（电机与电器专业论文）电力机车抱轴箱轴承电流的分析与计算.pdf

a b s t r a ( 了r a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h eb e a r i n gc u r r e n tp r o b l e mi nt h ea x l eb o xo ft h eb o g i ei nt h ee l e c t r i c f r e i g h tl o c o m o t i v ei sr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s d u et ot h eh i g hs w i t c h i n gf r e q u e n c yo f t h ep o w e rd e v i c e ss u c ha si g b t , t h et r a c t i o nm o t o rw h i c hs u p p l i e db yp o w e rc o n v e r t e r p r o d u c e dt h es h a f tv o l t a g ea n ds h a f tc u r r e n t , w h i c he x e r t e ds e r i o u se f f e c to nt h el i f e t i m e o fm o t o rb e a r i n g s i no r d e rt op r e v e n tt h eb e a r i n g sw e a r i n g , t h ei n s u l a t e db e a r i n g sh a v e b e e ni n t r o d u c e di nt h et r a c t i o nm o t o r su n d e rt h ev a r i a b l ef r e q u e n c ys u p p l yi nt h e m a j o r i t yc i r c u m s t a n c e s u n d e rt h i sc o n d i t i o n , t h es h a rv o l t a g eh a sl i t t l ei n f l u e n c eo n b e a r i n g so f t r a c t i o nm o t o r s h o w e v e r , d u et ot h ed i r e c t l yc o n n e c t i n gb e t w e e nt h eg e a ro f t h em o t o ra n dt h ea x l eb o xo ft h eb o g i e , t h es h a f tc u r r e n tw o u l dt r a v e lt h r o u g ht h e c o n n e c t i o nb e t w e e nm o t o rc h a s s i sa n da x l eb o x i ft h ec u r r e n td e n s i t yo fb e a r i n g si n a x l eb o xs u r p a s s i n gt h eu p p e rl i m i t , t h eb e a r i n gw o u l db ed a m a g e da n dt h eo p e r a t i o n s a f e t yo fl o c o m o t i v ew o u l db eb r o k e na l s o t h u sc o r r e c te s t i m a t i o nt ot h ec u r r e n t d e n s i t yo fb e a r i n g si nt h ea x l eb o xi sn e c e s s a r ya n dm e a n i n g f u l t h i st h e s i sm a i n l y f o c u s e so nt h ee f f e c t so ft h es h a f tc u r r e n to ft r a c t i o nm o t o ro nt h eb e a r i n g so fa x l eb o x w h i l ea d o p t i n gi n s u l a t e db e a r i n g si nt r a c t i o nm o t o r s f i r s t l y , t h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no ft h em o t o rb e a r i n gc u r r e n ta n db e a r i n gc u r r e n t d e n s i t yh a sb e e na