某船主推進(jìn)電機(jī)偶發(fā)艏、艉樞電流異常偏差問(wèn)題分析及修理

刁愛(ài)民，李海濤

(海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

某船主推進(jìn)電機(jī)偶發(fā)艏、艉樞電流異常偏差問(wèn)題分析及修理

刁愛(ài)民，李海濤

(海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

針對(duì)某船主推進(jìn)電機(jī)偶發(fā)艏、艉樞電流異常偏差問(wèn)題，理論上分析了電流偏差的原因，在全面分析、排查、勘驗(yàn)基礎(chǔ)上，借助溫升試驗(yàn)等技術(shù)手段，精確定位了故障點(diǎn)，確定了故障原因，采用合理修理方案及時(shí)排除了主動(dòng)力裝備存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

船舶；主推進(jìn)電機(jī)；電樞電流；溫升試驗(yàn)；修理

主推進(jìn)電機(jī)作為船舶的關(guān)鍵裝備，屬于動(dòng)力核心，其可靠運(yùn)行對(duì)船舶整體技術(shù)狀態(tài)的發(fā)揮和功能實(shí)現(xiàn)具有重要意義。直流推進(jìn)電機(jī)作為一種主要的推進(jìn)電機(jī)形式，具有電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩易于調(diào)控的優(yōu)點(diǎn)，且調(diào)速系統(tǒng)的控制流程也相對(duì)簡(jiǎn)單，在船舶行業(yè)中仍得到廣泛應(yīng)用[1-2]。為了保證推進(jìn)電機(jī)具有較高的輸出功率，一些大型直流電機(jī)多采用雙電樞結(jié)構(gòu)[3]。

國(guó)內(nèi)某特種船舶即采用雙樞直流推進(jìn)電機(jī)作為主動(dòng)力裝備。在正常使用幾年后，該船主推進(jìn)電機(jī)在雙樞并聯(lián)工況下偶發(fā)艏、艉樞勵(lì)磁電流異常偏差現(xiàn)象，且近來(lái)呈嚴(yán)重化發(fā)展趨勢(shì)，極大影響主動(dòng)力系統(tǒng)的性能發(fā)揮和安全使用。本文較為詳細(xì)的介紹了該船主推進(jìn)電機(jī)偶發(fā)艏、艉樞電流異常偏差問(wèn)題發(fā)生后的解決過(guò)程，包括故障理論分析，原因分析排查、處理措施制定及修理效果驗(yàn)證等內(nèi)容，以期作為后續(xù)處理類似問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)參考。

1 主推進(jìn)電機(jī)組成及特點(diǎn)

該型主推進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子2大部分組成：定子不僅用來(lái)支撐整個(gè)電機(jī)，還用于安裝主磁極、換向極和電刷裝置，其中主磁極包含主磁極繞組、補(bǔ)償繞組和鐵心，換向極包含換向極繞組和鐵心；轉(zhuǎn)子(又稱電樞)主要包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器等，其電樞繞組為雙蛙繞組形式[4]。

該型主推進(jìn)電機(jī)采用雙電樞(艏、艉樞)、雙換向器、雙內(nèi)機(jī)座的結(jié)構(gòu)形式。艏、艉電樞功率相同，安裝在同一根軸上，由電機(jī)兩端的軸承支撐；艏、艉電樞可以同時(shí)正、反轉(zhuǎn)。電機(jī)雙樞勵(lì)磁繞組采用并聯(lián)和故障應(yīng)急串聯(lián)連接方式，可單樞或雙樞串、并聯(lián)運(yùn)行；并聯(lián)工作時(shí)，借助于均衡電阻平衡艏、艉樞勵(lì)磁電流差及電樞電流差。正常運(yùn)行工況下，艏、艉樞電流差通常不超過(guò)300 A。

2 故障現(xiàn)象

該船主推進(jìn)電機(jī)投入使用的前幾年，情況基本正常。但從近2年使用情況看，開(kāi)始出現(xiàn)艏、艉樞勵(lì)磁電流異常偏差現(xiàn)象，從前期的偶爾發(fā)生到近期的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)，問(wèn)題呈現(xiàn)嚴(yán)重化發(fā)展趨勢(shì)。具體情況如下。

1)2014年9月，該主推進(jìn)電機(jī)艏、艉樞勵(lì)磁電流連續(xù)偏差28 h，后又恢復(fù)正常。

2)2015年4月，主推進(jìn)電機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)艏、艉樞勵(lì)磁電流偏差現(xiàn)象，但后續(xù)航行期間電流偏差現(xiàn)象消失。

