電動(dòng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)淺析與探討

左安林　孫澤林

摘要：三相異步電動(dòng)機(jī)作為最常見(jiàn)動(dòng)力設(shè)備，為各類機(jī)械提供動(dòng)力來(lái)源。電動(dòng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到安全生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)。本文針對(duì)制約電動(dòng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的幾個(gè)重要環(huán)節(jié)，并結(jié)合電動(dòng)機(jī)維護(hù)和檢修經(jīng)驗(yàn)展開(kāi)技術(shù)分析和探討，為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)的故障診斷及維修提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：三相異步電動(dòng)機(jī) 故障診斷 檢修維護(hù)

引言

電動(dòng)機(jī)有機(jī)殼、軸承、定子、轉(zhuǎn)子、散熱風(fēng)扇等幾部分組成。影響三相異步電動(dòng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的因素大致可分為以下兩個(gè)方面：一是電機(jī)本身的原因，如軸承磨損、軸承裝配不規(guī)范、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡不好、定轉(zhuǎn)子磁中心不一致、繞組匝間短路等。二是與電機(jī)相關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)松動(dòng)不平、背輪對(duì)中不好、機(jī)械負(fù)荷振動(dòng)等方面的原因。下面將針對(duì)一些常見(jiàn)的影響電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題及故障處理方法進(jìn)行探討與分析。

1 軸承故障

按滾動(dòng)體的不同，軸承可分為球軸承和滾子軸承兩大類，球軸承的滾動(dòng)體為球體，滾子軸承的滾動(dòng)體有圓柱、圓錐等。下面將針對(duì)軸承常出現(xiàn)的故障和維護(hù)方法進(jìn)行分析探討。

1.1 軸承磨損

軸承磨損是軸承長(zhǎng)期運(yùn)行壽命到期的象征。軸承磨損嚴(yán)重時(shí)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)常伴有異音、端蓋發(fā)熱等現(xiàn)象。通?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量軸承間隙來(lái)判斷磨損程度。滾動(dòng)軸承的允許間隙見(jiàn)表1。為保證能長(zhǎng)周期運(yùn)行，在發(fā)現(xiàn)軸承磨損間隙過(guò)大時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換。

1.2軸承跑圈

軸承跑圈是指軸承圈與其配合的軸或端蓋內(nèi)圈發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng)，即跑內(nèi)圈和跑外圈。軸承跑圈時(shí)故障現(xiàn)象為軸承部位溫度偏高，振動(dòng)加大，有時(shí)還伴有不規(guī)則的異音，拆檢時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)軸、端蓋內(nèi)圈表面存在磨痕，甚至磨出凹槽。引起軸承跑圈的原因有以下幾點(diǎn)：

1.2.1軸、端蓋內(nèi)圈、軸承的加工精度低，配合公差不符合要求。

軸承與軸（端蓋內(nèi)圈）一般為過(guò)盈配合，少數(shù)情況為過(guò)渡配合。若各部件的加工精度不合要求，使軸承與軸（端蓋內(nèi)圈）的靜摩擦力小于使它們相對(duì)滑動(dòng)的扭力，就會(huì)引起跑圈，若繼續(xù)長(zhǎng)期運(yùn)行勢(shì)必引起電機(jī)故障。

1.2.2軸承裝配不合要求。

軸承的拆裝通常采取加熱的方式進(jìn)行。冷拆、冷裝都會(huì)影響軸承與軸的接觸面，造成配合公差過(guò)大，引起軸承跑圈。裝配軸承時(shí)一般將軸承加熱到90℃，且軸承安裝后內(nèi)套端面必須緊靠軸肩端面，不應(yīng)留有間隙。

1.2.3電機(jī)使用維護(hù)不當(dāng)，造成軸承跑圈。

電機(jī)使用過(guò)程中振動(dòng)過(guò)大，會(huì)造成軸承與端蓋間相對(duì)滑動(dòng)的扭力增大，當(dāng)大于靜摩擦力時(shí)，引起軸承跑外圈。電機(jī)潤(rùn)滑不好，造成軸承及端蓋過(guò)熱，由于軸、軸承及端蓋的熱膨脹系數(shù)不同，可引起配合公差增大，導(dǎo)致軸承跑圈。一旦發(fā)現(xiàn)軸承有跑圈現(xiàn)象，就應(yīng)及時(shí)對(duì)軸或端蓋進(jìn)行刷鍍、金屬噴涂等處理，使配合公差達(dá)到要求，必要時(shí)更換端蓋。

