地铁列车轴箱轴承电流测试与接地方式优化

周福林，王文昊，张 伟，熊进飞

（西南交通大学电气工程学院，四川成都 611756）

轴箱轴承作为走行部关键组成部件，承受来自列车的冲击载荷。轴承损伤不仅带来严重的经济损失，而且直接影响行车安全［1-2］。有研究表明，轴承电流的存在将加剧轴承的损伤，使轴承滚道逐步出现表面剥离、凹凸损伤，最终导致轴承损坏失效，并且轴承电流的密度更是直接对轴承寿命产生影响［3］。这种由轴承电流造成的轴承损伤现象，称之为轴承电蚀。国内外关于轴承电蚀的研究主要有电机轴承电蚀和轴箱轴承电蚀2个方向［4-6］。

近年来，轴箱轴承电蚀现象在电气化线路运行的车辆上频繁发生。在铁路列车轴承检修过程中发现，电蚀故障占轴承故障的30%以上［7］。2011年6月至2012年2月间，上海机务段配属的韶山型电力机车发生6起轴承外圈内滚道电蚀故障［8］。2011年，成都车辆段段修客车共计898 辆，因电蚀报废轴承1 353 套，平均每辆客车报废1.51 套轴承［9］。由京广线运行车辆的实测数据看出，保护接地线流过的电流最大可达25.5 A，且此接地电流的一部分会流过轴承［10］。国外有学者通过测量列车连接处电流发现，因新型车体电阻较小，流过列车车体的电流增大，加剧了轴承电蚀［11］。轴承电流一般在20～40 A之间，但瞬间可高达70～100 A［12］。

通过建立接地系统主电路模型，分析得出车体与轴端串联0.5 Ω 的电阻可显著降低动车组车体电流，进而抑制轴承电流［13］。采用集中保护接地方式，接地电流全部集中于少数接地点，大电流将加大对接地碳刷及轴承的磨损；采用优化的分散保护接地方式，可使各保护接地的电流小于20 A 且分布均匀［14］。理论分析与现场试验表明，采用在车体与轴端串联电阻的方式，虽然减小了流过车体的电流，但是抬升了车体对地电势［15］。为解决该问题在某一转向架上将车体与轴端直接相连，然而对改造后轴承电流的大小没有进行研究。

本文通过测试发生轴箱轴承电蚀的国内地铁车辆的牵引电流、保护接地线的接地电流，从而量化轴承电流的大小及其与牵引回流的关系。通过建立轴承电流仿真模型，研究抑制轴承电流的新型接地方式，并进行有效性验证。

1 轴箱轴承电流产生与测量

1.1 电流的产生

地铁列车通常从接触网取电，经整流变压器、逆变器后为牵引电动机提供电能。地铁牵引电流汇集于列车动车的汇流排，从汇流排引出数根连接到列车轴端接地装置的回流线，即工作接地线。正常情况下，牵引回流主要通过轴端的接地装置流向轮对，继而经钢轨回流至牵引变电所。为防止列车车体电压过高，车体与转向架和转向架与轴端均安装柔性的软连线，即保护接地线。保护接地线为牵引回流流向列车转向架、车体提供了路径。

若列车某处轴箱绝缘被破坏，则流入车体及转向架的电流最终流回钢轨的过程中有一部分电流流过该轴承，形成轴承电流。列车的接地方式及轴承电流的典型流通路径如图1所示。

图1 列车接地方式及轴承电流典型流通路径

1.2 电流的测量

为研究轴承电流的大小及其与牵引电流的关系，需要测量的物理量有轴承电流、牵引汇流排-轴端电流。实际上轴承置于轴箱内，轴箱又固定在转向架上，整体结构复杂，轴承电流无法直接测量［16］。

结合图1 分析可知，如果轴箱绝缘良好，那么没有电流从转向架流过轴承，全车的转向架-轴端保护接地线电流之和应为0 A（以转向架至轴端方向为电流正向），但是实际上流过转向架的电流有一部分经轴箱轴承流经轮对后进入钢轨，使全车转向架流向轴端的电流小于全车轴端流向转向架的电流，此时全车的转向架-轴端保护接地线电流之和为轴承电流I轴承，即

