YBSD-315/160kW電動機(jī)檢修故障分析與解決方案

馮濤

摘 ?要：針對煤礦井下爆炸性環(huán)境中輸送機(jī)用電動機(jī)YBSD-315/160在檢修工藝中存在的主要問題，分析了導(dǎo)致故障發(fā)生的原因，并結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和電動機(jī)檢修工藝要點(diǎn)，明確了解決問題的技術(shù)方案，進(jìn)而大大降低了電動機(jī)故障發(fā)生率，提高了電動機(jī)的檢修質(zhì)量，保證電動機(jī)在煤礦井下安全運(yùn)行，減少了煤礦正常生產(chǎn)時(shí)因更換電機(jī)造成的損失。

關(guān)鍵詞：電動機(jī);檢修工藝;技術(shù)方案

中圖分類號：TD421.6 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）18-0125-03

Abstract： In view of the main problems existing in the maintenance technology of conveyor motor YBSD-315/160kW in underground explosive environment of coal mine， the causes of faults are analyzed， and according to the current standards and the key points of motor maintenance technology， the technical scheme to solve the problem is defined， which greatly reduces the fault incidence of the motor， improves the maintenance quality of the motor， ensures the safe operation of the motor in the coal mine， and reduces the loss caused by the replacement of the motor in the normal production of the coal mine.

Keywords： motor; maintenance technology; technical scheme

1 概述

在煤礦現(xiàn)代化生產(chǎn)中處處離不開電動機(jī)，而電動機(jī)故障是影響煤礦安全生產(chǎn)的最主要因素之一，占煤礦井下機(jī)電事故60%以上。鐵煤集團(tuán)是一個年產(chǎn)2000萬噸的大型煤炭基地，每年要修理1000余臺大小不同的電機(jī)，因此針對電動機(jī)事故的原因進(jìn)行分析，并采取積極有效的措施，提高檢修質(zhì)量，最大限度地減少電動機(jī)事故的發(fā)生，是保證集團(tuán)公司經(jīng)濟(jì)效益和安全效益的必不可少的條件。

礦用隔爆型雙速三相異步電動機(jī)YBSD-315/160在煤礦井下主要用來驅(qū)動刮板運(yùn)輸機(jī)及類似工礦機(jī)械設(shè)備，它所具備的低速起動，高速運(yùn)行的特點(diǎn)，解決了輸送機(jī)起動困難的問題，是煤礦井下理想的動力設(shè)備。電動機(jī)在運(yùn)行過程中，經(jīng)常因過負(fù)荷、機(jī)械故障、環(huán)境潮濕進(jìn)水以及操作不當(dāng)?shù)雀鞣N原因出現(xiàn)毀壞的現(xiàn)象，因此，如何提高電動機(jī)的檢修質(zhì)量，延長電動機(jī)的服務(wù)時(shí)間，從而減少因更換電動機(jī)造成的停產(chǎn)損失已成為集團(tuán)公司各礦普遍關(guān)注的問題。

在現(xiàn)代工業(yè)中，特別是在煤礦井下這種環(huán)境因素影響很大的作業(yè)現(xiàn)場中，使用微機(jī)控制系統(tǒng)可以減小因環(huán)境惡劣及人為操作造成的誤差，有效地避免不必要故障的發(fā)生。本文在對電動機(jī)進(jìn)行改進(jìn)的技術(shù)方案中，將引進(jìn)微機(jī)控制技術(shù)解決電動機(jī)故障難題，彌補(bǔ)了礦用電機(jī)自動化程度較低的不足。

2 YBSD-315/160kW電動機(jī)故障狀態(tài)分析

YBSD-315/160kW電動機(jī)凸緣安裝，外殼防護(hù)等級為IP44。該電動機(jī)的接線腔采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，直接焊在機(jī)座上方，機(jī)座上設(shè)有進(jìn)出水口各一個及六個排水口。外殼采用鋼板制作，機(jī)械強(qiáng)度較強(qiáng)，保證了組成外殼的各零件之間的接合面上具有一定的間隙參數(shù)，一旦電機(jī)內(nèi)部可燃?xì)怏w發(fā)生爆炸，不致引起周圍環(huán)境的爆炸性混合物爆炸。

電機(jī)產(chǎn)生故障的原因和其本身質(zhì)量、工作環(huán)境、運(yùn)行狀態(tài)、保護(hù)設(shè)備、操作維護(hù)等有直接的關(guān)系，有時(shí)會有幾方面因素同時(shí)作用。特別是煤礦井下工作環(huán)境潮濕，備用電機(jī)絕緣受潮后，其絕緣性能大大下降，通電后可能發(fā)生接地或短路，使電機(jī)繞組燒毀。