1.3軸承的潤(rùn)滑維護(hù)

做好軸承潤(rùn)滑維護(hù)，定期補(bǔ)充或更換潤(rùn)滑脂是保證軸承使用壽命的關(guān)鍵。軸承補(bǔ)脂周期因尺寸、類型、使用轉(zhuǎn)速、安裝方向、工作環(huán)境、潤(rùn)滑脂的質(zhì)量、運(yùn)轉(zhuǎn)溫度的差異而不同。對(duì)于相同尺寸和轉(zhuǎn)速的軸承，一般圓柱滾子軸承的補(bǔ)脂周期為球軸承的1/2，軸承轉(zhuǎn)速越高補(bǔ)脂周期越短，軸承運(yùn)行溫度每增加15℃補(bǔ)脂周期減半，軸承尺寸越大，補(bǔ)脂越頻繁；立式電機(jī)軸承補(bǔ)脂周期為水平電機(jī)的一半，潮濕多粉塵的環(huán)境應(yīng)縮短補(bǔ)脂周期，使用高性能的潤(rùn)滑脂可適當(dāng)延長(zhǎng)補(bǔ)脂周期。因電機(jī)使用環(huán)境、溫度、負(fù)載等的不同，補(bǔ)脂的周期還需根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)軸承聲音、振動(dòng)等多方面判斷，合理安排。

1.4電機(jī)檢修時(shí)軸承的選擇

檢修電機(jī)時(shí)，軸承最好選用與原裝軸承型號(hào)一致的軸承，選錯(cuò)軸承就會(huì)給電機(jī)安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。某電廠鍋爐引風(fēng)機(jī)電機(jī)（900kW、4極電機(jī)）檢修更換軸承時(shí)，將原配C3游隙的軸承更換為C1游隙軸承，電機(jī)試運(yùn)時(shí)10分鐘內(nèi)端蓋表面溫度升到90℃，潤(rùn)滑脂因高溫液化潤(rùn)滑失效，重新更換為C3游隙軸承后，沒(méi)有再發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象。因此，電機(jī)檢修時(shí)軸承的選擇非常重要，但對(duì)于原配軸承存在溫度過(guò)高現(xiàn)象時(shí)，可以適當(dāng)?shù)丶哟筝S承游隙，尤其對(duì)于高速電機(jī)。

2 定轉(zhuǎn)子故障

定子繞組故障一般由于電機(jī)絕緣老化、受潮、振動(dòng)磨損、接線端子松動(dòng)、過(guò)載、欠壓或過(guò)壓、缺相運(yùn)行等原因引起。電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中一旦出現(xiàn)保護(hù)跳閘，先判斷絕緣是否損壞。然后，測(cè)量繞組直阻，檢查三相直阻平衡度，判斷是否存在匝間短路或斷路故障。對(duì)于繞組故障的處理，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)情況對(duì)繞組采取局部絕緣處理、整體浸絕緣漆處理等方法，損壞嚴(yán)重的應(yīng)進(jìn)行重新繞制。

電機(jī)轉(zhuǎn)子的故障率較低，一般由于內(nèi)部缺陷或頻繁啟動(dòng)使轉(zhuǎn)子常承受較大的應(yīng)力，引起轉(zhuǎn)子斷條、斷環(huán)等故障。輕微的轉(zhuǎn)子故障不會(huì)對(duì)電機(jī)運(yùn)行帶來(lái)太大影響，通常會(huì)引起轉(zhuǎn)差率加大，定子電流及功率的增加，同時(shí)，出現(xiàn)三相電流不平衡、擺動(dòng)等現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子故障比較嚴(yán)重時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間加長(zhǎng)、帶載能力下降、啟動(dòng)中伴隨強(qiáng)烈振動(dòng)和噪聲，甚至無(wú)法啟動(dòng)，對(duì)定子線圈造成二次損壞。對(duì)于轉(zhuǎn)子故障的處理可采取局部修理或整體更換的方法。

