CRH380B型高寒動車組牽引電機防寒技術

1、2014 年第 4 期2014 年 7 月 10 日機車電傳動ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES 4, 2014July 10, 2014CRH380B 型高寒動車組 牽引電機防寒技術相阿峰 1 ，余衛(wèi)龍 1 ，陳明慧 2（1. 永濟新時速電機電器有限責任公司，山西 永濟 044502； 2. 長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）研 究 開 發(fā)摘 要 ：針對 CRH380B 型高寒動車組需要在溫度低至 - 40 的環(huán)境下運行的情況，指出了牽作者簡介：相阿峰（1970-）， 男，高級工程師（教授級 ），引電機設計時在該低溫環(huán)境下需考慮的關鍵因素，分析了寒

2、冷環(huán)境對牽引電機關鍵部件的危害性影響， 主要 從 事高 速 動 車 組牽引 逐一提出了防寒方面的設計技術方案。關鍵詞：CRH380B 型；高寒動車組；YJ105C；牽引電機；防寒；設計技術 中圖分類號：U292.91+4；U264.1 文獻標識碼 ：A文章編號：1000-128X(2014)04-0014-03 doi：10.13890/j.issn.1000-128x.2014.04.004電機 技術的 研發(fā)工 作。 Cold-proof Technology on Traction Motor of High-cold CRH380B EMUsXIANG A-feng1，YU Wei-lo

3、ng1, CHEN Ming-hui2(1.Yongji Xinshisu Electric Equipment Co., Ltd., Yongji, Shanxi 044502, China; 2.CNR Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun, Jilin 130062,China)Abstract: According to high-cold CRH380B EMUs used at -40 outside temperature, this article put forward the key factors of the t

4、raction motor that should be taken into consideration when running in the high-cold environment. By analyzing the harmful effects caused by the cold weather to the key components of traction motor, the article brings cold-proof solutions one by one.Keywords: CRH380B; high-cold EMUs; YJ105C; traction

5、 motor; cold-proof; design technology0 引言我國地域遼闊，緯度跨度大，南、北方季節(jié)氣溫變 化不一。為適應東北地區(qū)寒冷的氣候條件（冬季最低 為- 40 ），長春軌道客車股份有限公司（簡稱長客股份公司）專門為中國北方地區(qū)（特別是東北地區(qū)）高速鐵路研發(fā)了CRH380B型高寒動車組。頂層技術指標要 求新一代高寒型動車組具有較好的低溫適應性 ，能 在-25時啟動運行，在-40以內(nèi)的冰雪運用環(huán)境中實現(xiàn)350 km/h 設計速度正常運營，能承受-40到+40間溫差巨變的考驗，成為中國最全能的高速動車組。CRH380B型高寒動車組為動力分散型，8節(jié)編組、4動 4 拖，牽引

6、功率為 9 200 kW。列車持續(xù)運營速度為350 km/h，最高試驗速度為 385 km/h。永濟新時速電機 電器有限公司（簡稱永濟電機公司）為CRH380B型高寒 動車組自主研發(fā)了 YJ105C 牽引電機作為動車組驅(qū)動動收稿日期：2014 - 03 - 15 力源。牽引電機在設計過程中必須考慮寒冷、低溫環(huán) 境變化對電機零部件及材料的破壞性作用。需要攻克 的難點主要有：一是零部件及材料的耐寒性；二是暖 濕氣流交換之際產(chǎn)生的“冷凝水陷阱”。1 電機主要技術參數(shù)電機主要參數(shù)如下：額定功率587 kW額定電壓2 750V 額定電流145 A（基波）額定功率因數(shù)0.87（基波）額定效率94.7%額定