通過對YBSD-315/160kW電動機(jī)進(jìn)行檢修后發(fā)現(xiàn)，其存在的主要故障形式有：定子鐵芯齒部彈開;軸承過熱;轉(zhuǎn)子散熱系統(tǒng)不完善;轉(zhuǎn)子籠條斷條。

2.1 定子鐵芯故障分析

YBSD-315/160kW電動機(jī)定子鐵芯的主要故障是鐵芯齒部沿軸朝外漲開。當(dāng)鐵芯齒部彈開后，硅鋼片將刮破定子繞組的端部絕緣，造成電動機(jī)定子繞組短路。繞組短路后，三相電流不平衡，電動機(jī)的振動和噪聲加劇，嚴(yán)重時(shí)將燒毀電機(jī)定子繞組。造成這種故障的原因主要有三點(diǎn)：（1）定子鐵芯端部壓緊裝置不完善。（2）拆除定子繞組時(shí)工藝不當(dāng)，使沖片齒部變形、彎曲。（3）燒除繞組絕緣時(shí)，端部過熱變形，沖片向外彎曲。

2.2 軸承發(fā)熱問題分析

軸承發(fā)熱是YBSD-315/160kW電動機(jī)的主要機(jī)械故障之一，同時(shí)也是其它各種礦用電動機(jī)的常見故障。造成這種故障的原因主要有以下幾點(diǎn)：（1）軸承蓋與軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中相互磨擦。（2）軸承的潤滑脂過多、過少或有變質(zhì)。（3）軸承游隙過小。（4）滾動軸承內(nèi)外圈不平衡。

一般情況下，軸承的溫度可由軸承室外面的溫度推測出來。通常，軸承的溫度隨著電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)開始慢慢上升，1-2小時(shí)后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。軸承的正常溫度因電機(jī)的容量、散熱量、轉(zhuǎn)速及負(fù)載而不同。當(dāng)電動機(jī)的軸承蓋與軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中相互摩擦?xí)r，軸承摩擦發(fā)熱、變色甚至燒毀。軸承的潤滑脂可以潤滑軸承的各個部分，減少摩擦和磨損。若潤滑脂用量不當(dāng)，軸承的溫度會急劇上升，造成軸承過熱。此外，軸承組裝配合與游隙配合不當(dāng)，也是引起軸承發(fā)熱的主要原因。軸承組裝配合的目的就在于使軸承內(nèi)圈或外圈牢固地與軸或外殼固定，以免在相互配合面上出現(xiàn)不利的軸向滑動。這種不利的軸向滑動（稱做蠕變）會引起軸承異常發(fā)熱、配合面磨損（進(jìn)而使磨損鐵粉侵入軸承內(nèi)部）以及振動等問題，使軸承不能充分發(fā)揮作用。

2.3 轉(zhuǎn)子籠條問題分析

YBSD-315/160kW電動機(jī)采用雙籠條轉(zhuǎn)子，其上籠條為電阻率較高的錳黃銅，下籠條采用紫銅，上籠端環(huán)與鐵芯端面之間有適當(dāng)?shù)木嚯x，以減少起動時(shí)因熱變形而引起導(dǎo)條彎曲的彎曲應(yīng)力。該型號電機(jī)由于起動頻繁，起動時(shí)間長，發(fā)生斷籠條故障的幾率也就高些。

電動機(jī)在起動瞬間，轉(zhuǎn)速n=0，s=1，并且電動機(jī)阻抗減小，因此，由式（1-1）可知，起動電流將會大大增加，通常情況下為額定電流的4-7倍。

在電動機(jī)起動電流由零升到持續(xù)最大值的這個時(shí)間區(qū)段內(nèi)，端環(huán)短路電流迅速達(dá)到最大，端環(huán)發(fā)熱膨脹，產(chǎn)生徑向位移，籠條端部也隨之產(chǎn)生徑向彎曲?；\條在起動過程中不僅受到膨脹力、離心力的作用，還受到電磁徑向力的影響，使籠條彎曲變形。由于籠條受到交變應(yīng)力作用，反復(fù)彎曲，金屬疲勞，達(dá)到一定極限時(shí)必然斷裂。當(dāng)轉(zhuǎn)子有斷條時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩將降低，定子電流將產(chǎn)生周期性的擺動，并發(fā)出電磁噪音。斷條嚴(yán)重時(shí)，可能使電動機(jī)在負(fù)載時(shí)突然停下來，甚至在空載時(shí)不能起動。