3)2015年5月上旬，航行狀態(tài)下主推進(jìn)電機(jī)艏、艉樞勵(lì)磁電流偏差現(xiàn)象持續(xù)40多個(gè)小時(shí)，最大偏差8 A。

4)2015年5月下旬，航行狀態(tài)下主推進(jìn)電機(jī)艏、艉樞勵(lì)磁電流偏差持續(xù)60多個(gè)小時(shí)，最大偏差6 A；其中艏、艉樞并聯(lián)運(yùn)行10 h，電樞電流持續(xù)偏差1 000～1 200 A。

3 推進(jìn)電機(jī)電樞電流偏差理論分析

雙電樞電機(jī)采用機(jī)械特性硬度較大的他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，其復(fù)合機(jī)械特性硬度大，雙電樞并聯(lián)機(jī)械特性小的差異會(huì)造成2個(gè)電樞負(fù)荷電流不均勻。本質(zhì)上電流由電樞端電壓、電樞電路電阻和勵(lì)磁磁通這些電磁參數(shù)不同所致。

從故障現(xiàn)象分析，排除電樞端電壓、電樞電路電阻出現(xiàn)故障，唯一原因?yàn)閯?lì)磁回路故障。

在任一電樞電路中，端電壓U為反電勢(shì)E與電樞電路電阻壓降之和，即U=E+IR。式中IR一般為5%U，而反電勢(shì)E約為95%U。磁通小的電樞，反電勢(shì)也小，電樞電流大，而較小的磁通差別將引起較大的電樞電流差別。

因此我們重點(diǎn)排查勵(lì)磁電流較小的勵(lì)磁回路是否存故障。

4 原因排查

考慮主推進(jìn)電機(jī)在艏、艉樞串、并聯(lián)工況下，其勵(lì)磁電流均存在不同程度偏差，故勵(lì)磁回路成為主要排查對(duì)象，重點(diǎn)包括勵(lì)磁控制板、勵(lì)磁繞組等。

4.1 系統(tǒng)檢查

首先采用靜態(tài)檢查的方法排查勵(lì)磁回路系統(tǒng)。

1)接頭接線檢查。主推進(jìn)電機(jī)艏、艉樞勵(lì)磁繞組外接頭檢查，未發(fā)現(xiàn)異常；主推進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁接線端(外部)連接緊固。

2)直流電阻值測(cè)量。在日常使用環(huán)境下，測(cè)量主推艏、艉樞勵(lì)磁繞組的冷、熱態(tài)直流電阻值，以及對(duì)地絕緣值。在室溫27 ℃、濕度76%條件下，艏、艉樞冷態(tài)電阻相差0.129 Ω、熱態(tài)電阻相差0.15 Ω，艉樞電阻值偏大；勵(lì)磁繞組對(duì)地絕緣值25 MΩ。

3)勵(lì)磁回路通電試驗(yàn)。在30 A、50 A、60 A、70 A、80 A電流下進(jìn)行通電檢查，記錄艏、艉樞勵(lì)磁分流器、勵(lì)磁繞組的電壓值，比較艏、艉樞勵(lì)磁電流差異情況。隨著勵(lì)磁電流及通電時(shí)間的增加，艏、艉樞勵(lì)磁電流的差值由1 A增加到5 A，艉樞勵(lì)磁電流偏??；勵(lì)磁轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)壓降基本正常。

4)主磁極氣隙測(cè)量。在艏、艉樞主磁極極弧中部和電樞相應(yīng)位置作好標(biāo)記，用專用設(shè)備測(cè)量艏、艉樞主磁極氣隙并記錄；電樞盤車1圈，復(fù)測(cè)主磁極氣隙。經(jīng)測(cè)量，各主磁極氣隙值基本在理論值范圍內(nèi)，未出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。

4.2 溫升試驗(yàn)

主磁極作為勵(lì)磁回路的重要組成部分，其技術(shù)狀態(tài)的好壞直接影響勵(lì)磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性。前期已測(cè)量了各主磁極聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下的總直流電阻，但無(wú)法確定單個(gè)主磁極的技術(shù)狀態(tài)。在盡量減少拆檢工程范圍的原則下，通過(guò)開(kāi)展主磁極溫升試驗(yàn)，可以分別確定各主磁極在通電環(huán)境下的溫升特性，進(jìn)而掌握其制造質(zhì)量及使用穩(wěn)定性。