n a l y z e d b a s e do ni t , t h et h e s i sa n a l y z e se a c hp o s s i b l ec i r c u i tb e t w e e n t h et r a c t i o nm o t o ra n da x l eb o xi nt h el o c o m o t i v eb o g i ea n dd e t e r m i n e st h ee v e n t u a l c o n f i r m a b l ec i r c u i ti nt h ea x l eb o x s e c o n d l y , t h ec o u p l ec a p a c i t o r so ft r a c t i o nm o t o r s u n d e rh i z hf r e q u e n c yi nt h ec i r c u i ta l ec a l c u l a t e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o do f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d m o r e o v e r , t h ec i r c u i ts i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e du n d e rt h e s o f t w a r em a t l a b s i m u l i n k ，a n dt h eb e a r i n gc u r r e n to fa x l eb o xc a l lb eo b t a i n e d t h e t h e s i sa l s om a k e sap r o f o u n da n di n s i g h ta n a l y s i so ft h ei m p a c to fc o n v e r t e r so p e r a t i n g p a r a m e t e r so nt h ea x l eb o x sb e a r i n gc u r r e n t ，s u c ha st h em o d u l a t i o n ，t h ec a r r i e rr a t i o a n dt h ed e a dt i m eo ft h es w i t c hd e v i c e s f i n a l l y , b a s e do nt h eh e r t zp o i n tc o n t a c tt h e o r y , t h et h e s i sc a l c u l a t e st h ec o n t a c ta r e ao ft h eb e a r i n g , a n dt h e nc a l c u l a t e st h eb e a r i n g c u r r e n td e n s i t ya n db e a r i n gl i f e t i m e c o m b i n e dw i t ht h ek n o w l e d g eo fs e v e r a ls u b j e c t s i n c l u d i n gt h ee l e c t r i c a lm a c h i n e , e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s ，p o w e re l e c t r o n i c sa n df e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) ，t h i st h e s i sp r o v i d e st h eb a s i sf o rt h ea d o p t i o no fi n s u l a t e d b e a r i n g si na x l eb o x k e y w o r d s ：b e a t i n gc u r r e n t s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；t r a c t i o nm o t o r ；a x l eb o x ； c u r r e n td e n s i t y v 北京交通火学硕士学位论文 c l a s s n 0 ： 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 6 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：膪 签字日期：研年月2 旧 导师签名：刮嬲 签字日期：易彬绛月 致谢 本论文的工作是在我的导师刘瑞芳副教授的悉心指导下完成的，在研究生学 习期间刘瑞芳副教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影 响。