露天煤礦電鏟提升電動(dòng)機(jī)國(guó)產(chǎn)化研制

中車永濟(jì)電機(jī)有限公司 山西永濟(jì) 044502

中 煤能源平朔露天礦是中國(guó)最大的露天煤礦，20 世紀(jì) 80 年代與美國(guó)合作開(kāi)采，煤礦設(shè)備均從美國(guó)進(jìn)口。平朔露天礦和神華準(zhǔn)格爾黑岱溝露天煤礦均有十幾臺(tái) PH2800XP 系列電鏟，每臺(tái)電鏟配備 2臺(tái) K925 提升電動(dòng)機(jī)。K925 電動(dòng)機(jī)是美國(guó) PH 公司生產(chǎn)的直流電動(dòng)機(jī)，至今服役已經(jīng)超過(guò) 30 年。由于運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，加上經(jīng)常超負(fù)荷作業(yè)，絕緣老化問(wèn)題嚴(yán)重，電動(dòng)機(jī)環(huán)火、電樞燒損等問(wèn)題頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響電鏟作業(yè)效率。從國(guó)外采購(gòu)電動(dòng)機(jī)或配件，不僅價(jià)格昂貴，而且周期長(zhǎng)，無(wú)法滿足礦方生產(chǎn)需求。中車永濟(jì)電機(jī)有限公司應(yīng)平朔煤礦要求，研制了 YZ69 提升電動(dòng)機(jī)。YZ69 提升電動(dòng)機(jī)應(yīng)用了高鐵牽引電動(dòng)機(jī)單面聚酰亞胺薄膜少膠粉云母帶 W7329H0 等新型絕緣材料，采用異槽式單疊繞組、絕緣端蓋等新工藝結(jié)構(gòu)，提高了電動(dòng)機(jī)的可靠性。

1 直流提升電動(dòng)機(jī)

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

YZ69 提升電動(dòng)機(jī)是一種 4 極他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，通風(fēng)方式為強(qiáng)迫通風(fēng)，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

1.1.1 定子

定子主要由機(jī)座、主極裝配、附極裝配組成。機(jī)座由 100 mm 厚鋼板折彎而成，具有良好的導(dǎo)磁性能和機(jī)械性能，起支撐和導(dǎo)磁作用；主極裝配包括主極線圈和主極鐵心，4 個(gè)主極線圈串聯(lián)，引出線 F1、F2通電產(chǎn)生主磁場(chǎng)；附極裝配包括附極線圈和附極鐵心，4 個(gè)附極線圈通過(guò)電刷與電樞串聯(lián)，引出線 A1、A2 通電產(chǎn)生換向極磁場(chǎng)。

主極線圈由聚酰壓胺薄膜燒結(jié)導(dǎo)線繞制而成，其作用是通直流電產(chǎn)生主磁場(chǎng)，附極線圈為銅扁線繞制，其作用為產(chǎn)生換向磁場(chǎng)，抵消電樞反應(yīng)，改善換向，減小火花。主極鐵芯為鋼疊片結(jié)構(gòu)，能夠大幅降低渦流損耗。附極鐵芯為整塊結(jié)構(gòu)。主極鐵芯與電樞鐵芯之間的氣隙不均勻，目的是改善換向。

圖1 YZ69 提升電動(dòng)機(jī)Fig.1 YZ69 lifting motor

1.1.2 電樞

電樞鐵芯由 0.5 mm 厚優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片疊壓而成，彼此用漆膜絕緣，能夠大幅降低渦流損耗，減少發(fā)熱。電樞共有 50 個(gè)槽，電樞繞組為異形槽單疊繞組，每個(gè)線圈有 3 個(gè)元件，元件的導(dǎo)線采用聚酰亞胺薄膜燒結(jié)導(dǎo)線，均壓線為雙絲聚酰亞胺漆包線。

換向器為燕尾拱形結(jié)構(gòu)，共有 150 片換向片和云母片。換向器壓圈上 V 形云母環(huán)伸出部分粘有聚四氟乙烯保護(hù)帶，具有很強(qiáng)的防電弧能力，其作用是電動(dòng)機(jī)環(huán)火時(shí)保護(hù)換向器不受電弧灼傷。換向器采用動(dòng)壓、超速工藝，成型更加穩(wěn)定。

電樞線圈和均壓線的接頭與換向器升高片采用氬弧焊接，焊接時(shí)局部受熱，對(duì)其他部位損傷小且焊接牢固。電樞兩端采用無(wú)緯帶綁扎，可防止線圈甩出。電樞整體真空壓力浸漆，使電樞具有良好的整體性、密封性和絕緣性。

1.1.3 刷架系統(tǒng)

電動(dòng)機(jī)刷架系統(tǒng)有 4 個(gè)刷桿，每個(gè)刷桿裝有 5 個(gè)刷盒，每個(gè)刷桿有 5 塊電刷。電刷牌號(hào)為 TA45，彈簧壓力為 58 N。刷架圈安裝有放電板，電動(dòng)機(jī)環(huán)火時(shí)，電弧通過(guò)放電板引出，保護(hù)換向器不被電弧燒傷。