4.2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)前，要求主推進(jìn)電機(jī)及控制板、風(fēng)機(jī)、勵(lì)磁機(jī)組等工作狀態(tài)正常，符合開(kāi)機(jī)要求；主推軸系與主推進(jìn)電機(jī)為脫開(kāi)狀態(tài)；船電供應(yīng)正常。

為了準(zhǔn)確測(cè)量通電條件下各主磁極的溫升特性，使用美國(guó)FLUKE公司的2638 A/60全能型數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，配套使用K型熱電偶，其量程為-270～1 372 ℃、分辨率0.01 ℃、準(zhǔn)確度0.60 ℃；溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度為±1 ℃。

圖1 主磁極勵(lì)磁繞組內(nèi)、外接頭測(cè)點(diǎn)布置圖

溫升測(cè)點(diǎn)布置在主推進(jìn)電機(jī)艏、艉樞主磁極勵(lì)磁繞組外接頭及內(nèi)接頭的延長(zhǎng)線上，如圖1所示，測(cè)點(diǎn)數(shù)目共56個(gè)(艏、艉樞各28個(gè))；用3M耐溫膠帶將K型熱電偶固定在被測(cè)點(diǎn)上，保證接線可靠。

試驗(yàn)前，測(cè)量艏、艉樞主磁極勵(lì)磁回路冷態(tài)直流電阻值及對(duì)地絕緣電阻值并記錄。

4.2.2 試驗(yàn)過(guò)程

在主推進(jìn)電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，艏、艉樞并聯(lián)，向勵(lì)磁回路供直流電，主要電流值分別為：30 A、50 A、70 A(持續(xù)通電各2 h)和80 A(持續(xù)通電1 h)，其中勵(lì)磁電流在50 A以上時(shí)按要求開(kāi)啟通風(fēng)機(jī)。原則上0.5 h記錄1次各測(cè)點(diǎn)溫度值，視情調(diào)整各電流下的通電時(shí)間和溫度值記錄間隔。

現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，30 A和50 A電流工況下，艉樞2#主磁極內(nèi)、外接頭測(cè)點(diǎn)的溫升明顯較快，供電約90 min后，其測(cè)點(diǎn)溫度相比于其他測(cè)點(diǎn)要高出約11～13 ℃。隨著供電電流的增大，開(kāi)啟通風(fēng)機(jī)后，各測(cè)點(diǎn)溫升曲線發(fā)生變化，橫向?qū)Ρ汝P(guān)系變得不明顯。溫升試驗(yàn)進(jìn)行4.5 h后，將勵(lì)磁電流降低為40 A，關(guān)閉通風(fēng)機(jī)，此時(shí)2#主磁極內(nèi)外接頭測(cè)點(diǎn)溫度在3 min內(nèi)快速升高了近10 ℃。

4.2.3 數(shù)據(jù)分析

比較艏、艉樞主磁極勵(lì)磁繞組內(nèi)、外接頭的溫升測(cè)量數(shù)據(jù)可知：在各運(yùn)行工況下，艏樞主磁極勵(lì)磁繞組內(nèi)、外接頭的溫升數(shù)據(jù)基本相當(dāng)且在正常范圍內(nèi)，沒(méi)有溫升異常點(diǎn)，表明艏樞主磁極勵(lì)磁繞組技術(shù)狀態(tài)基本正常；除了艉樞2#主磁極勵(lì)磁繞組內(nèi)、外接頭溫升數(shù)據(jù)比較特殊外，艉樞其他主磁極勵(lì)磁繞組接頭溫升數(shù)據(jù)也基本相當(dāng)，屬于正常范圍。

圖2 艉樞1#～3#主磁極勵(lì)磁繞組外接頭溫升曲線對(duì)比(修前)

圖2給出了艉樞2#主磁極勵(lì)磁繞組外接頭與其相鄰2個(gè)主磁極勵(lì)磁繞組外接頭溫升曲線的對(duì)比關(guān)系。圖中過(guò)程Ⅰ～Ⅴ分別代表如下運(yùn)行工況：①過(guò)程Ⅰ，勵(lì)磁電流30 A，關(guān)閉通風(fēng)機(jī)；②過(guò)程Ⅱ，勵(lì)磁電流50 A，關(guān)閉通風(fēng)機(jī)；③過(guò)程Ⅲ，勵(lì)磁電流50 A，開(kāi)啟通風(fēng)機(jī)；④過(guò)程Ⅳ，勵(lì)磁電流70 A，開(kāi)啟通風(fēng)機(jī)；⑤過(guò)程Ⅴ，勵(lì)磁電流80 A，開(kāi)啟通風(fēng)機(jī)；⑥過(guò)程Ⅴ以后，勵(lì)磁電流40 A，關(guān)閉通風(fēng)機(jī)，溫度快速上升后重新開(kāi)啟通風(fēng)機(jī)。

