某型机车冷却风扇电机轴承故障的研究

刘子龙 陈泽武 陈爽

摘 要 某型机车配属运用期间发生多起冷却风扇电机故障，故障发生后造成机车机油及冷却水温度升高、柴油机过热保护停机等问题，严重影响机车正常运用。本文旨在通过剖析电机故障原因，为产品修复及整改提出方向。

关键词 机车；冷却风扇；轴承

1 冷却风扇电机故障概况

2019-2020年某型机车冷却风扇电机共发生12起故障，其中8起为电机轴承故障、4起为电机绕组烧损，主要表现为冷却风扇电机固死、冷却风扇电机缺相或接地问题。针对上述故障情况，重点对4台机车的冷却风扇电机进行了拆解分析。4台电机故障现象均为运行卡滞，通过拆解检查发现除1台冷却风扇电机为定子绕组烧损外，其余电机均为电机转轴下端轴承损坏引起电机故障。

2 冷却风扇电机故障原因分析

2.1轴承损坏分析

2.1.1电机结构

该电机采用外转子电机结构，因为其结构特殊性，下端轴承被完全封闭在电机内部，同时考虑到电机的防护性，电机下端没有通风孔。

考虑到电机的维护性，该电机全部选用是封闭轴承结构。下端轴承承受整个转子的重量，环境又是封闭的，导致下端轴承的温度高于常规电机，选用的是 SKF 耐高温轴承 6314-RS2Z/C4 SIVT228，轴承的润滑脂温度范围为-35～+230℃。

上端轴承受力不大，主要是导向作用，所以选用的是 SKF 高温轴承6310-RS1Z/C3 S0GJN6，轴承的润滑脂温度范围为-40～+140℃。电机外转子上直接装配风叶，与风筒一起构成冷却风扇。

2.1.2轴承寿命计算

通过 SKF 核算轴承寿命，电机在最大频率 133.3Hz 连续运行时，上端轴承 6310-RS1Z/C3 S0GJN6 计算寿命达 242.8万 小时，下端轴承计算寿命达3.09万小时。按机车实际运行工况，每天按19小时工作计算，下端轴承寿命计算超过4.4年。

2.1.3拆解分析

2.1.3.1上端轴承基本都没有损坏，也未发现异常现象。这是因为电机的受力基本都在下端轴承，上端轴承受力比较小，与轴承寿命计算结果相符。

2.1.3.2下端轴承的轴承保持架裂损，轴承内已无润滑脂，已完全失效。这是导致电机运转卡滞的主要原因。上、下轴承内圈与轴紧固，无移位现象，下轴承固定螺母无松动。测量相关尺寸都是合格的，说明电机结构无问题。

2.1.3.3下端轴承内、外圈的轨道上并没有见到因运行受力带来的损伤(轨道上的伤痕是因为滚珠缺油运行对轨道带来的摩擦、挤压所致)，说明电机轴承承载能力是足够的。目前 2014 年的机车还在运行，说明轴承是能够适应机车的运行工况。

2.1.3.4根据SKF 技术提供的说明，封闭轴承在正确存放的前提条件下，存放 36 个月是没有问题的。如果超过 36 个月，需要结合轴承的外包装、内包装、防锈情况及以润滑脂情况综合评定。对于超过 60 个月，必须要更换轴承润滑脂。如果在存放有效期内安装在设备上，设备长时间停机时，要求必须每个月至少空转 1 次，转速按设备正常转速执行即可，运行时间控制在 10 分钟，使密封轴承中的润滑充分搅拌，避免润滑脂因长期放置而出现异常，并用可避免伪布什压痕的发生。

通过 SKF 查询轴承生产日期，本次损坏的轴承都是 2014、2015 年生产的，包括 2017 生产的电机。

冷却风扇电机转轴使用的轴承为美国原装进口，采购周期特别长，组装电机时轴承已生产2年以上。该批电机直至2019年才装车使用，在此期间也没有对电机进行盘车维护，致使轴承内的润滑脂长期不动，造成润滑脂基础油析出，产生油脂分离现象，使润滑脂失效。