1.1.4 軸承

電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)端、換向器端各裝有 1 個(gè)軸承。換向器端軸承為 NSKN224/C3 圓柱滾柱軸承。傳動(dòng)端軸承為 NSK22224EAE4/C3 雙列調(diào)心滾子軸承，具有自動(dòng)調(diào)心功能，可以消除安裝時(shí)聯(lián)軸節(jié)同軸度偏差對(duì)電動(dòng)機(jī)的不利影響。

1.2 性能指標(biāo)

YZ69 提升電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表 1 所列。

表1 YZ69 提升電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of YZ69 lifting motor

1.2.1 電動(dòng)機(jī)接線

YZ69 提升電動(dòng)機(jī)接線如圖 2 所示。電動(dòng)機(jī)由 2套電源供電，1 套電源給主極線圈供電，勵(lì)磁電流從主極引出線 F1 流入，流經(jīng) 4 個(gè)串聯(lián)的主極線圈，最后從主極引出線 F2 流出，產(chǎn)生 N、S 主磁場(chǎng)。單獨(dú)改變勵(lì)磁電流方向可以改變磁場(chǎng)方向，從而改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向，改變勵(lì)磁電流的大小可以調(diào)節(jié)主磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。另 1 套電源勵(lì)磁電流從電樞引出線 A1 流入，由正電刷流入電樞，負(fù)電刷流出，再流入 4 個(gè)串聯(lián)的附極線圈，最后從附極引出線 A2 流出，產(chǎn)生換向磁場(chǎng)。單獨(dú)改變電流方向可以改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向，電流的大小與負(fù)載的大小正比。

圖2 YZ69 提升電動(dòng)機(jī)接線Fig.2 Wiring principle of YZ69 lifting motor

1.2.2 特性曲線

YZ69 提升電動(dòng)機(jī)調(diào)整特性曲線如圖 3 所示。調(diào)整特性是指在電樞電壓、電流不變的情況下，勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。他勵(lì)電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電壓、電樞電流和勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。由于勵(lì)磁繞組由單獨(dú)電源供電，所以勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)更加方便。當(dāng)電鏟斗裝滿礦石裝入運(yùn)輸卡車時(shí)，電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流最大，磁場(chǎng)最強(qiáng)，轉(zhuǎn)矩最大。當(dāng)電鏟斗卸掉礦石后，負(fù)載減小，勵(lì)磁電流減小，磁場(chǎng)減弱，轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)速升高。

圖3 YZ69 提升電動(dòng)機(jī)調(diào)整特性曲線Fig.3 Adjusting characteristic curve of YZ69 lifting motor

2 新材料、新工藝

2.1 電樞線圈

YZ69 提升電動(dòng)機(jī)采用新型絕緣材料單面聚酰亞胺薄膜少膠粉云母帶 W7329H0[1]，減輕了絕緣質(zhì)量，提高了可靠性。電動(dòng)機(jī)絕緣性能的優(yōu)劣直接影響電動(dòng)機(jī)容量發(fā)揮和安全穩(wěn)定運(yùn)行。K925 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子采用0.14 粉云母帶等絕緣材料，存在以下缺點(diǎn)：①絕緣厚重不利于散熱；② 耐壓水平低，容易接地；③機(jī)械強(qiáng)度差嵌線過(guò)程中絕緣容易損傷。YZ69 提升電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，借鑒高鐵牽引電動(dòng)機(jī)成熟產(chǎn)品技術(shù)，采用先進(jìn)的絕緣結(jié)構(gòu)、選用最優(yōu)的絕緣材料，200 級(jí)絕緣，可在 200 ℃ 下長(zhǎng)期運(yùn)行，可以滿足該電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間大電流持續(xù)運(yùn)行，絕緣不會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱而性能下降，少膠云母帶能使轉(zhuǎn)子在真空壓力浸漆 VPI 中絕緣漆能夠全部進(jìn)入轉(zhuǎn)子線圈，大幅提高轉(zhuǎn)子線圈與鐵心的一體化程度，浸漆后的聚酰亞胺薄膜少膠粉云母帶可以耐工頻電壓 7.23 kV，絕緣厚度很薄，僅 0.09 mm，有利于電動(dòng)機(jī)散熱。YZ69 提升電動(dòng)機(jī)采用的高鐵牽引絕緣材料從耐溫等級(jí)、耐壓等級(jí)、散熱性能、真空壓力和浸漆 VPI 性能等均有大幅提升，從而大幅提高電動(dòng)機(jī)可靠性，滿足提升電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)過(guò)載工況。