刘瑞芳老师不仅悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此衷心感谢两年来刘瑞芳老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，还要感谢张奕黄教授、葛宝明教授、方进副 教授、黄辉副教授、刘慧娟副教授、施洪生老师等对我的学习给予了很大的帮助， 对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，同时感谢马菁、张千等同学 对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。感谢所 有老师和同学给予我得支持和鼓励。 另外在读研期间得到了家人的充分理解和支持，在此感谢我的父母，父母的 支持与关心，永远是我最大的精神支持与安慰，是这些使我能够在学校专心完成 我的学业，在此表示深情谢意。 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 绪论 自从7 0 年代末，西德b b c 公司开发的第一台交流电力机车问世以来，交流 传动电力机车就显示出了其巨大优势。交流传动电力机车由于采用了四象限脉冲 整流器作为电源侧的变流器，使机车功率因素接近于l ，从而降低了接触网的电能 损耗，减少对变电所的投资：交流传动机车的单轴功率大、恒功范围广、制动功 率大、粘着利用好，可以满足当代铁路向高速与重载牵引发展的需要。此外，电 力机车还有机车动力学性能好、寿命周期成本低等特点。这些优点都使得交流电 力机车已经得到广泛的应用i l 】。 2 0 0 7 年4 月，我国铁路迎来第六次大提速，动车组时速达到2 0 0 k m 以上，牵 引电机的单机功率达到了5 5 0k w 。目前，电力机车正在向大功率通用型方向发展。 高速铁路的发展对机车提出了越来越高的要求，而牵引电机是电力机车的核心。 在我国交流传动电力机车中，单轴功率为8 0 0 - 1 2 0 0 k w ，而世界的交流传动货运电 力机车的单轴功率基本达到1 1 0 0 k w 二1 4 0 0 k w ，时速达2 0 0 k m h 的客运或客货通用 型电力机车的单轴功率为1 4 0 0k w - 1 6 0 0k w 。虽然对于货运机车的单轴功率，考虑 到黏着条件的限制，基本保持在1 2 0 0k w 不变，但是由于单轴功率越来越大，为 了保证行车安全，货运电力机车中的牵引电机所产生的轴承电流问题，及其所涉 及到的轴电流的产生机理和电流通路、轴承电流大小及其轴承电流密度的大小都 需要深入考虑；此外，在牵引电机轴承电流的研究分析相对成熟的基础上，在同 一转向架上与电机机箱相连的抱轴箱的轴承电流是否受到电机轴承电流的影响， 需要确定其轴承电流密度的大小，以便确定抱轴箱轴承的寿命是否受到影响【2 】【3 1 。 1 1 1 轴承的损伤机理 根据轴承的结构、减磨材料、润滑状况和工作条件等的不同，轴承损坏的状 况和形式也不同，滚动轴承在工作过程中，由于滚动体滚道表面的变应力壳近似 看作脉动循环，因此，承受载荷较大的轴承在持续运转一段时间后会形成疲劳点 蚀，即在表层下产生疲劳裂纹，并逐渐扩展至表面，使轴承失效。轴承失效有以 下几种基本形式：正常磨损、擦伤、划伤、粘着、咬死、杂质入侵、过热、疲劳、 腐蚀、电火花侵蚀、气蚀等。其中，对于电力机车中，由共模电流所引起的轴承 北京交通大学硕士学位论文 失效是轴承腐蚀和轴承电火花侵蚀【4 】 5 1 。 造成轴承腐蚀的主要原因有轴承工作表面存在局部电位差引起的局部电流 等。轴承电火花侵蚀的特征是在轴承工作表面沿相对滑动的方向呈齿状侵蚀痕迹， 并有材料损耗。造成轴承电火花侵蚀的原因是设备电气系统的绝缘不良，致使漏 电而产生杂散电流【6 】【7 1 。 通常，在电机主轴的两端之间常会产生不大的电势( 称为“主轴电势”) 。由于 转轴回路电阻很小，即使有较小的电势也会产生较大的漏电流。漏电流流经轴承， 增加了轴承被烧损的危险。为安全起见，对大中型电机，有时把主轴的传动端和 非传动端的轴承绝缘起来【8 】【9 】。 1 1 2 机车牵引电机变频供电下的电机轴电流问题 磁路不均衡、单极效应、磁性材料的定向属性、供电不平衡和电容电流是电 机中产生轴承电流的主要原因。电力机车中的牵引电机由于采用变频驱动，电源 电压含有比较高次的谐波分量，使电源中点电压产生零点漂移，即中点电压不再 为零，从而通过电路中所存在的零序回路产生轴电压，该电压将在系统中产生零 序电流。 电压源零点对地电压，也就是电压源的零序电压可由下式表示： k = ( 屹+ 圪+ k ) 3 在正弦波供电情况下，屹等于0 ，但在采用变频供电时，圪将取决于逆变器的 开关状态，其值不再是o ，而是随着逆变器开关状态改变而改变的值。 在采用p w m 变频供电时，由于静电耦合，电机各部分间存在着大小不等的分 布电容，构成电机的零序回路，轴承也是零序回路中的一部分。