籠條與端環(huán)焊接開裂也是導(dǎo)致籠條斷裂的一個重要原因。電動機(jī)轉(zhuǎn)子鼠籠上的初始應(yīng)力是在焊接工序以后，轉(zhuǎn)子冷卻時(shí)產(chǎn)生的。由于端環(huán)在焊接時(shí)因受熱而直徑增加，然后冷卻而逐漸收縮，但此時(shí)端環(huán)已連接到轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的端部而變得相當(dāng)堅(jiān)硬，故出現(xiàn)一個拉伸應(yīng)力，存在于端環(huán)體和新形成的接點(diǎn)之中。初始應(yīng)力的大小取決于焊接溫度的高低，低的初始應(yīng)力相對于低的焊接溫度，往往制造過程中溫度控制不嚴(yán)格，造成初始應(yīng)力加大。另外，也由于焊接熔化所需要的熱量在轉(zhuǎn)子圓周上分布不均勻，所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力最終導(dǎo)致籠條與端環(huán)焊接開裂。

除上述原因外，端環(huán)設(shè)計(jì)不合理，瞬間受熱軟化變形，籠條選材不合理等也能夠出現(xiàn)籠條端環(huán)損壞現(xiàn)象。

對于雙鼠籠轉(zhuǎn)子，在起動過程中，電動機(jī)轉(zhuǎn)子銅條上、下溫差懸殊，熱膨脹不均勻，轉(zhuǎn)子的上籠條電流密度大，導(dǎo)致起動中瞬時(shí)溫升過高，超過200～300℃，使電動機(jī)轉(zhuǎn)子銅條軟化，導(dǎo)致斷條，所以雙鼠籠轉(zhuǎn)子斷條多發(fā)生在上籠。

2.4 轉(zhuǎn)子散熱系統(tǒng)分析

電動機(jī)在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的主要損耗如銅耗、鐵耗及雜散損耗等都將轉(zhuǎn)換成電動機(jī)的熱能，使電機(jī)發(fā)熱。YBSD-315/160kW電動機(jī)定子冷卻方式為水冷，轉(zhuǎn)子的通風(fēng)冷卻方式為自扇冷方式，扇葉安裝在鼠籠轉(zhuǎn)子端環(huán)上。由于風(fēng)扇的外徑小于轉(zhuǎn)子外徑，因而限制了風(fēng)扇的能力，散熱面積較小，散熱效果較差，無法保證電動機(jī)在正常的溫度下工作。與此同時(shí)，若當(dāng)電動機(jī)工作在高溫下時(shí)，會將熱量傳遞給軸承，造成軸承過熱，若長期高溫將燒毀定、轉(zhuǎn)子，整臺電機(jī)報(bào)廢。

3 解決方案

3.1 解決定子鐵芯故障

針對YBSD-315/160kW電動機(jī)定子鐵芯齒部彈開的故障，提出解決問題的施工方案和設(shè)計(jì)方案。

施工方案：（1）增加輔助壓圈，方法如圖1所示;（2）采用切尾或切頭的方法拆卸電機(jī)定子繞組。目前車間已經(jīng)引用型號為MHYE-6C電動拆線機(jī)，實(shí)現(xiàn)了用此方法拆除定子繞組。

3.2 解決軸承發(fā)熱問題

由多種因素引起的軸承發(fā)熱是一個亟待解決的技術(shù)難題。軸承作為電動機(jī)的支撐、定位構(gòu)件，其工作性能不僅取決于本身的制造質(zhì)量，而且還和它的潤滑機(jī)構(gòu)、使用或維護(hù)方式以及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)有關(guān)。

3.2.1 施工方案：軸承的質(zhì)量是減少機(jī)械故障的基礎(chǔ)保障。在質(zhì)量方面，應(yīng)優(yōu)先考慮使用壽命較長的軸承，如瑞典的SKF軸承，日本的NSK、NTN軸承等等。這些型號的軸承內(nèi)部間隙小，各零件的高精度加工保證了高運(yùn)轉(zhuǎn)精度，它們的摩擦系數(shù)小，傳動效率較高，發(fā)熱量少，進(jìn)而減少了潤滑脂的消耗，并可減少設(shè)備潤滑的工作量。潤滑脂應(yīng)采用耐高溫、抗水、抗磨損以及抗氧化安定性等性能較高的進(jìn)口潤滑脂，如SKF潤滑脂，一般充填至軸承室的1/3-1/2為宜。充填量過多時(shí)，潤滑脂因攪拌發(fā)熱會發(fā)生變質(zhì)、老化和軟化。軸承的潤滑脂應(yīng)保持清潔和足夠，但不易過量，在電機(jī)運(yùn)行100-150h后要添加和原來型號相同的潤滑脂。在運(yùn)行2500-3000h后應(yīng)更換潤滑脂。