綜合分析可知，在通風(fēng)機(jī)未開(kāi)啟的過(guò)程Ⅰ、Ⅱ中，1#、3#主磁極勵(lì)磁繞組外接頭溫度變化規(guī)律一致，溫差也很小，而2#主磁極勵(lì)磁繞組外接頭溫升明顯更快，最大相差11 ℃；過(guò)程Ⅲ中，通風(fēng)機(jī)開(kāi)啟不久，各接頭溫度迅速下降，表明通風(fēng)機(jī)對(duì)主推進(jìn)電機(jī)的冷卻效果明顯；過(guò)程Ⅳ、Ⅴ中，在通風(fēng)機(jī)開(kāi)啟狀態(tài)下，隨著通電電流和時(shí)間的增加，各接頭溫度繼續(xù)緩慢增長(zhǎng)，同時(shí)各接頭溫度的橫向?qū)Ρ汝P(guān)系也發(fā)生較大變化，例如1#、3#外接頭開(kāi)始出現(xiàn)明顯溫度差，表明通風(fēng)機(jī)開(kāi)啟導(dǎo)致主推進(jìn)電機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)分布發(fā)生變化；過(guò)程Ⅴ以后，降低勵(lì)磁電流、關(guān)閉通風(fēng)機(jī)，各外接頭溫度快速上升，2#外接頭在5 min內(nèi)溫度上升了25 ℃，表明原本被強(qiáng)制冷卻的主磁極的熱量得到快速釋放，而再次開(kāi)啟通風(fēng)機(jī)后，溫度又開(kāi)始迅速下降。

另外，在以上各運(yùn)行工況，除了試驗(yàn)后期通風(fēng)機(jī)關(guān)閉后的異常升溫過(guò)程，2#主磁極內(nèi)、外接頭的溫度差基本保持在1～3 ℃范圍內(nèi)，兩者溫升變化規(guī)律基本一致，此處不再贅述。

4.2.4 初步結(jié)論

主推進(jìn)電機(jī)艉樞2#主磁極溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)異常，其本身制造工藝可能存在原始缺陷，導(dǎo)致直流電阻偏大，建議出艙進(jìn)一步拆檢、鑒定。

5 修理措施

5.1 出艙拆檢

為了準(zhǔn)確定位問(wèn)題原因，對(duì)艉樞2#主磁極拆卸出艙，進(jìn)一步拆檢、勘驗(yàn)。拆卸前，對(duì)艉樞2#主磁極氣隙、與其相鄰換向極的氣隙、極間距離、緊固件的緊固力矩、墊板數(shù)量及厚度、電刷裝置中性面位置等參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的標(biāo)記和記錄。

5.1.1 電阻測(cè)量

2013年該船在廠修期間，測(cè)得2#主磁極的直流電阻約為0.187 Ω，比理論值偏大；此次出艙時(shí)，測(cè)得其直流電阻約為0.124 Ω；拆卸進(jìn)車間后，2#主磁極勵(lì)磁繞組直流電阻不穩(wěn)定，在0.121～0.144 Ω之內(nèi)波動(dòng)。

5.1.2 拆檢勘驗(yàn)

外觀檢查發(fā)現(xiàn)，該2#主磁極勵(lì)磁繞組浸漆不到位，線圈匝間縫隙油漆不緊致。

進(jìn)一步拆檢整個(gè)磁極發(fā)現(xiàn)：內(nèi)接頭勵(lì)磁繞組并繞2根線間未焊牢，存在虛焊情況；并繞的2根線與包覆片也未焊牢，如圖3所示；勵(lì)磁繞組并繞2線中的1根存在搭接現(xiàn)象，導(dǎo)致線間接觸不牢固，如圖4所示；勵(lì)磁繞組絕緣層存在搭接現(xiàn)象。

圖3 并繞線圈包覆片焊接不牢靠

圖4 并繞線圈中存在的搭接現(xiàn)象

5.2 主磁極重制

由于2#主磁極存在原始制造缺陷，為了恢復(fù)其技術(shù)狀態(tài)，需要通過(guò)重新制作勵(lì)磁線圈來(lái)解決。

采用保持與原主磁極技術(shù)狀態(tài)一致的方案，利用原線圈鐵芯，在保證線圈外形尺寸、繞制方式、固定方式等均一致的情況下重新制作2#主磁極勵(lì)磁繞組，并注意在拆繞過(guò)程中保護(hù)好補(bǔ)償繞組。

