制方案的抑制效果進(jìn)行數(shù)據(jù)上的對比，也可以和其他抑制方案同時添加并進(jìn)行實驗測試，對抑制方案進(jìn)行改進(jìn)。隨著科技的不斷發(fā)展，我國地鐵技術(shù)同樣不斷有新的研究及突破，但隨著各項技術(shù)的出現(xiàn)，也會伴隨有一些問題，而如何解決這些問題關(guān)乎到我國地鐵的發(fā)展前景，因此顯得尤為重要。目前，隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，已經(jīng)可以實現(xiàn)對交流牽引電機進(jìn)行平穩(wěn)可靠的無級調(diào)速，交流牽引電機與直流電機相比，結(jié)構(gòu)簡單可靠、體積小、重量輕，更適合車輛對電機的安裝空間和重量等方面的要求，更重要的是交流牽引電機因具有功率大、過載能力強、噪聲小、調(diào)速范圍寬、可靠性高、維護方便、平穩(wěn)舒適、節(jié)電等優(yōu)點，成為現(xiàn)代城市軌道交通牽引電機的首選。我國地鐵車輛多采用PWM驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行牽引電機的驅(qū)動，而因此即會導(dǎo)致軸承電腐蝕，而軸承電腐蝕會導(dǎo)致軸承的滾珠和軌道上出現(xiàn)凹槽和環(huán)形坑，長時間會導(dǎo)致軸承失效，導(dǎo)致牽引電機出現(xiàn)安全隱患，此類問題給地鐵車輛的正常運行帶來了極大的隱患，因此，需要對該類現(xiàn)象的產(chǎn)生原因以及如何抑制其產(chǎn)生進(jìn)行研究，對提高系統(tǒng)運行的可靠性，保障地鐵運行的安全性、經(jīng)濟性具有重要的意義。本文通過對牽引電機軸承電腐蝕方式及其產(chǎn)生原因著手，分析了產(chǎn)生電腐蝕的原因，得到結(jié)論，是由于軸電壓的存在，由于軸電壓峰值過高，可能會導(dǎo)致?lián)舸┯湍?，從而使軸承電腐蝕而引起軸承的失效。通過分析牽引電機結(jié)構(gòu)等方面，得出了軸電壓的產(chǎn)生原因包括：由于電機本身結(jié)構(gòu)，電機定子磁通會因軸、軸承、端蓋和機座組成導(dǎo)電回路，擋軸電壓過大時便會引起回路中存在軸電流，引起電腐蝕；由于電壓型變頻器供電，導(dǎo)致存在很高的共模電壓，此共模電壓過大便會進(jìn)行擊穿，導(dǎo)致發(fā)生軸承電腐蝕；由于電機中存在磁路不對稱，產(chǎn)生環(huán)形磁通，此環(huán)形磁通在閉合回路中，產(chǎn)生感應(yīng)電壓，如電壓過大則會擊穿潤滑油膜，對軸承造成電腐蝕的危害；由于高頻電壓而產(chǎn)生高頻電流，使用PWM逆變器會存在共模電壓，電壓過高便會造成軸電流的產(chǎn)生，從而使軸承出現(xiàn)電腐蝕，破壞軸承表面甚至失效。綜合各種原因，發(fā)現(xiàn)如何抑制軸電壓過高，是解決軸承電腐蝕的根本要領(lǐng)。于是本文提出了幾種能夠限制軸電壓的方法，包括：改善控制電路和控制策略，即使用雙橋逆變器，但此方法增加了器件數(shù)量和開關(guān)損耗；采用電刷接觸進(jìn)行抑制，即短接軸承內(nèi)外圈，但其維護工作量過大；采用高性能絕緣軸承，即對軸承進(jìn)行絕緣處理，但絕緣軸承加工困難，成本高，硬度高且不適宜沖擊，股用于地鐵車輛并不視為有效方式；采用濾波器，即能夠有效減少共模電壓的產(chǎn)生，但其造價過高且受硬件限制；采用接地環(huán)，即利用其高性能導(dǎo)電纖維材料，將電機外殼與轉(zhuǎn)軸進(jìn)行短接，此方法能夠有效降低軸電壓，且高效，壽命長，經(jīng)濟易安裝。綜合對比各種方法，本文選擇采用引用接地環(huán)的方法來對于軸電壓進(jìn)行有效抑制，并經(jīng)行了實驗測試。經(jīng)過測試對比，發(fā)現(xiàn)在引入接地環(huán)后，軸電壓由原來的可以擊穿油膜的高電壓降低至10V以下，