裝甲車輛起動(dòng)電動(dòng)機(jī)常見故障綜述

李國強(qiáng)+李光升

摘 要：裝甲車輛起動(dòng)電動(dòng)機(jī)在工作過程中，針對(duì)直流電動(dòng)機(jī)部分，發(fā)生的故障按類型可分為電氣和機(jī)械類。故障的發(fā)生是由多種原因造成的，既與直流電機(jī)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能特性有關(guān)，又受直流電機(jī)實(shí)際工作環(huán)境和工作條件的影響，要完全理解故障發(fā)生原因，就需要研究直流電機(jī)的工作特性，分析各種常見的故障類型及故障發(fā)生機(jī)理，同時(shí)也為后續(xù)的故障特征提取提供了理論依據(jù)。本文以某型裝甲車輛起動(dòng)電動(dòng)機(jī)為例，分析其運(yùn)行特性和數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，列舉常見故障類型及現(xiàn)象，從電樞電流和振動(dòng)信號(hào)的角度對(duì)常見故障作機(jī)理分析。

關(guān)鍵詞：起動(dòng)電動(dòng)機(jī)；常見故障；機(jī)理分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.008

1 裝甲車輛起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

對(duì)于裝甲車輛這種大型重載車輛，往往在起動(dòng)過程中要求的轉(zhuǎn)矩特別大，因此裝甲車輛起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式一般采用串勵(lì)方式。本文研究的起動(dòng)電動(dòng)機(jī)中的直流電動(dòng)機(jī)就是串勵(lì)方式。

當(dāng)裝甲車輛直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，近似的寫出它運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)線性方程為：

在上述方程中，為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，為粘滯摩擦轉(zhuǎn)矩，為干摩擦轉(zhuǎn)矩，為電機(jī)角速度，為電機(jī)常數(shù)，為電樞電感，為電樞等效電阻，為電樞電流，為電源電壓。

電動(dòng)機(jī)空載時(shí)電樞電流的瞬態(tài)響應(yīng)值為：

2 裝甲車輛起動(dòng)電動(dòng)機(jī)常見故障與機(jī)理分析

對(duì)于裝甲車輛起動(dòng)電動(dòng)機(jī)來說，具有與一般直流電動(dòng)機(jī)相似的結(jié)構(gòu)特性，經(jīng)查閱大量文獻(xiàn)資料，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)發(fā)生的常見故障類型與原因作了分析。并結(jié)合起動(dòng)電流和振動(dòng)信號(hào)對(duì)電動(dòng)機(jī)的常見故障作了機(jī)理分析，總結(jié)如下。

2.1 定子繞組故障

（1）故障特征及原因。定子勵(lì)磁繞組較易發(fā)生的故障一般有繞組匝間短路故障、相間短路故障和繞組接地故障等。

當(dāng)勵(lì)磁繞組匝間短路時(shí)，電機(jī)的振動(dòng)加劇，會(huì)產(chǎn)生繞組發(fā)熱、冒煙和絕緣層燒焦的現(xiàn)象，發(fā)生該故障主要是由絕緣層表面堆積灰塵或油污、S彎處因制造或重修偏差使匝間短路、拆機(jī)修理時(shí)產(chǎn)生機(jī)械損傷等原因造成。當(dāng)勵(lì)磁繞組接地時(shí)，電機(jī)將處于嚴(yán)重故障狀態(tài)，發(fā)生該故障主要因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)絕緣層破損，導(dǎo)致線圈與鐵芯和機(jī)座直接導(dǎo)通，此時(shí)繞組中的大電流會(huì)對(duì)乘員生命帶來巨大威脅。故障原因主要是在制造時(shí)，絕緣層的包裹程度有缺陷，加上長期使用和保養(yǎng)不及時(shí)就會(huì)導(dǎo)致絕緣破損而接地。

（2）故障機(jī)理分析。定子繞組匝間短路屬于電動(dòng)機(jī)繞組故障中發(fā)生比較早的故障現(xiàn)象，其他繞組故障均有它逐步加深導(dǎo)致。這里主要對(duì)定子繞組匝間短路進(jìn)行故障機(jī)理分析。