式中：I转向架-轴端为转向架-轴端保护接地线的电流。

从式（1）可以看出，采取测量转向架-轴端电流再进行求和的方式可间接得到轴承电流。以1 节拖车和1节动车为例，电流测量点位置如图2所示。

图2 电流测量点位置

按照图2所示测量点位置布置传感器，采集数据采用高速同步采样的方式，以1 s 为间隔存储过程数据，测试中参照标准GB/T 14894—2005《城市轨道交通车辆组装后的检查与试验规则》［17］和GB/T 19862—2016《电能质量监测设备通用要求》［18］。现场测量情况如图3所示。

图3 现场测量

根据测试目的，测试采用2 种不同接地方式进行，如图4所示。

从图4 可以看出：采用直接接地方式时，车体与转向架、转向架与轴端直接通过保护接地线连接；采用串联电阻接地方式时，车体与转向架直接通过保护接地线连接，车体与轴端通过保护接地线连接的同时串联1 个50 mΩ 电阻，其按照干线客车、动车组车体与轨道间电阻不大于50 mΩ 的要求［19］取值；2 种接地方式下工作接地线的连接方式相同，均从动车车体的汇流排引出4 条工作接地线，直接连接到位于对应轴端的4 个接地装置。这样，大部分牵引回流通过轴端接地装置流到车轴和轮对进而流回钢轨，但因为车体和保护接地线的电阻较低，将有部分牵引回流通过保护接地线流入车体。

图4 直接接地方式与串联电阻接地方式对比

理想情况时直接接地方式下动车保护接地线电流的路径为：动车轴端→动车保护接地线→串联电阻→动车车体→相邻车体；拖车保护接地线电流的路径为：来自动车的车体电流→拖车保护接地线→拖车轴端。

2 测试数据分析

2 种不同接地方式下的测试均分为外出和回库2 个阶段，其中外出阶段为区间内多车运行，回库阶段为区间内单车运行。

2.1 直接接地方式下

直接接地方式下轴承电流与牵引电流时程曲线对比如图5所示。图中：牵引电流缩至10%，以便与轴承电流进行趋势对比。

图5 直接接地方式下轴承电流与牵引电流时程曲线对比

直接接地方式下轴承电流与牵引电流散点图及拟合曲线对比如图6所示。

图6 轴承电流与牵引电流散点图及拟合曲线

由图5 和图6 可知，轴承电流与牵引电流存在某种程度上的线性关系。

为进一步确认二者之间的关系，利用统计学中的残差平方和与回归平方和分析数据。

残差平方和SSE为

式中：Sse为SSE 值；n为数据点个数；I轴承i为牵引电流对应的轴承电流实际值；为牵引电流对应的轴承电流拟合值。

回归平方和SSR为

式中：Ssr为SSR值；为轴承电流均值。

拟合优度R2为

残差平方和与回归平方和是描述数据相关性的2 个指标。当牵引电流与轴承电流的回归方程建立后，回归平方和是由回归方程确定的部分，也就是由牵引电流的波动引起的，而残差平方和是不能用牵引电流解释的波动，是由其他因素（例如轨道中其他车辆回流等）引起的。轴承电流与牵引电流的散点图相对于拟合曲线越离散，残差平方和越大；相对于拟合曲线越集中，回归平方和越大。拟和优度取值在0～1之间，越趋于1说明拟合得到的关系式越符合牵引电流和轴承电流的线性关系，散点图围绕拟合曲线分布得越密集而不发散。

直接接地方式下轴承电流与牵引电流相关性的数据指标对比见表1。表中：I牵引为牵引电流。从图5、图6 和表1 中可以看出：直接接地方式下，列车在区间内单车运行时轴承电流与牵引电流的线性关系比多车运行时更明显，说明牵引电流不是轴承电流的唯一影响因素，钢轨中的牵引回流也对轴承电流造成影响。

表1 直接接地方式下轴承电流与牵引电流相关性的数据指标对比

2.2 串联电阻接地方式下

串联电阻接地方式下轴承电流与牵引电流时程曲线及散点图和拟合曲线分别如图7 和图8所示，数据指标对比见表2。图7 中：牵引电流同样缩至10%。

从图7、图8 和表2 可以看出：串联电阻接地方式下，轴承电流与牵引电流无论是在区间内多车运行时，还是在单车运行时，均存在较明显的线性关系；轴承电流离散度指标表明轴承电流在多车运行时比单车运行时离散度更高，说明有本车牵引电流以外的因素影响轴承电流。

图7 串联电阻接地方式下轴承电流与牵引电流时程曲线对比

图8 轴承电流与牵引电流散点图及拟合曲线

对比表1 和表2 可以看出，串联电阻接地方式下的拟合优度R2高于直接接地方式，即轴承电流与牵引电流的线性度更高，表明串联电阻接地方式下轴承电流受本车牵引电流以外因素的影响更小。