由于零序电压的 存在，以及电机在高频下的耦合电容，在电机轴、轴承、以及电机机壳形成的电 气回路，共模电流流过轴承，将会影响轴承的运行状态，影响机车的运行安全。 当电机未采用绝缘轴承时，根据基尔霍夫定律，由于电流一般选取阻抗较小 的通路，因此，大部分的共模电流会通过电机轴承流向大地，从而对电机轴承产 生较为明显的影响。为了延长轴承使用寿命，消除电机的轴承电流，通常会采用 如下措施减小或消除电机轴电涮胁1 2 】： 1 对于较小的轴电流，一般通过适当增加电机气隙和选用合适的轴承及润滑 脂加以解决； 2 2 对于过高的轴电压可以使用使轴电流回路开路的方法。如东芝公司在车用 牵引电机中使用陶瓷滚r 轴承的方法： 3 使电机机座与轴转子短路也是消除轴电流影响的有效方法； 4 使用隔离变压器并可靠接零可以有效消除定子零序电压，同时，平波电抗 器、旁路电容器的合理选用也能在一定程度上减少轴电流的危害，但是连 接变频器与电机的电缆长度不能超过1 0 m 。 3 电机轴电流对于抱轴箱轴承的影晌 当牵引电机采用绝缘轴承后，轴电压所产生的共模电流将会影响到电力机车 转向架上的其它部分，尤其是与电机机箱直接连接的抱轴箱的轴承，从而有可能 对机车的运行造成影响。如图11 、图l2 所示电机与抱轴箱连接图，当电机采用 绝缘轴承后，所存在的零序回路所产生的共模电流会影响抱轴箱轴承，在抱轴箱 轴承中产生轴承电流。为此，需要分析计算抱轴箱中轴承电流的大小。 圈l l 电机与抱轴箱连接幽 f i gll p h o t o o f t n c t l o nm o t o r a x l e b o x 削l2 电机o j 他轴箱简幽 f i g 12s c h m a t i c o f t r a c t i o n m o t o r a x l e b o x 由于轴承寿命的妊短与电流密度直接相关通常认为电流密度可以作为磁场 内用于估计电流所引起的危险等级的一个可靠标准。 4 本论文的研究意义 根据轴承损伤机理的简要说明、电机轴电流的产生以及电机轴电流对于抱轴 箱轴承的危害影响，在诸多因素的考虑下需要分析计算抱轴箱轴承电流的大小。 北京交通大学硕士学位论文 因此，分析计算轴承电流的大小，以及轴承电流密度的大小，从而考虑轴承电流 对于抱轴箱轴承所带来的影响是本论文的目的。在电力机车牵引电机已经采用绝 缘轴承的情况下，虽然在抱轴箱上采用绝缘轴承也有效可行，但是由于绝缘轴承 的价格是同样规格普通轴承价格的两倍，且制造周期长，考虑机车的成本等因素， 通过本论文对轴承电流以及轴承电流密度的分析，从而判断是否有必要采用绝缘 轴承来减小对机车运行的危害是本论文的实际意义。 1 2 国内外研究现状 关于轴承电流分析以及轴承电流密度的计算等研究涉及到多方面的理论，下 面就从轴承电流、轴承电流密度计算等两个方面进行介绍。 1 2 1 轴承电流的分析计算 传统的异步电动机是由恒频恒压的正弦波电源供电，随着变频驱动技术在电 机驱动中的广泛应用，尤其是在电力机车的牵引电机中，采用变频变压的变频器 供电驱动。在逆变器的调速性能得到改善的同时，也随之带来了一些新问题。由 于i g b t 等功率器件的使用，随着i g b t 开关频率的快速增长，牵引电机所产生的 轴电压、轴电流对电机轴承的寿命产生了不可忽视的影响。 传统轴承失效的原因有三种：过分振动、过载或者摩擦生热和由于磁路不对 称引起的轴承电流厶。当电流流过轴承时，大电流不但会破坏油膜的稳定，而且 将在滑动轴承表面产生电弧放电麻点，即产生e d m ( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ) 加工电流。造成轴承沟道和钢球电蚀，从而导致轴承失效。早在1 9 2 4 年，ea l g e r 和h s a m s o n 就在其文章( s h a f tc u r r e n t si ne l e c t r i cm a c h i n e s ) ) 中对电机中所存在的 轴承电流问题进行了研究与分析。d o nm a c d o n a l d 和w i l lg r a y 在其所发表的文献 中提到：当电机由正弦电源驱动时，轴电压是由于轴承上的漏磁而产生的，也就 是气隙磁路不对称引起的电磁感应，而这种气隙磁路不对称所引起的漏磁主要是 由于以下几个方面造成的：静态或动态的偏心，即转子偏离了中心轴的位置；定 转子槽型；定子或转子轴向通风孔；磁性材料的定向性；电压源不平衡；不同的 瞬态条件等。而且当采用p w m 变频驱动时，由于共模电流所产生的高频漏磁将会 增加环路电流的流动【l3 1 。在s b h a t t a c h a r y a 的论文中，考虑了日趋明显的d r a t 的 影响，并且指出在1 9 9 6 年2 月举行的e a s a ( 电气设备服务协会) 会议上，轴承失 效的2 5 归结于d v d t ，并且这种由于d , , d t 而引起的轴承失效的比例急剧增加【l 钔。 因此，在分析电机轴承电流时，为了更加直观的分析轴承电流的产生机理等，大 4 绪论 部分研究方法采用从路的方面进行分析计算。 