3 電機(jī)過(guò)熱

3.1電機(jī)溫升是衡量電機(jī)是否過(guò)熱的依據(jù)，一旦出現(xiàn)各部位溫升超標(biāo)，不及時(shí)采取措施，將會(huì)影響電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。表2為電動(dòng)機(jī)額定溫升與絕緣等級(jí)的關(guān)系。溫升超標(biāo)會(huì)加速定子絕緣老化、潤(rùn)滑脂的失效，嚴(yán)重時(shí)損毀電機(jī)。

3.2 電機(jī)內(nèi)部原因引起的過(guò)熱

電機(jī)內(nèi)部原因引起的過(guò)熱主要有繞組短路、短路連接錯(cuò)誤、軸承故障等原因，此時(shí)應(yīng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行拆檢試驗(yàn)，查找具體原因進(jìn)行處理。

3.3 外部因素引起電機(jī)過(guò)熱

外部因素引起的電機(jī)過(guò)熱原因主要有：過(guò)載運(yùn)行、運(yùn)行電壓過(guò)高或過(guò)低、電壓缺相、使用環(huán)境惡劣等，對(duì)于外部原因引起的電機(jī)過(guò)熱，應(yīng)及時(shí)查找具體原因，以免對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行造成影響。

3.4 變頻器控制的電機(jī)過(guò)熱原因

變頻控制電機(jī)過(guò)熱的原因，一是變頻裝置用交-直-交控制，輸出的電壓、電流波形帶有高次諧波，引起電機(jī)的效率和功率因數(shù)變差，損耗增加，電機(jī)過(guò)熱。資料表明，變頻傳動(dòng)與工頻傳動(dòng)相比，電流約增加10%，溫升約增加20%；二是，電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，自身所帶風(fēng)扇轉(zhuǎn)速慢，散熱能力變差；三是，變頻器輸出電壓雖然為等效的正弦波，但實(shí)際電壓變化率du/dt增高，導(dǎo)致繞組匝間短路故障率增加，引起電機(jī)過(guò)熱。所以采用變頻控制的電機(jī)應(yīng)采用專用的變頻電機(jī)，變頻電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)能有效抑制高次諧波，散熱風(fēng)扇采用單獨(dú)的工頻電源風(fēng)扇，能有效地解決變頻控制電機(jī)過(guò)熱問(wèn)題。

4、電動(dòng)機(jī)振動(dòng)原因判斷及處理

4.1振動(dòng)的危害

⑴損傷軸承，加劇磨損，縮短使用壽命。

⑵損耗能量，降低效率。

⑶損傷電機(jī)基礎(chǔ)和其他零部件，若是電機(jī)本身原因引起的振動(dòng)還會(huì)對(duì)電機(jī)所拖動(dòng)的設(shè)備造成損傷，嚴(yán)重情況下會(huì)造成事故。

4.2 電動(dòng)機(jī)振動(dòng)允許值及引起振動(dòng)的原因

4.2.1振動(dòng)允許范圍

電動(dòng)機(jī)3個(gè)方向（水平、垂直、軸向）雙幅振動(dòng)最大允許值見(jiàn)表3。對(duì)于振動(dòng)的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)單獨(dú)依振幅為標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)參考速度值。GB 6075-99列出了四類旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)速度評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于振動(dòng)幅值和速度超標(biāo)的電機(jī)，應(yīng)查找振動(dòng)原因，采取有效措施，使電動(dòng)機(jī)振動(dòng)在允許范圍內(nèi)。

4.2.2電動(dòng)機(jī)振動(dòng)的原因

引起電動(dòng)機(jī)振動(dòng)的原因可分為兩個(gè)方面：一是電磁方面的原因；二是機(jī)械方面的原因，其中機(jī)械方面的原因是造成振動(dòng)的主要原因。