定子繞組匝間短路發(fā)生時(shí)，其定子電流的故障特征頻率是一個(gè)重要參數(shù)，可以采用多回路理論[2]分析得到，該理論的原理是對(duì)電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)進(jìn)行分析的，即根據(jù)定轉(zhuǎn)子繞組之間的互感系數(shù)，求得定轉(zhuǎn)子之間的磁鏈和感應(yīng)電流，短路時(shí)繞組電感的變化會(huì)使感應(yīng)電流也發(fā)生變化，具體方法是對(duì)采集的定子電流即電樞電流作FFT得到電流的頻譜，故障狀態(tài)相比正常工作狀態(tài)，其電流幅值會(huì)在特征頻率處明顯增大，從而判別出定子繞組匝間是否發(fā)生了短路故障。

此外，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子之間相互作用，會(huì)有旋轉(zhuǎn)力產(chǎn)生，這種力會(huì)引起定子繞組的周期性變化并產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)定子繞組短路時(shí)，定子結(jié)構(gòu)的電磁噪聲和振動(dòng)會(huì)加劇，相比正常狀態(tài)時(shí)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)會(huì)有諧波幅度的變化[3]。

2.2 換向故障

（1）故障特征及原因。電刷作為直流電動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的引導(dǎo)和換向，電機(jī)工作時(shí)，電刷接觸在換向器表面滑動(dòng)，滑動(dòng)越平穩(wěn)換向效果就越好，換向不良會(huì)出現(xiàn)刷火異常，這種現(xiàn)象一般呈明亮、暴鳴狀、火球狀或飛濺狀等，刷火異常往往會(huì)使換向器表面出現(xiàn)燒痕而變黑。火花的產(chǎn)生通常由電磁原因、機(jī)械原因、環(huán)境原因和負(fù)載原因等因素造成[4]。

（2）故障機(jī)理分析。在電動(dòng)機(jī)換向過程中，實(shí)際流過的電樞電流并不是保持恒定的，而是會(huì)產(chǎn)生上下的起伏。隨著電動(dòng)機(jī)工作年限的增加，電動(dòng)機(jī)的電刷會(huì)被磨損，這樣就導(dǎo)致了電刷和換向器之間的縫隙不斷增大，從電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型上分析是因?yàn)楦赡Σ赁D(zhuǎn)矩變小了。從公式（2-1）中看，在不改變其他條件時(shí)，電刷與換向器之間縫隙增大，即意味著電刷的接觸電阻增大，因此電樞電流將會(huì)變小。

2.3 電樞故障

（1）故障特征及原因。起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電樞繞組為單波繞組，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是同極性的繞組按一定規(guī)律串聯(lián)起來構(gòu)成單條支路，再經(jīng)電刷使電樞繞組和直流電源的正負(fù)兩端接通從而形成電動(dòng)機(jī)回路。電樞繞組常有斷裂開焊和短路故障發(fā)生，開焊的原因主要是負(fù)載過大、電流過大、機(jī)體材料缺陷等。短路故障按照位置不同可分成換向器片端短路、驅(qū)動(dòng)端短路及匝間短路，其中換向片間短路更常見，其原因是換向器云母溝內(nèi)有導(dǎo)電雜質(zhì)或粉塵。電樞繞組匝間短路一般由電樞繞組絕緣層破損、繞組受酸類物質(zhì)侵蝕、重修安裝時(shí)損傷絕緣層的機(jī)械結(jié)構(gòu)等因素造成。

（2）故障機(jī)理分析。電樞發(fā)生的常見故障是電樞繞組元件開焊。開焊的元件在電機(jī)運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生兩種情況。第一種情況是它和正常的繞組構(gòu)成電樞回路，第二種是完全脫離開來不構(gòu)成任何回路。第一種情況下，電路中參數(shù)不會(huì)發(fā)生改變，由電機(jī)模型公式（1-2）推導(dǎo)出電路變?yōu)闊o故障狀態(tài)，電樞電阻和電樞電流的數(shù)值均表現(xiàn)為正常狀態(tài)。第二種情況下，由于電樞元件的開焊，導(dǎo)致并聯(lián)電阻的減少，即等效的電樞電阻會(huì)增大，根據(jù)電機(jī)模型公式（1-2）推導(dǎo)，此時(shí)電樞電流會(huì)減小。這種變化會(huì)隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)周期性出現(xiàn)，電樞電流在時(shí)域內(nèi)呈現(xiàn)的變化具有周期性波動(dòng)的效果，并且電機(jī)振動(dòng)和噪聲也會(huì)加劇。