综上所述，轴承存放时间过长是轴承失效的主要原因。

2.2绕组故障分析

2.2.1电机绕组设计

该型电机的绝缘结构与供美国GE公司的NTP365T-4T-100HP 绝缘结构一致，均为H级绝缘。NTP365T-4T-100HP 定子绕组《变频电机感应电机加速绝缘寿命测试》84A222216AB 要求加速绝缘寿命测试，达到了 GE 公司 100HP 感应电机采购规范 84A222216 中设计寿命至少 20 年的试验要求。

该电机在北京铁科院完成了型式试验，在额定负载 60kW时，8极绕组温升仅为 87.85K，远远小于 H 级绝缘的温升要求。

2.2.2高原环境对电机的影响

电机在高原海拔 5100米运行，空气稀薄，电机散热效果差，电机绕组的温升会增加，但风机的功率会变小，电机的温升又会降低。如果电机功率不变，电机的温升要增加，所以要修正绕组的温升限值。按《高原铁路机车用旋转电机技术要求》JB/T10922-2008 的要求，海拔5100m 电机在海拔 1000m 以下试验时，海拔每降低100m，温升限值降低 0.8K。

故如果电机功率不变，在海拔 5100m 试验时，电机的温度会升高，对绕组的温升会增加：(5100-1000)/100×0.8=32.8K

海拔影响空气密度，相同转速下，风机功率与空气密度成正比。电机的电流与风机功率成正比，而电机绕组的温升与电流的平方成正比。根据空气密度与海拔的关系式：

ρH=1.2258×(1-0.02257×H)4.256 (H 为海拔，单位 km)

可以算出海拔 5100m 时，空气密度与海拔 1000m 时的空气密度之比为： 0.6549，两处的风机功率之比也为 0.6549，两处的电流之比为 0.65492=0.4289， 那么在海拔 5100m 时，电机的温升约为：

87.58K×0.4289=38.56K，即比原温升降低 87.58-38.56=49K>32.8K

由上面的比较可以看出，海拔升高，电机因输出功率变小，温升下降数值是大于因散热效果差导致电机温升增加的数值，所以电机在海拔 5100 米工作时绕组温度不会增加，不会因温度高对轴承运行产生影响。说明电机绕组选型是合适的。结合3台电机拆解情况来看，绕组绝缘正常且无过热、变色现象，说明电机工作时温升是正常的。

通过电机绕组烧损情况来看，明显是相间击穿引起的。相间击穿是两相绕组间的绝缘受到破坏，一般的原因是嵌线操作者没有将相间绝缘纸排放到位，但试验时通过了耐压试验。电机在长期运行时，因受电流冲击，会使绕组两相间的绝缘电阻降低，从而造成相间击穿。

3 结论

通过冷却风扇电机拆解分析、故障统计及理论计算，可以看出冷却风扇电机整体设计可以满足运用环境的要求，电机绕组故障可以归为个例问题，需要在生产制造过程中加强工艺过程检查盯控，避免出现因组装问题造成的电机绕组匝线间绝缘降低造成相间放电问题。电机转轴轴承问题较为突出，结合理论分析及同系列机车冷却风扇电机运用情况，轴承选型不存在问题，可以满足设计要求。该批冷却风扇电机故障原因主要为电机转轴轴承存放时间过长，从而导致轴承润滑脂基础油析出，产生油脂分离现象，使润滑脂失效，在电机运用过程中轴承因得不到润滑出现损伤。

4 结束语

我们往往把注意力集中在产品的性能上，却极容易忽略产品的日常维护保养及运输保存等细节问题，这也暴露出了日常对产品时效性的分类管理中存在短板。希望本文对机车产品检修技术人员在制定维保方案过程中有所借鉴。对现场从事技术服务的人员了解冷却风扇电机问题情况，处理相关故障有所帮助。

参 考 文 献

1 周健．黄祖洪．董阜敏．热传导理论在现代电机机绝缘结构没计中的应用【J】．绝缘材料，2007，40(6)：67-70．

2 赫兟，周键．高导热绝缘材料对降低电机温升的重要作用【J】.绝缘材料，2008，41(4)：22-23