4.3 振動(dòng)原因的判別及處理

4.3.1振動(dòng)原因初判

在實(shí)際生產(chǎn)中，查找振動(dòng)原因，應(yīng)先判斷是電磁原因還是機(jī)械原因再判斷是電機(jī)還是負(fù)載機(jī)械引起的振動(dòng)，逐步縮小范圍。

判斷是由電磁原因還是機(jī)械原因引起的振動(dòng)，可將電機(jī)切斷電源，若振動(dòng)突然減小，則說(shuō)明振動(dòng)是由電磁方面的原因引起；若振動(dòng)變化不大，則振動(dòng)主要是機(jī)械原因引起。判斷是電機(jī)還是負(fù)載機(jī)械引起的振動(dòng)，可脫開(kāi)電機(jī)與負(fù)載的機(jī)械連接。若振動(dòng)依然較大則振動(dòng)是由電機(jī)本身引起，若振動(dòng)明顯減小，則與負(fù)載或安裝有關(guān)。[1]

4.4電磁原因造成的振動(dòng)及處理

異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)是轉(zhuǎn)子繞組電流和氣隙中的基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的結(jié)果。電磁轉(zhuǎn)矩T可表示為[2]

通過(guò)式（1）可看出引起振動(dòng)的電磁方面原因有三相電壓電流不平衡、三相阻抗不平衡、受諧波磁通影響、磁路中心線偏移等。在生產(chǎn)中，除了因電源電壓三相不平衡引起振動(dòng)，更多的是由于電機(jī)自身原因引起的。對(duì)于三相電流不平衡引起的振動(dòng)，檢查應(yīng)從定轉(zhuǎn)子兩方面考慮，轉(zhuǎn)子鼠籠條斷條、短路環(huán)開(kāi)裂、定子線圈匝間短路都會(huì)引起電機(jī)三相電流不平衡，引起電機(jī)振動(dòng)。所以發(fā)現(xiàn)電機(jī)振動(dòng)并伴有三相電流不平衡時(shí)，應(yīng)對(duì)定子直阻、轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢查，查找故障原因，消除振動(dòng)。

另外，基波及諧波磁通不平衡也會(huì)引起電機(jī)振動(dòng)，主要原因是定轉(zhuǎn)子間氣隙不對(duì)稱。氣隙不對(duì)稱允許范圍為±5%以內(nèi)，差別較大時(shí)通過(guò)調(diào)整定子墊片厚度來(lái)調(diào)節(jié)氣隙，使氣隙均勻。在生產(chǎn)中，常將下部氣隙適當(dāng)減小，增加電機(jī)的穩(wěn)定性。

4.5 機(jī)械原因造成的振動(dòng)及處理

因機(jī)械方面造成的電機(jī)振動(dòng)，很多是質(zhì)量分布不均轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生偏心離心力造成的，偏心離心力不斷變化方向，帶動(dòng)設(shè)備或基礎(chǔ)振動(dòng)。偏心離心大小可用以下公式表示：

由式（2）中可以分析振動(dòng)與轉(zhuǎn)體質(zhì)量、偏心距、轉(zhuǎn)速有很大關(guān)系。對(duì)于引起電動(dòng)機(jī)振動(dòng)的原因一是轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡不好、軸彎曲、軸承損壞等；二是電機(jī)安裝時(shí)軸線與所拖動(dòng)的設(shè)備軸線不一致、聯(lián)軸器不配合、地腳松動(dòng)、基礎(chǔ)強(qiáng)度不夠等。[3]

4.5.1電機(jī)自身不平衡原因引起的振動(dòng)

電機(jī)轉(zhuǎn)子及風(fēng)扇等轉(zhuǎn)動(dòng)部件由于結(jié)構(gòu)不對(duì)稱（如鍵槽）、材料質(zhì)量不均勻（厚薄不均或砂眼）或加工誤差等原因會(huì)引起旋轉(zhuǎn)部分不平衡，使重心相對(duì)軸線產(chǎn)生偏移，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生不平衡的離心力或離心力偶，使電機(jī)發(fā)生振動(dòng)。若轉(zhuǎn)子質(zhì)量中心線和轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)中心線是平行的，有一個(gè)固定的軸心距，稱為靜不平衡。此時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，軸會(huì)固定停在某一位置。若從整體看重心跌在轉(zhuǎn)動(dòng)軸線上，即質(zhì)量中心線與回轉(zhuǎn)中心線相交，則稱為動(dòng)不平衡，此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，靜止時(shí)可以停在任意位置。對(duì)于動(dòng)不平衡在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一對(duì)大小相等方向相反的離心力，形成一對(duì)力偶，引起電機(jī)振動(dòng)，此時(shí)可以通過(guò)校動(dòng)平衡、加平衡塊來(lái)解決。[5]