2.4 轉(zhuǎn)子偏心故障

（1）故障特征及原因。電動(dòng)機(jī)在機(jī)械換向時(shí)，對(duì)定子和轉(zhuǎn)子的同心度要求比較高，不能存在明顯的轉(zhuǎn)子偏心問題，但因?yàn)橹圃鞎r(shí)產(chǎn)生的公差、運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生磨損以及安裝不合理等因素，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子產(chǎn)生偏心。電動(dòng)機(jī)的氣隙偏心分靜態(tài)偏心和動(dòng)態(tài)偏心兩類，分別如圖1（a）、（b）所示。endprint

（2）故障機(jī)理分析。當(dāng)偏心故障發(fā)生時(shí)會(huì)帶來定轉(zhuǎn)子之間氣隙的變化，由于氣隙是屬于電機(jī)主磁路的一部分，因此偏心也會(huì)帶來磁場(chǎng)的改變，導(dǎo)致電磁不平衡而產(chǎn)生力矩，受力矩的影響，偏心故障程度會(huì)不斷加深[5]。偏心故障的發(fā)生會(huì)破壞磁路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，此時(shí)電樞電流中會(huì)產(chǎn)生諧波頻率。當(dāng)偏心較嚴(yán)重時(shí)，因電刷與換向器之間的接觸性變差會(huì)出現(xiàn)火花。對(duì)直流電動(dòng)機(jī)來說，可以檢測(cè)和分析定子電流中的諧波頻率成分來判斷轉(zhuǎn)子是否發(fā)生偏心故障。

直流電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)存在差異，但是齒槽效應(yīng)和偏心現(xiàn)象是相似的，根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)，將參數(shù)代入式（2-2），能夠求得槽諧波和周圍的偏心故障特征諧波成分的頻率。

此外，靜態(tài)偏心和動(dòng)態(tài)偏心具有不同的振動(dòng)特性，其故障特征頻率也是不同的。動(dòng)態(tài)偏心故障的振動(dòng)特征頻率可能與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率相等。

2.5 軸承故障

故障特征及原因：

滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)包括內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架四部分。軸承作為起動(dòng)電動(dòng)機(jī)傳輸動(dòng)力過程中的關(guān)鍵部件，受摩擦和激振力的影響極易發(fā)生故障，并且受不同因素影響會(huì)產(chǎn)生不同程度的損傷類型，下面將故障類型及原因總結(jié)如表1所示。

（2）故障機(jī)理分析。軸承作為起動(dòng)電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的支撐部件，在起動(dòng)過程中會(huì)受到軸向和徑向力，這種力的作用就是軸承發(fā)生形變的原因。當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)軸承上的某一部位發(fā)生微小故障時(shí)，隨著電動(dòng)機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)生故障的部位與軸承正常部位會(huì)發(fā)生周期性接觸，這種接觸會(huì)增加故障部位的進(jìn)一步損壞。并伴隨著電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子氣隙間隙和磁導(dǎo)發(fā)生變化，這些變化的諧波最終會(huì)反映在電樞電流中。因此通過檢測(cè)電樞電流中特定的諧波頻率就能對(duì)軸承故障進(jìn)行診斷[6]。

另外，軸承運(yùn)行過程中，其滾動(dòng)體在具有凹凸特點(diǎn)的接觸面上滾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生交變的激振力。正常狀態(tài)下時(shí)，因?yàn)榻佑|面的凹凸性和深淺是不規(guī)則的，因此這種激振力也是無規(guī)律的，測(cè)量得到的振動(dòng)信號(hào)含有多種頻率成分。當(dāng)軸承發(fā)生內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架故障時(shí)，受損點(diǎn)在接觸面上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沖擊力，隨著軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)沖擊力呈現(xiàn)出周期性變化[7]，故障不同，沖擊力出現(xiàn)的頻率也不同，稱該頻率為故障狀態(tài)的特征頻率。所以只需檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)的頻率，就能判斷軸承的故障類型。

3 結(jié)論

本文首先分析了裝甲車輛某型起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式和數(shù)學(xué)模型，總結(jié)了起動(dòng)電動(dòng)機(jī)常見故障（定子繞組故障、換向故障、電樞故障、轉(zhuǎn)子偏心故障和軸承故障）發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象和故障原因，并結(jié)合起動(dòng)電動(dòng)機(jī)電樞電流和振動(dòng)信號(hào)分別對(duì)常見故障作了機(jī)理分析，為進(jìn)一步理解起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的特性提供了參考。

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作者簡(jiǎn)介：李國強(qiáng)（1993-），男，甘肅武威人，碩士研究生，研究方向：檢測(cè)技術(shù)及其自動(dòng)化裝置。endprint