7、轉(zhuǎn)速4 100 r/min最高電壓2 800V 最大啟動電流220A 最高工作轉(zhuǎn)速5 900 r/min極數(shù)4絕緣等級200級第 4 期相阿峰， 余衛(wèi)龍， 陳明慧：CR H 3 80B 型高寒動車組牽引電機防寒技術 通風方式強迫通風工作制S1運用環(huán)境溫度-4040質(zhì)量755 kg2電機基本結(jié)構(gòu)YJ105C牽引電機采用架懸式橫向安裝在轉(zhuǎn)向架上， 通過機座上 4 個固定點與轉(zhuǎn)向架的支撐固定相聯(lián)。采用 柔性聯(lián)軸器以及齒輪傳動裝置將驅(qū)動力矩傳遞到輪對，每列動車組由 16 臺牽引電機驅(qū)動。它主要由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承和測速裝置等部件組成。 為抗擊列車在高速運行時受到飛石的打擊以及冰雪的侵蝕，YJ105

8、C牽引電機定子采用鑄造機座+定子鐵 心套裝結(jié)構(gòu)。定子鐵心由高導磁率、低損耗的冷軋硅 鋼板疊壓，采用絕緣螺桿拉緊結(jié)構(gòu)。定子繞組為雙層成型繞組，為了得到足夠的機械強度、良好的電氣性 能與優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，定子繞組用端箍固定。定子繞 組絕緣采用 200 級耐電暈絕緣系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子為銅條鼠籠結(jié)構(gòu)，采用銅質(zhì)導條與特殊銅合金端環(huán)焊接而成。轉(zhuǎn)軸采用鍛造的優(yōu)質(zhì)合金鋼材料。 電機采用兩軸承結(jié)構(gòu)，兩端均為高品質(zhì)的絕緣軸承，采用油脂潤滑。軸承密封采用非接觸式迷宮結(jié)構(gòu)。 在 2 個端蓋上均設有加油嘴，使用中可定期補充潤滑 脂。端蓋上還設有泄油腔，可存儲流出的廢油，維護時定期清除，避免污染環(huán)境。 牽引電機在定子鐵心齒、兩端端

9、蓋軸承室中安裝有溫度傳感器，用于定子繞組及軸承溫度的監(jiān)控以及給控 制系統(tǒng)提供信號。在電機的非傳動端安裝有非接觸式、 高精度的測速傳感器，它提供兩路相差90°的速度信號來測量電機轉(zhuǎn)速并判定電機轉(zhuǎn)向以便對電機進行控制。3電機防寒設計方案與技術牽引電機的安全運行至關重要。其中在低溫使用 環(huán)境下，電機部件材料、軸承潤滑脂、電器部件、絕緣 系統(tǒng)的選取和設計是關鍵環(huán)節(jié)，對一些材料在低溫環(huán) 境下保持良好性能也提出了更高要求。為了滿足牽引電機在- 40 低溫環(huán)境下的正常運 用，首先需要構(gòu)成牽引電機主體結(jié)構(gòu)的金屬材料能夠 滿足低溫的要求。金屬材料在低溫下機械性能與常溫狀態(tài)下相比有較大的差別，某些金屬材

10、料延展性和柔 韌度會急劇降低，即發(fā)生低溫冷脆斷裂。這種失效形式 與韌性斷裂相比沒有前兆，發(fā)生速度極快，吸收的能量 很少，極易引發(fā)事故，甚至會造成災難性重大事故。這 對運行安全要求嚴格的軌道交通來說，尤為致命。如果 缺乏專門的低溫金屬材料知識和性能數(shù)據(jù)，將會造成 選材和設計不當，在低溫環(huán)境下電機運行中將引發(fā)失 效事故。因此在低溫下工作的構(gòu)件，在設計時不僅要考 慮機械性能的常規(guī)指標，還要考慮低溫下金屬材料的脆性轉(zhuǎn)變問題。特別是缺口的存在會促使材料脆化， 增加低溫脆性的危險性，因此重點要考慮低溫下的沖 擊韌度。實施的材料缺口沖擊韌性試驗綜合考察了低 溫、應力集中及形變速度三大因素對材料脆化的影響。