在路的方面进行分析计算时，需要建立电机的高频模型，在变频驱动下的电 机，由于中点电压随着开关器件的开关状态而改变，因此会有零序电路的存在， 以及电源零点漂移现象，从而产生轴承电流。对于电机高频模型中的各项参数， 有以下两种方法进行确定： 1 通过电机高频参数的经典计算公式，确定电机的高频参数。 电机中高频耦合参数的确定是分析计算轴承电流的关键。h a y t , w i l l i a mh 在其 著作详细论述并导出了电机的高频参数【1 5 】。d o y l eb u s s e 等人通过分析轴承电流的 产生原因，确定电路中共模电流所流经的零序电路，确定了所涉及到的电机的高 频参数，以及零序电路中的其他参数。其中，对于电机中的高频耦合参数o ( 电 机定子线圈对机壳( 地) 的耦合参数) 、c i ，( 电机定子线圈对转子的耦合参数) 、o ( 电机转子对机壳( 地) 的耦合参数) 等给出了计算公式并进行了说明，并通过 与测试结果对比确定参数的可靠性，同时建立了电机的零序回路【1 6 1 。 2 通过测试计算电机高频参数 绕组对定子或转子的寄生耦合电容经常被看做是集总网络，由于集总网络常 被选在一定频率下，r a j e n d r an a i k 等人在一定频率范围内，建立电机的高频耦合 参数的模型。通过在不同条件下的测试，确定电机高频耦合参数乙、z l ，、乙、z | 等参数【1 7 】。 3 通过对电机进行电磁场有限元分析计算 根据电机中电磁场的分布，忽略电阻电感的影响，只考虑电容。根据电容的 定义，vv e n e g a s 等人基于有限元分析，对电机中的高频耦合参数进行了分析计算， 并与实测结果进行了对比，证实了有限元分析计算的可靠性【1 3 1 。 1 2 2 轴承电流密度的分析计算 d o y l eb u s s e 在文献 1 9 】中提出，p w m 逆变器驱动下电机轴承寿命，可由以下公 式求得： e l e c l i f e ：7 8 6 7 2 0 4 1 0 - t 拼。m 2 1 ( j 1 1 ) 式中以m m 2 - 轴承电流密度 ( 1 - 2 ) 从此式可以看出，轴承寿命的长短与电流密度直接相关。根据f a g 的一份内 北京交通大学硕士学位论文 部资料查得，当电流密度 3 0 时，e d m 电流会不再出现，但e d m 电流的 大小不会随着载波比n 的变化而变化；同时，抱轴箱电流中的d v 出电流 越来越小，d v d l 电流会随着载波比n 的增大而减小。 4 3 4 开关器件不同脉冲上升时间t 对抱轴箱轴承电流的影响 由于开关器件在导通时，会有一个开通的过程，对于i g b t 的开通时间由四部 分组成，开通时间是外施栅极脉冲从负到正跳变开始，到栅一射电压充电到的时间。 之后，集电极电流从0 开始上升。到9 0 稳态值的时自j 为电流上升时间。为了方 便分析，将开关器件的开通时间简化为一个可变值f ，。本节将研究分析开关器件的 上升时间f ，对于抱轴箱轴承电流的影响。单独分析开关器件的开关时白j 0 对于抱 轴箱轴承电流的影响时，在调制度为0 8 5 、死区时间为0 斩波比为1 8 的情况下， 来对比不同脉冲上升时间f 对于抱轴箱轴承电流的影响。 4 3 4i 上升时间为2 0 0u s 甄醒孽截e = 喜罩 幽41 5 ( a ) 变流器输山相电压 f i g 41 5 ( a ) c o n v e r t e r s _ 1 1 l r p h a 辩v o l t a g e s 警撼l 叠蜷鼍譬m “i 高百1 i 矗r j i 自1 “ 例415 埘l 变流器输出中点电压 f i g 41 5 ( d 1 c o n v e r t e r s z e r o - 9 0 i n t v o l t a g e s 闰4 1 5 ( c ) 变流器输山线电压 f 4 1 5 ( c ) c o n v e r t e r sl i n e v o l t a g e s n q t 幽4 1 5 ( e ) 抱轴箱轴电压 h 041 5 ( c ) a x e l b o x ss h a f t v o l t a g e 一一器一 抱轴箱轴承电流的分析与计算 ! 阳删 4 ，铲嚣”“? “ l l ： f 图 1 5 ( o 电机轴电流及抱轴箱轴电流 f i g 4 1 5 m o t o r ss h a f t c t w r e n t a x e l b o x s b e a r i n g c u r r e m 4 342 上升时间为2 0 # s 扣删忡黼帅酬 。：。1 如f 。”“ j 4 瑚41 5 ( 8 ) 抱轴箱轴电流及e d m 电流 f i g 4 1 5 ( 窖) b e a r i n g c m r e n t e d m c u l t t o f a x e lb o x ：际忑譬珥珂广：二= 二 刘掣坠打些鞋“ ! 。