主磁極勵(lì)磁繞組新制完成后，將主磁極整體采用真空壓力浸漬、烘焙工藝進(jìn)行絕緣處理(浸H級(jí)無(wú)溶劑漆，真空壓力浸漬、烘焙2次)。浸漬烘焙后，分別進(jìn)行匝間、對(duì)地絕緣耐壓試驗(yàn)，檢查合格后提交。新制主磁極直流電阻0.124 Ω。

6 修后試驗(yàn)

艉樞2#主磁極新制合格后，上船安裝，恢復(fù)系統(tǒng)狀態(tài)，通過(guò)系泊和航行試驗(yàn)驗(yàn)證故障排除情況。

6.1 系泊試驗(yàn)

系泊試驗(yàn)主要開(kāi)展主推進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁回路靜態(tài)檢查，包括勵(lì)磁回路直流電阻測(cè)量、勵(lì)磁電流供應(yīng)一致性檢查等，重點(diǎn)開(kāi)展溫升特性試驗(yàn)。

修后溫升試驗(yàn)的工況、方法等均同前期一致。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各主磁極溫度變化過(guò)程基本正常。為了對(duì)比修理效果，重點(diǎn)關(guān)注艉樞2#主磁極溫升特性。圖5給出了艉樞1#～3#主磁極勵(lì)磁繞組外接頭溫升曲線對(duì)比情況。

圖5 艉樞1#～3#主磁極勵(lì)磁繞組外接頭溫升曲線對(duì)比(修后)

從圖5可以看出：1#～3#主磁極的溫升過(guò)程基本一致，未開(kāi)啟通風(fēng)機(jī)前，三者最大溫差不超過(guò)3 ℃；通風(fēng)機(jī)開(kāi)啟后，各主磁極溫度快速下降，隨后開(kāi)始緩慢升溫，但3個(gè)測(cè)點(diǎn)間溫差不大；試驗(yàn)后期，降低通電電流，關(guān)閉通風(fēng)機(jī)后，3個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度快速回升，但最大溫差不超過(guò)5 ℃。對(duì)比圖2和圖5可知，艉樞2#主磁極新制后，其溫升曲線恢復(fù)正常。

靜態(tài)檢查及溫升試驗(yàn)完成后，主推進(jìn)電機(jī)開(kāi)展了艏、艉樞串、并聯(lián)工況空載動(dòng)車試驗(yàn)，結(jié)果正常。

6.2 航行試驗(yàn)

在系泊試驗(yàn)基礎(chǔ)上，按要求對(duì)修理后的主推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了航行試驗(yàn)，包括船舶前進(jìn)、后退條件下常用運(yùn)行工況的檢驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，主推進(jìn)電機(jī)各工況工作正常，艏、艉樞并聯(lián)條件下電樞電流最大相差200 A，勵(lì)磁電流最大相差1 A，滿足使用技術(shù)要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某船主推進(jìn)電機(jī)偶發(fā)艏艉樞電流異常偏差問(wèn)題，通過(guò)理論分析，在全面分析、排查、勘驗(yàn)基礎(chǔ)上，借助溫升試驗(yàn)等技術(shù)手段，精確定位了故障點(diǎn)，確定了故障原因，采用合理措施及時(shí)排除了主動(dòng)力設(shè)備存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

主推進(jìn)電機(jī)設(shè)備的制造工藝質(zhì)量直接影響后期使用的可靠性和安全性。面對(duì)類似問(wèn)題，除了加強(qiáng)生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)督外，也應(yīng)加強(qiáng)日常使用過(guò)程中的觀察、監(jiān)測(cè)，持續(xù)掌握其技術(shù)狀態(tài)演變規(guī)律，為后續(xù)故障排查、診斷提供第一手資料。

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In order to eliminate the incidental deviation of armature current of marine main propulsion motor, the cause of the current deviation is analyzed in theory, based on the comprehensive analysis, investigation and inspection, repair technique and measures including temperature rise test were presented to pinpoint the fault, determine the cause, and finally exclude the potential risks of the propulsion motor.

marine；main propulsion motor；armature current；temperature rise test；repair

刁愛(ài)民(1966-)，男，江蘇金壇人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事船機(jī)電管理及保障研究工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.01.006

2015-10-26