11、3.1機座牽引電機機座是整個電機的機械支撐部件，不僅 受到電磁力矩、齒輪傳動力等準靜態(tài)載荷，同時還承 受線路不平順等因素造成的動態(tài)沖擊載荷，要求具有 良好的強度和剛度，以保證其運轉(zhuǎn)性能和壽命均滿足 使用要求。YJ105C牽引電機機座為整體鑄造結(jié)構(gòu)，設計時借鑒寒冷地區(qū)適用的風電設備鑄件經(jīng)驗，材料選用了強度、韌性、耐磨性、耐腐蝕性都較高的新型工程材 料低溫高韌性球墨鑄鐵材料 QT400-18LT(-50)，力學 性能滿足：常溫：抗拉強度Rm 400 MPa；屈服強度Rp0.2 240 MPa；伸長率A18%低溫沖擊韌度：- 50 條件下 沖擊吸收功 A KV12 J。要求鑄件組織致密，不允許有縮松

12、、縮孔、夾渣、 裂紋等鑄造缺陷，不允許焊補。在研制過程中通過選用優(yōu)質(zhì)原材料、合理選擇化 學成分、確定了高性能鑄件材料熔煉配比，采取嚴格 的球化處理與孕育處理工藝以及熱處理等措施，成功 實現(xiàn)了牽引電機機座鑄造技術。鑄件不僅力學性能滿 足要求，而且內(nèi)部質(zhì)量分別達到射線標準 ASTME186的三級和磁粉探傷標準 DN1690-2 的二級水平。同時在研制過程中建立了球墨鑄鐵鑄件- 50低溫沖擊功材 料數(shù)據(jù)庫。目前不但我國還沒有系統(tǒng)的 -40、-50等 低溫鐵素體球墨鑄鐵的標準，在國際和歐洲也沒有相應的標準可依，此舉為我國制定、完善高性能球墨鑄鐵標準提供了有力支撐。3.2 端蓋為了減輕質(zhì)量，YJ105C

13、 牽引電機采取了輕量化設 計，利用鋁合金材料具有密度小、比強度高、無磁性、在 磁場中比電阻小、低溫下合金相穩(wěn)定等特性。其前、后端蓋采用了鋁合金材料AlSi7Mg0.3 鑄造。用該合金制作 的鑄件可獲得較高的強度和延伸率，也有較好的抗氧 化和抗腐蝕能力，熱膨脹系數(shù)小，并具有高沖擊性和高壓下的致密性。為測試鋁合金材料能否適應 -40的運 營環(huán)境，對AlSi7Mg0.3 材料在-40溫度下進行了機械 性能測試，試驗結(jié)果見圖 1。與常溫下性能結(jié)果對比表 明，鋁合金材料機械性能受溫度變化影響不大，這主要是因為AlSi7Mg0.3 鋁合金是具有面心立方晶格的金屬， 低溫下合金相穩(wěn)定，具有良好的低溫機械性能

14、。3.3 轉(zhuǎn)軸牽引電機相較于普通電機，對轉(zhuǎn)軸材料機械性能 要求高，一般選用中碳合金結(jié)構(gòu)鋼。但在低溫狀態(tài)下， 低溫可以使部分合金鋼的力學性能發(fā)生顯著變化，強 15 機車電傳動2014 年度會 提 高 ，而 塑 性 和韌 性 降低 ，產(chǎn)生 低溫 脆 性 ，容 易 發(fā) 生脆性斷裂。通常，牽引電機 轉(zhuǎn)軸設計材料常選 用綜合機械性能比 較好的 40CrMo 合金鋼 。但 為 改善鋼 的低溫 韌 性 ，在 鋼 的 成分設計上應盡量 降低C含量，增加Ni的含 量 ，可 有 效 地降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，增加材料在低溫時 圖 1鋁合金試棒不同溫度下的機 械 性 能速直到軸承溫度升到-20。軸承溫度升至-20時停止