| 删41 6 ( a ) 变流器输出相电压 f i g41 6 ( a 1 c o n v e r t 口s 硼l r p h a s e v o f t a g e s 图41 6 和) 变流嚣输出线电压 f i g4 1 酎曲c o n v e r t 盯 s l i n e v o l t a g e s 一阵黼j 姆糕制i 删删洲 t 唷1 矿亨一卜妒熏巧蕊盱 击刊 幽41 6 ( o 变流器输出中点电压 f i g4l “由c o n v e r t e r s z e r 俨g e i n t v o l t a g e s 图4 1 6 ( 曲抱轴箱轴电压 f i g4 i “曲a x e l b o x ss h a f t v o l t a g e i 。丑 蓊。一 垫蛘嚣 一蠢一一一 北京交通大学硕十学位论文 图41 6 ( 0 电机轴电流及抱辅箱轴电流 f i g 41 6 ( o m o t o r s s h a f t o m e n t a n d b o x sb t m r l n g c m m t 4 343 上升时间为2 2 s 凹4 1 6 ( g ) 抱轴箱轴电流以及e d m 电流 f i g4 1 6 1 曲b e a r i n g c u r r e n t e d m c u r r e n t o f a x e l b o x m 而_ 哥厅厂_ _ 而节。厂 丁1 。二j j _ 一 | 。：上一一_ j j 一4 d 十 棚l = = 兰二上土业= = 生= l j m _ j - 磬1 名广面者_ 打_ 蟊r 面赢赢弓 m 厂可亍可1 邢 咖 ；f ”一 一。“一_ r _ 厂。“1 l 圈4 1 7 ( b ) 触发脉冲 。产二= 茜1 打j 二= 等掌韭面商鬯 f i g4 1 7 ( b ) p u l o f c o n 憎t e rp 削41 7 ( a ) 变流器输出相l 【l 骶 f i g4 1 7 ( a 1 c o n v e r t e r s 1 1 l 瑚p h a s e v o l t a g e s 图41 7 ( c ) 变流器输出线电压 f i g4 1 7 ( c 】c o n v e r t e r s l i n e v o l t a g e s 剀41 7 ( d 】变流器输出中点屯压 f i g4 1 7 ( d ) c o a v e n 盯s z e r 0 _ p o i n t v o l t a g e s “m 幽4 1 7 ( e ) 抱轴箱轴电压 f i g 41 7 0 ) a x e l b o x ss h a f t v o l t a g e 抱轴箱轴承电流的分析与计算 图41 7 ( 0 电机轴电流及抱轴箱轴电流 f i g 4 d ( 0 m o t o r ss h a f t c m r c m a x e l b o x s b e a r i n g c u r r 印t 2 厂 ：r 一一十一j r 1 i i i r i i 商商1 蹦l 图4i s l g ) 抱轴箱轴电流吼及e d m 电流 f i g4i 州曲b c a 血g c u r r 部t e d m c 啪t o f a x e l b o x 根据2 0 0 坤、2 0 ：s 、2 舻三组关于不同开关器件的上升时问数据的仿真 对比，可以看出对于抱轴箱轴承电流并没有显著地影响。 4 4 本章小结 通过4 3 1 、4 32 、4 33 、4 3 4 四小节关于调制度m 、死区时间、载波比n 、 开关器件的上升时间t 对于抱轴箱轴承电流仿真分析的对比，对于抱轴箱轴承电 流的影响可以看出以下几点： 1 ) 由于轴电压的存在以及转向架中电流通路的存在是轴承电流存在的根本 原因。当在抱轴箱轴承端建立起轴电压时，通过共模电流通路，变流器运 行参数中的载波比n 、调制度m 、死区时间均会影响抱轴箱的轴承电流的 出现，其中轴承电流包括e d m 电流、d r d t 电流； 2 1d r 出电流的大小和抱轴箱轴电压有直接关系，而抱轴箱轴电压是随着变 流器的开关器件的变化而变化的，跟变流器的频率、开关状态有关。变流 器的运行参数中的载波比n 、调制度m 、死区时间等三个因素均会影响轴 电压的大小，进而影响d r d t 电流的大小，但三个因素并不会影响e d m 电 流的大小。因此d r d t 电流的大小与载波比n 、调制度m 、死区时间有直 接的关系； 3 ) e d m 电流的直接影响因素是击穿电压的大小，以及抱轴箱轴电压的大小。 当抱轴箱的轴电压达到油膜的击穿电压时，才会出现e d m 电流，因此e d m 电流的大小不仅仅与抱轴箱轴电压有关，还与油膜的击穿电压“有直接关 系当击穿电压越大“，电容中累积的电压越高，当达到击穿电压时， e d m 电流就会越大。因此，e d m 电流的大小在受到载波比n 、调制度m 、 北京交通人学硕士学位论文 死区时间影响的同时，还与其击穿电压有直接的关系； 4 ) 开关器件的上升时间0 对于抱轴箱轴承中的共模电流的西，出电流、e d m 电流均没有较显著的影响。 抱轴箱轴承电流密度的分析计算 5 抱轴箱轴承电流密度的分析计算 由于电流密度才是能够确定轴承是否有沟蚀损伤的判断依据，而在抱轴箱轴 承电流计算的仿真电路中，所仿真计算出的电流是通过轴承的共模电流并不是电 流密度，所以在分析计算出电流后，还需要计算抱轴箱轴承的电流密度。 