4.5.2 電動(dòng)機(jī)安裝不規(guī)范引起的振動(dòng)

電機(jī)安裝時(shí)，要求和所拖動(dòng)的設(shè)備軸心線保持一致。若兩軸線平行或相交，就會(huì)產(chǎn)生不平衡的離心力或離心力偶，引起電機(jī)和所拖動(dòng)的設(shè)備振動(dòng)。但在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)中往往還要考慮電機(jī)和所拖動(dòng)設(shè)備熱膨脹量的不同（如電機(jī)和液力耦合器的對(duì)中），對(duì)中時(shí)要為熱膨脹留出余量。[5]

對(duì)于電機(jī)和所拖動(dòng)設(shè)備間的聯(lián)軸器應(yīng)保證在機(jī)械上是平衡的，且使用合適的鍵，鍵槽和鍵是產(chǎn)生不平衡的一個(gè)很重要的因素，鍵在槽內(nèi)不應(yīng)有間隙。安裝聯(lián)軸器時(shí)正確的方法是使用階梯鍵。階梯鍵在聯(lián)軸器內(nèi)是整個(gè)厚度，在聯(lián)軸器外是一般厚度，能有效減少因鍵和鍵槽引起的轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡的產(chǎn)生。在安裝聯(lián)軸器時(shí)，還應(yīng)保證聯(lián)軸器間應(yīng)有3～5mm的余量，防止設(shè)備運(yùn)行時(shí)因熱膨脹使軸伸長(zhǎng)，使電機(jī)軸受到軸向力，引起電機(jī)振動(dòng)。對(duì)于聯(lián)軸器間的連接螺栓，應(yīng)保證減振橡膠墊圈受力均勻，實(shí)踐中常發(fā)現(xiàn)因墊圈大小不一致，受力不均引起振動(dòng)的現(xiàn)象。

電機(jī)基礎(chǔ)的強(qiáng)度不夠，不牢固、不平也是造成電機(jī)振動(dòng)的原因之一。某電廠疏水泵電機(jī)（45kW，2極電機(jī)）曾出現(xiàn)振動(dòng)達(dá)0.07mm的情況，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)電機(jī)基礎(chǔ)一固定螺絲松動(dòng)，緊固螺絲后，振動(dòng)下降至0.03mm。對(duì)于電機(jī)的安裝底座，要有足夠的強(qiáng)度和精度。如果固定電機(jī)的4個(gè)螺栓點(diǎn)不在同一平面上，在緊固螺栓時(shí)，使電機(jī)底座變形扭曲，使軸中心偏移，也會(huì)引起電機(jī)振動(dòng)。從大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，規(guī)范的安裝電機(jī)可以有效減小電機(jī)的振動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，制約電動(dòng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的因素很多，在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于不同故障現(xiàn)象還應(yīng)辯證的去分析原因，例如，軸承故障可能出現(xiàn)電機(jī)發(fā)熱、電流升高、振動(dòng)加大等現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子故障也會(huì)引起電機(jī)振動(dòng)加大、三相電流不平衡等現(xiàn)象。因此，對(duì)于電動(dòng)機(jī)的故障判斷可根據(jù)上述分析從多方面加以借鑒，更好地做好電動(dòng)機(jī)的檢修和維護(hù)，有效地保證安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：

左安林（1982-），男，山東淄博人，工程師，主要從事電氣自動(dòng)化方面的研究

孫澤林（1967-），男，山東淄博人，高級(jí)工程師，主要從事電氣自動(dòng)化方面的研究