15、試驗，然后再次將軸承冷卻至-40。整個過程重復10次。試驗表明 ，潤 滑脂外觀良好 ，低溫 啟動轉(zhuǎn)矩在 10 N·m 以下。對試驗軸承進行解體檢查，檢查發(fā)現(xiàn)滾 動體滾道、保持架狀態(tài)極好。對帶有油脂的滾動體和滾道進行了恰當?shù)臐櫇裉幚恚瑳]有發(fā)現(xiàn)任何的擦傷痕跡。3.5 絕緣系統(tǒng)YJ105C牽引電機定子的絕緣系統(tǒng)采用200級耐電暈絕緣技術，不僅具有較高的耐熱等級，而且能承受 -50的低溫，在較寬的溫度變化范圍內(nèi)承受溫度的周期 變化。絕緣材料（橡膠材料除外）的脆化溫度是非常低 的，通常要 -100以下才有可能脆化，故絕緣材料的選用與常溫環(huán)境一樣。另外電機的實際低溫只是在電機啟動這一較短的時間內(nèi)

16、，對電機絕緣材料的影響很小。由于牽引電機定子的絕緣系統(tǒng)幾乎完全暴露在戶的沖擊韌性，防止材料發(fā)生脆性斷裂。因此 YJ105C 牽 引電機的轉(zhuǎn)軸選用的是高性能的 34Cr NiMo6 合金鋼， 其在調(diào)質(zhì)后的機械性能控制如下：抗拉強度 Rm 9001 100 MPa ；屈服強度 Rp0.2 700 MPa ；伸長率 A5 12%；-40條件下沖擊吸收功 AKV30 J。3.4 軸承用潤滑脂通常，潤滑脂性能不佳是導致牽引電機解體維修 的重要原因。CRH380B 型高寒動車組要求牽引電機非 解體運行里程需達到120萬km。為了獲得預期的軸承使用壽命，必須選擇符合標準的軸承潤滑脂，建立良好的潤滑條件，以確

17、保滾動軸承可靠運用。軸承潤滑脂應根據(jù)電機的負載性質(zhì)、工作轉(zhuǎn)速、 工作溫升、軸承結(jié)構(gòu)以及密封條件等進行選擇。冬季 氣溫過低, 如果選擇不當，在環(huán)境中的軸承潤滑脂經(jīng)常凝固，失去潤滑作用。潤滑脂在低溫下最重要的性質(zhì)就是潤滑脂的低溫啟動性和低溫泵送性，多用低溫轉(zhuǎn) 矩、錐入度、軸承工作溫度為衡量標準。為了驗證選用的復合鋰基脂Mobilith SHC100 在低 溫- 40環(huán)境下的適用性，在 - 40的恒溫箱里進行了 軸承的運轉(zhuǎn)模擬試驗，試驗周期的條件和過程如圖 2 所 示。將填 充潤滑脂的軸承自 - 40 啟動 ，以加 速度 a=100 1/s2 使軸承從0加速到3 000 r/min，保持在此恒定轉(zhuǎn)圖

18、 2潤滑脂試驗條件和過程 外環(huán)境，在寒冷地區(qū)，運行環(huán)境極易造成牽引電動機 的絕緣表面凝露甚至積水。一旦絕緣防護不妥, 電機的 絕緣性能將急劇下降甚至過早喪失，影響車輛的安全運行。因此，在牽引電機設計時一是提高YJ105C牽引電 機絕緣的防水性能，二是在電機機座最底部設置排水 孔，使得冷凝水能夠及時排掉。一般情況下，牽引電機定子繞組槽部和端部絕緣 防水性能優(yōu)異，其并頭和連線部位絕緣防水性能較差。 為了解決異型部位（如并頭連接部位、引線過渡部位） 等絕緣薄弱環(huán)節(jié)，一是在結(jié)構(gòu)上 V 型并頭部位采用不同直徑的硅橡膠管雙層折疊套封，采用適形氈對引線接頭中的凸（凹）部位實施填充；二是在工藝上采取控 制接頭