通常认为轴承寿命的长短与电流密度直接相关，因此，电流密度可以作为估 计电流所引起的危险等级的一个可靠标准。当电流密度 _ l a d c m m 2 时，可能 会造成沟蚀这种损伤。因此，也就需要考虑轴承电流对于抱轴箱轴承所带来的影 响，从而采取防护措施。 在计算轴承电流密度的大小时，是用有效安培数除以滚动体与轴承内环和外 环的整个接触面积。由于接触面积取决于轴承的类型和操作条件、运行工况等， 因此确定接触面积是计算轴承电流密度的关键。 5 1 赫兹接触定理 要准确的计算轴承的接触面积并不简单，因为滚动轴承的接触面积与轴承的 表面粗糙度、“粗糙接触”( a s p e r i t yc o n t a c t ”) 、油膜厚度( 与油脂成分、温度相关) 、 电机转速、电机负载等因素相关。根据赫兹点接触理论，可以得出接触面积的计 算方法。因此，在考虑点接触区域时需要用到赫兹点接触理论【5 1 1 。 基本上，在零负载情况下，可以定义两种假设的接触类型。这两种类型为： 1 点接触，即两面只在一个单点接触 2 线接触，即两面沿零宽度的直线或曲线接触。 明显地，负载应用于接触体后，点扩为椭圆，而理想的线接触中，线扩为矩 形，即接触体为等长。 当有限长的滚轴与比它长的滚道相接触，沿滚轴的轴向应力分布不同。由于 滚轴端部外滚道的压力，滚道的材料在滚轴端部受到张力，因此滚轴端部的面压 应力可能会比在接触中心的大。 l u n d b e r g 等为滚轴滚道接触定义了变线接触的情况。因此，当接触椭圆的主 轴( 2 a ) 大于有效滚轴长度，小于1 5 ，则存在变线接触。如果2 a ，存在线接触并伴随有边缘负载。 为此，需要寻找出一种精确地数学方法来计算任何线接触情况下的面应力的 分布以及幅值，即包括滚轴，滚道以及因此结合的齿顶影响。 5 5 北京交通大学硕士学位论文 单列滚柱轴承符合赫兹点接触理论的方程条件，为了计算接触面积，需要用 到轴承的参数有：内滚道直径西、外滚道直径d o 、滚柱半径d 、内滚道曲率，：、外 滚道的曲率、以及自由接触角口。如图5 1 所示。 图5 1 轴承界面示意图 f i g 5 1d i m e n s i o n sf o rb e a r i n ga s p e r i t yp o i n tc o n t a c tc a l c u l a t i o n s 5 2 抱轴箱轴承电流密度的计算 应用赫兹点接触理论方程计算内外滚道的接触面秘5 2 。5 6 】，首先需要确定自由 接触角： 口= c o s 一( 1 - ( d o - 4 - 2 d ) 2 d ( f + 五一1 ) 】) 其中，z 、z 由式5 - 2 确定： z = d z = r o d 槽的内外半径： ，；= r i c u r v e d 2 r o = r o c u r v e d 2 图中，中径定义为 ( 5 1 ) ( 5 2 ( a ) ) ( 5 2 ( b ) ) ( 5 3 ) ( 5 4 ) 抱轴箱轴承电流密度的分析计算 叱= 1 2 弛+ 以) 其他参数各自定义为： 7 = d e o s a | d i = i d ( 4 1 f ，+ 2 r o - r ) ) 即= l i d ( 4 1 f + 2 r o + r ) ) = o 0 2 3 6 a ( q p i ) 1 胆 = o 0 2 3 6 口二( 纠p o ) 怕 瓦= o 0 2 3 6 吃( e ep i ) 协 = o 0 2 3 6 b , 乙( q p o ) 3 根据赫兹点接触理论的公式， 滚道的接触面积： a r e a t 2 屯万 a r e a , = k 石 ( 5 5 ) ( 5 8 ( c ) ) ( 5 8 ( d ) ) 以及以上各个相关的计算参数，最后得出内外 ( 5 - 9 ( a ) ) ( 5 - 9 ( b ) ) 同时根据在额定工况下牵引电机负载为3 0 0 k w ，根据换算公式：1 h p = 0 7 4 6 k w 可以计算得出q = 4 0 2 h p ，并且同时根据5 1 至5 - 9 各个公式，以及牵引电机抱轴箱 轴承机械参数，最后计算得出接触面积为： a r e a 抽。气n = 2 9 6 1m m 2 a r e a , = a o u t 万：2 1 9 0 m m 2 ( 5 1 0 ( a ) ) ( 5 - l o ( b ) ) 根据第四章关于抱轴箱轴承电流的仿真结果，驯西电流大小为0 2 5 m a ，e d m 电流大小为1 6 a ，结合5 1 0 ( a ) 、5 1 0 ( b ) ，可以计算得出抱轴箱轴承电流对于内、 外滚道的电流密度，当未发生e d m 电流时，抱轴箱轴承电流密度为： 5 7 荆 州 州 州 孓 孓 孓 孓 北京交通大学硕士学位论文 a p 耐= l 啦a r e a 加- - 0 。2 5 2 9 6 1 = 0 0 0 8m a m m 2 a p k m m 2 = o a r e a o 。