2.2 刷架圈

K925 電動(dòng)機(jī)刷架圈直徑 700 mm，厚度 30 mm，采用國(guó)外某種絕緣材料，具有非常好的絕緣性能和機(jī)械性能，但價(jià)格約為 3 000 美元。在 YZ69 電動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，刷架圈材料終于找到國(guó)產(chǎn)化替代材料，4330-2 電氣用玻璃纖維酚醛壓塑料。這是一種玻璃纖維材料，熱壓成型，高溫下不會(huì)出現(xiàn)裂紋，具有良好的絕緣性能和機(jī)械性能，應(yīng)用在 K925 電動(dòng)機(jī)，安全正常運(yùn)行 3 a 以上，通過(guò)考核驗(yàn)證。其價(jià)格為 600美元，僅為進(jìn)口刷架圈價(jià)格的 20%。

2.3 繞組結(jié)構(gòu)

平朔煤礦實(shí)際工況電鏟提升電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)過(guò)載，電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間大電流會(huì)使換向器表面過(guò)熱產(chǎn)生形變，導(dǎo)致?lián)Q向器跳動(dòng)量增大，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)電刷與換向器接觸不良而產(chǎn)生火花，增加了電動(dòng)機(jī)環(huán)火的風(fēng)險(xiǎn)。YZ69 提升電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組采用異槽式單疊繞組結(jié)構(gòu)，能夠大幅降低電動(dòng)機(jī)火花。異槽式與同槽式繞組結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖 4 所示。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，同槽式繞組的幾個(gè)元件先后進(jìn)入換向，每個(gè)元件在換向結(jié)束時(shí)，元件中的電磁能量轉(zhuǎn)移到同槽相鄰的短路元件中，但是最后結(jié)束換向的元件無(wú)處轉(zhuǎn)移它的電磁能量，只能以火花的形式在電刷滑出邊釋放[2]。異槽式繞組同一線圈跨在相鄰的 2 個(gè)槽內(nèi)，繞組的最后元件換向結(jié)束后，仍有同槽的另外繞組的元件對(duì)它發(fā)生磁通交鏈，這樣，繞組的最后元件換向結(jié)束時(shí)的電磁能量大部分轉(zhuǎn)移到同槽中的另外繞組開(kāi)始換向的元件。如此往復(fù)，換向片與電刷之間瞬間積儲(chǔ)的電磁能量相對(duì)較少，火花隨之大幅減小[3]。

圖4 異槽式與同槽式繞組結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.4 Comparison of different-slot windings and sameslot windings in structure

2.4 絕緣端蓋

YZ69 提升電動(dòng)機(jī)換向器采用絕緣端蓋，可以防止軸電流對(duì)軸承損壞。直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)由于磁通脈動(dòng)、磁路不對(duì)稱等原因，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸兩端往往感應(yīng)出軸電壓。軸電壓對(duì)軸承是沒(méi)有損害的，但是如果軸電壓逐漸升高，超過(guò) 300 mV，就可能擊穿軸承內(nèi)圈和外圈之間的油膜，在機(jī)座、前端軸承、轉(zhuǎn)軸、后端軸承形成回路，產(chǎn)生軸電流[4]，如圖 5 所示。

圖5 軸電流Fig.5 Axial current

軸電流會(huì)在滾珠和軸承滾道放電，在軸承滾道形成“搓衣板”紋路，如圖 6 所示。

圖6 軸承滾道搓衣板紋路Fig.6 Corrugated pattern on bearing raceway

軸電流會(huì)在轉(zhuǎn)軸表面形成坑點(diǎn)，轉(zhuǎn)軸表面放電小坑，如圖 7 所示。

軸電流一旦產(chǎn)生，一般 3～5 d 就會(huì)使電動(dòng)機(jī)軸承損壞，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)無(wú)法工作。YZ69 提升電動(dòng)機(jī)換向器側(cè)端蓋軸承室與端蓋其他部位之間設(shè)計(jì)絕緣層[5]。絕緣端蓋如圖 8 所示。由于軸承室絕緣層的存在，使得軸電流無(wú)法構(gòu)成回路，從而避免軸電流的產(chǎn)生。

圖7 轉(zhuǎn)軸表面放電小坑Fig.7 Discharge pit on surface of rotating shaft

圖8 絕緣端蓋Fig.8 Insulated end cover

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將新材料、新工藝應(yīng)用于 YZ69 提升電動(dòng)機(jī)，完全能夠滿足礦方要求。首批 2 臺(tái)已經(jīng)在平朔煤礦投入使用，PH2800XP 電鏟的工作效率顯著提高。同時(shí) YZ69 提升電動(dòng)機(jī)的配件與 K925 電動(dòng)機(jī)可以完全互換，國(guó)產(chǎn)化的配件性能等同或超過(guò) K925 電動(dòng)機(jī)，價(jià)格卻大幅下降，為電動(dòng)機(jī)維修帶來(lái)方便，解決了多年來(lái)礦方備品備件需從國(guó)外進(jìn)口的難題。通過(guò) 3 a 的運(yùn)行考核，YZ69 提升電動(dòng)機(jī)高可靠性、高性價(jià)比、低故障率的品質(zhì)和配件的完全互換性得到礦方好評(píng)。YZ69 提升電動(dòng)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化研制為今后礦用進(jìn)口電動(dòng)機(jī)和配件國(guó)產(chǎn)化開(kāi)辟了一條新路。