3.2.2 設(shè)計(jì)方案：軸承的發(fā)熱問題可以通過從軸承的監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)著手，實(shí)時(shí)的監(jiān)測軸承的溫升，減小軸承發(fā)熱所引起的電機(jī)故障，即對電機(jī)軸承進(jìn)行溫度保護(hù)。溫度保護(hù)是利用安裝在電動機(jī)外大蓋處的傳感器來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電動機(jī)出現(xiàn)各種故障時(shí)，導(dǎo)致軸承溫度達(dá)到危險(xiǎn)值之前，傳感器將溫度信號變?yōu)殡娦盘栞敵?，送至保護(hù)裝置中，由控制開關(guān)切斷電動機(jī)主電源，使其得到保護(hù)。由于傳感器安置在電動機(jī)內(nèi)部，直接反應(yīng)電動機(jī)軸承溫度，可以消除各種環(huán)境條件對傳感器的影響，做到參數(shù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、電子線路迅速、可靠且功耗小。在本設(shè)計(jì)方案中采用SHT71集成芯片溫度傳感器對電動機(jī)軸承進(jìn)行溫度監(jiān)測。

3.3 解決轉(zhuǎn)子籠條問題

由于電動機(jī)頻繁的連續(xù)起動以及焊接工藝欠缺，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子端環(huán)溫度過高，籠條斷裂。依據(jù)故障分析原因，針對籠條斷裂對電動機(jī)造成的損害，在檢修施工中采取相應(yīng)措施加以預(yù)防。

施工方案：（1）為了減小籠條在起動及運(yùn)行過程中由

離心力的作用所引起的籠條移動，通常采用脹條措施，即沿軸向在每根籠條上隔鐵芯段進(jìn)行脹緊，但兩端鐵芯段的籠條處不得做脹緊處理。（2）增大端環(huán)截面積，改變外端環(huán)焊接結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。（3）用銀焊條，按圖3所示進(jìn)行焊接。（4）采用增加支撐點(diǎn)的方法來增加端環(huán)強(qiáng)度。如圖3所示，在端環(huán)圓周上增加幾個支撐點(diǎn)。

3.4 解決轉(zhuǎn)子散熱問題

設(shè)計(jì)方案：YBSD-315/160kW電動機(jī)轉(zhuǎn)子的自扇冷冷卻風(fēng)量不足，無法有效地解決轉(zhuǎn)子溫升過高的難題，為了達(dá)到好的散熱效果，可以考慮對其轉(zhuǎn)子實(shí)行循環(huán)水冷卻方式，此時(shí)電動機(jī)的軸應(yīng)設(shè)計(jì)成空心軸。

在對電動機(jī)進(jìn)行循環(huán)水冷卻時(shí)，進(jìn)水管的一端連接在空心軸的密封裝置上，將冷水送入軸腔中，另一端接在水泵上，由水泵循環(huán)供水。出水管負(fù)責(zé)將帶有熱量的水輸出軸腔，以保證冷水不斷地進(jìn)入軸中，降低轉(zhuǎn)子溫度。該循環(huán)水冷系統(tǒng)從軸的后端一直冷卻到軸前端的軸承臺處，在冷卻轉(zhuǎn)子的同時(shí)，也對軸承進(jìn)行了冷卻，減少了由軸承過熱引起的電機(jī)故障。

4 結(jié)束語

YBSD-315/160kW電動機(jī)在煤礦井下使用廣泛。由于工作環(huán)境存在爆炸危險(xiǎn)性，為了保證電機(jī)能夠安全可靠的運(yùn)行，它的檢修工藝至關(guān)重要。本篇文章通過對電機(jī)定、轉(zhuǎn)子故障原因進(jìn)行分析，探討了故障的檢測方法，并提出故障解決方案，為電動機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)和檢修工藝提供了參考，以防止故障的重復(fù)發(fā)生，提高生產(chǎn)率，保證煤礦生產(chǎn)順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]余志新.數(shù)字電路[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2005.

[2]巫松楨.電氣工程師手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3]彭軍.傳感器與檢測技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[4]閆治安.電機(jī)學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2000.

[5]趙家禮.電動機(jī)維修手冊（第3版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.