= o 2 5 2 1 9 0 = o 0 1 1m a m m 2 当发生e d m 电流时，抱轴箱轴承电流密度为： a p k 加m m 2 = 岛4 = 1 6 2 9 6 1 - 0 0 5 4a m m 2 a p k o 。m m 2 = i 驴i a r e a = 1 6 2 1 9 0 = o 0 7 3a m m 2 其中抱轴箱轴承的电流密度为： 表5 1 抱轴箱轴承电流密度 t a b l e 5 1 b e a d n gc u r r e n td e n s i t yo f a x l eb o x ( 5 - 1 1 ( a ) ) ( 5 1 l ( b ) ) ( 5 1 2 ( a ) ) ( 5 - 1 2 ( b ) ) 发生e d m 电流时 对于内滚道：0 0 5 4 a m m 2 对于外滚道：0 0 7 3a r a m 2 未发生e d m 电流时 对于内滚道：o 0 0 8 m a m m 2 对于外滚道：0 0 11m a m m 2 由于当电流密度 o 1 a 。幽m 2 时，没有沟蚀风险，轴承电流对轴承的影响可以 不考虑，因此，当抱轴箱发生e d m 电流时，并不会产生沟蚀风险，因此轴承电流 对轴承的影响可以不考虑，抱轴箱轴承可以不采用绝缘轴承。同时，根据d b u s s e 等人提出的轴承寿命公式，在牵引电机的额定工况下计算，即取抱轴箱轴承电流 密度的最大值0 0 7 3a m m 2 ，可以计算得出抱轴箱轴承的使用寿命： e l e c l i f e = 7 8 6 7 2 0 4 x 1 0 一【2 1 7 x 舭，删2 j = s 4 4 4 1 0 5 ( h ) ( 5 1 3 ) 5 3 本章小结 根据对于赫兹接触理论的阐述，本章分析计算了抱轴箱圆锥滚柱轴承的接触 面积，并且根据第四章中所确定的驯出电流、e d m 电流两种共模电流的大小，分 别计算出在额定工况下出现两种共模电流情况时的电流密度。由于发生e d m 电流 时，e d m 电流的大小至少是咖触电流的几百倍，因此在发生e d m 电流时，考虑 e d m 电流下的抱轴箱轴承电流密度即可。最终计算得出两种共模电流情况下的抱 轴箱轴承电流密度，同时计算了抱轴箱轴承寿命的大小。 5 8 结论 6 结论 为了保证电力机车的行车安全，确定转向架中抱轴箱的轴承电流密度，从而 确定是否有必要在抱轴箱上使用绝缘轴承。本论文通过研究、分析电力机车转向 架中抱轴箱轴承电流的电流通路，并且对电流通路中所涉及的电机在高频下不能 忽视的耦合电容参数进行了分析计算，同时对影响轴承电流的各个因素进行了讨 论分析，最终确定了抱轴箱的轴承电流以及电流密度的大小。通过讨论分析，可 以得出以下结论： 1 研究、分析抱轴箱轴承电流的电流通路时，分别讨论分析了环路电流和共 模电流的不同电流情况，并且对共模电流中的d r d r 电流和e d m 电流进行 了分别讨论，确定了两种不同电流的仿真实现形式； 2 在分析计算牵引电机的耦合电容时，对于单个槽的计算结果与整个电机的 分析计算结果是一致的，并且单个槽的分析计算减小了工程量，缩短了分 析计算的时间； 3 在仿真分析抱轴箱轴承电流时，载波比n 、调制度m 、死区时间均会影响 抱轴箱的轴承电流。以上三个因素均会影响轴电压的大小，进而影响d r d r 电流的大小，但并不会影响e d m 电流的大小。开关器件的上升时间f ，对 于抱轴箱轴承中的共模电流的咖d t 电流、e d m 电流均没有较显著的影 响。 4 d r d r 电流的大小和抱轴箱轴电压有直接关系，而抱轴箱轴电压是随着变 流器的开关器件的变化而变化的，跟变流器的频率、开关状态有关，因此 咖d t 电流的大小与载波比n 、调制度m 、死区时间有直接的关系； 5 e d m 电流的直接影响因素是击穿电压的大小，以及抱轴箱轴电压的大小。 当抱轴箱的轴电压达到油膜的击穿电压时，才会出现e d m 电流，因此e d m 电流的大小不仅仅与抱轴箱轴电压有关，还与油膜的击穿电压有直接关 系，当击穿电压越大巩，轴承电容中累积的电压越高，当达到击穿电压时， e d m 电流就会越大； 6 最终得出当牵引电机在额定工况下工作时，电力机车转向架上抱轴箱的轴 承电流以及轴承电流密度的大小。即未发生e d m 电流时，抱轴箱轴承电 流为0 2 5 m a ，发生e d m 电流时，抱轴箱轴承电流为1 6 a ：抱轴箱的轴 承电流密度最大为0 0 7 3a m m 2 ，根据o 1a e f l ，m m 2 的分界线，可以确定并 不会在抱轴箱轴承上产生沟蚀风险，因此不需要采用绝缘轴承就可以保证 轴承的安全使用，从而保证行车安全。 北京交通大学硕士学位论文 在本论文中从路的方面对于抱轴箱的轴承电流进行了分析、计算。采用从路 的方面分析计算，可以较为清晰的看出轴承电流的产生机理，以及方便的分析计 算出轴承电流以及轴承电流密度的大小。 对于本论文的研究方式，也可以采用电磁场分析计算的方法。在电磁场下对 于抱轴箱的轴承电流进行分析计算时，其分析计算结果更为可信，但其工程量较 大。由于抱轴箱与牵引电机的结构在二维中不易实现，因此应采用三维电磁场分 析，但在三维分析中对