表2 串联电阻接地方式下轴承电流与牵引电流相关性的数据指标对比

不同接地方式下轴承电流的95%概率值如图9所示。从图9可以看出，串联电阻对轴承电流的抑制效果略有改善，但改善效果有限。

图9 不同接地方式下轴承电流对比

3 抑制措施及验证

3.1 抑制措施

从前文分析可知，流入动车车体的电流主要由拖车的保护接地线流回轴端，但在轴承油膜绝缘被破坏的情况下，难免有部分电流通过轴箱流过轴承，若拖车采取串联电阻接地方式，因车体-轴端保护接地线上串联电阻的存在，此条保护接地线的电流将减小，而流过车体-转向架保护接地线的电流将增大，其具体的路径为：车体→车体-转向架保护接地线→转向架→轴箱轴承→车轴。采用串联电阻接地方式的优点是抑制了动车中通过车体-轴端保护接地线流入车体的电流，但该方式使得通过拖车轴箱轴承流进轴承的电流增大，同时还使得车体电位抬升。

因此，提出采用新的接地方式，具体为拖车采用直接接地方式、动车采用串联电阻接地方式、工作接地线的接地方式不变，新型接地方式如图10所示。

图10 新型接地方式

3.2 仿真验证

为验证新型接地方式抑制轴箱轴承电流的有效性，建立轴承电流仿真模型如图11所示。模型包括24 脉波整流电路［20］、接触网、列车、钢轨线路等，其中接触网供电电压为1 500 V，供电方式为单边供电。Rz和Rg分别为钢轨线路的钢轨纵向电阻和钢轨对地过渡电阻，采用π 型等效模型对钢轨线路进行等效。

图11 轴承电流仿真模型

与以往列车结构模型只考虑车体电阻、接地保护线电阻、车体-转向架电阻不同，按照列车的实际结构，又考虑油膜电阻、转向架-轴箱电阻、轴端接触电阻、轴端-钢轨电阻，建立更细化的列车结构仿真模型如图12所示。图中，各电阻参数及其取值见表3。

图12 列车结构仿真模型

表3 列车结构仿真模型电阻参数及取值

将区间内单车运行和多车运行工况下的2 组牵引电流测试数据作为模型中的电流输入，由轴承电流仿真模型计算得到的轴承电流与实测数据的比较如图13所示。由图13 可以看出：列车在区间内单车运行时，仿真结果与实测数据更接近，多车运行时，钢轨回流对轴承电流产生一定影响，但单车运行和多车运行工况下的仿真结果与实测数据总体变化趋势均大致相同，说明对模型中各部分电阻参数的选择符合实际，验证了模型的准确性。

图13 轴承电流仿真结果与实测数据比较

以全车牵引电流为1 000 和2 000 A 为例，比较3 种不同接地方式下列车在区间单车和多车运行时全车的轴承电流如图14所示。由图14 可以看出，采用新型接地方式抑制轴承电流的效果明显；当牵引电流为1 000 A 时，新型接地方式与原有的直接接地方式相比，抑制比例在单车运行和多车运行2 种工况下分别达35.7%和37.7%；当牵引电流为2 000 A 时，新型接地方式与直接接地方式相比，抑制比例在2 种工况下分别达到了41.6%和38.1%。

图14 不同接地方式下轴承电流对比

进一步以牵引电流为2 000 A 为例，比较3 辆拖车与3辆动车全部的轴承电流如图15所示。由图15 可以看出：采用串联电阻接地方式，虽然降低了动车的轴承电流，但是增大了拖车的轴承电流，这与前文3.1 的论述一致；而采用新型接地方式，拖车和动车的轴承电流均得到抑制。

图15 不同接地方式下拖车与动车的轴承电流对比

4 结论

（1）不同接地方式下轴承电流与牵引电流均存在线性关系，且列车在区间单车运行时，轴承电流与牵引电流的线性关系较列车在区间多车运行时更为明显。

（2）直接接地方式下，随牵引电流的变化，全车轴承电流主要在0～50 A 范围内波动，瞬间可达80～100 A。

（3）采用列车工作接地线的接线方式不变、动车保护接地线串联电阻接地、拖车保护接地线直接接地的新型接地方式时，对轴承电流有更好地抑制效果，无论列车在区间单车运行还是多车运行，该新型接地方式较直接接地方式对轴承电流的抑制比例均达到30%以上。