19、焊接時間、對焊瘤高點和尖角進行銼平處理、 酒精清潔，改進包扎工藝等措施。實施以上措施后，電 機定子絕緣在浸水試驗最低也有 100 M 的絕緣電阻值，表現(xiàn)了良好的防水性能。3.6 電纜及傳感器等部件1）電纜YJ105C 牽引電機用電纜在外部長期承受低溫、冰 雪擊打的沖擊，其絕緣層則應考慮低溫彈性及脆化問 題。YJ105C牽引電機選用硅橡膠電纜，其使用溫度最低可達-50。2）溫度、速度傳感器為避免冷凝水可能導致電氣元件發(fā)生短路或損 壞，YJ105C牽引電機溫度傳感器、速度傳感器采用防護 等級達 IP68、耐低溫的連接器，其護管選用耐低溫、耐擊打的橡膠實心管材。4 結(jié)語通過綜合實施上述各種防寒措施設

20、計的 YJ105C 牽 引電機，配屬 CRH380B型高寒動車組自 2012 年 10 月在 哈大客運專線運行至今，經(jīng)歷了東北地區(qū)冬季低溫、（下轉(zhuǎn)第 41頁） 16 第 4 期張俊， 張開林， 姚遠， 劉旭： 基于 R o max 的大功率機車傳動系統(tǒng)軸承布置分析 圖 10小齒輪齒面單位長度接觸載荷分布（ 簡支式）圖 11小齒輪齒面單位長度接觸載荷分布（ 兩端式）當，但是在驅(qū)動軸承處簡支式的徑向變形量小 于懸臂式；兩端式不僅在小齒輪處的徑向變形 量明顯小于其他 2 種布置方式，而且在驅(qū)動端軸承處的徑向變形量也小于簡支式。懸臂式的驅(qū)動端軸承壽命最短，簡支式 和兩端式軸承的壽命得到了很大的提高，分

21、別 是懸臂式的2.67倍和23.53倍?？紤]由軸彎曲變形導致的齒輪嚙合錯位量，在給定軸長參數(shù)條件下，懸臂式布置下齒 輪的齒面接觸應力和齒根彎曲應力均最大，簡 支式次之，兩端式最?。号c懸臂式相比，簡支式 齒輪的齒面接觸應力減小了 11.3%，主、從動齒輪的齒根彎曲應力減少了 21.3%；兩端式齒輪的齒面接觸應力減小了 30.7%，主、從動齒輪的 齒根彎曲應力減少了 51.9%。在未考慮齒輪修形的情況下，兩端式齒 面接觸載荷在齒寬上分布較廣，且單位長度載 荷峰值小，齒面接觸載荷在整個齒寬范圍內(nèi)分 布均勻；簡支式次之，懸臂式分布范圍小、峰值 大，對齒輪強度及齒輪修形的要求更高。表 5不同布置方式下牽

22、引齒輪齒面接觸應力、參考文獻： 1 王秋允 ，張 紅軍. 機車電機主動齒輪軸軸承布置分 析J. 機車電傳動，2007(1) ：22 - 24. 2 黃成榮 ，周平 ，張 大勇 ，等 . 大功率交流傳動機 車驅(qū)動系統(tǒng)選型研究J. 機車電傳動，2010(4) ：31-34. 3 周建斌 ，陳 國勝 ，晉軍輝 ，等 . HXD 1 型機車轉(zhuǎn)向架 輪對驅(qū)動系 統(tǒng) J . 電力機車與城軌車輛 ，2008 (1) ：9-13. 4 王立杰 ，封全保 ，張 志和. 牽引電機軸承布置對齒輪傳動裝齒根彎曲應力值MPa置的影響J . 鐵道機車車輛 ，2011 ( 1) ： 66 - 68. 應力 大小齒輪齒面 接觸 應力 齒 根 彎曲 應力 懸 臂式 2 388.92簡 支式 2 119.47兩 端式 1 655.295 呂士勇 ，封全保 ，劉 輝，等. HXD 2 型電力機車轉(zhuǎn)向架輪對 驅(qū)動系統(tǒng)J. 機車電傳動. 2009(6) ：6- 9.6 石強 ，呂士勇 ，封全保 ，等.