630E 礦用卡車電動(dòng)輪故障檢測及分析

張 彪

（國家能源集團(tuán)準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司 設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

黑岱溝露天煤礦是我國自行設(shè)計(jì)、自行施工的特大型露天煤礦，位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)。上部的黃土和中間的巖石采用電鏟-重型自卸卡車的間斷開采工藝，最下面的煤層采用的是電鏟-礦用重型卡車-移動(dòng)破碎站-帶式輸送機(jī)的開采工藝。這類礦用重型卡車一般采用發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)-電動(dòng)輪模式進(jìn)行傳動(dòng)，并且由于礦用重型卡車主發(fā)電機(jī)和電動(dòng)輪，容易出現(xiàn)各類機(jī)械類和電氣類故障。為了保證礦用重型卡車運(yùn)輸用電動(dòng)輪的正常運(yùn)行，在對運(yùn)輸用電動(dòng)輪進(jìn)行維修或者保養(yǎng)后，需要對其進(jìn)行出廠測試。

1 測試平臺組成和原理

由于630E 電動(dòng)輪屬于直流驅(qū)動(dòng)，而測試平臺需要選擇傳統(tǒng)的模擬器件滿足調(diào)速要求，模擬電機(jī)測試設(shè)備一般比較簡單，采用的測試系統(tǒng)均為模擬控制方案，一般均由模擬元器件搭接成的測試系統(tǒng)。一般包括三相輸入電源、隔離變壓器、整流部分、輸出可調(diào)直流電源、控制部分和保護(hù)措施幾個(gè)部分[1]。

1.1 主控制電源和勵(lì)磁電源選擇

1）直流電源參數(shù)。輸入電壓：外部供電電壓為6 kVAC，可通過隔離變壓器降壓；輸入頻率：（50±1）Hz；輸出電壓：0～1 500 VDC 連續(xù)可調(diào)；輸出電流：0～1 000 ADC 連續(xù)可調(diào)；控制精度：1%。

2）勵(lì)磁電源參數(shù)。輸入電壓：外部供電電壓為6 kVAC，可通過隔離變壓器降壓；輸入頻率：（50±1）Hz；輸出電壓：0～300 VDC 連續(xù)可調(diào)；輸出電流：0～300 ADC 連續(xù)可調(diào)；控制精度：1%。

1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)和拖動(dòng)電機(jī)及安規(guī)設(shè)備選擇

1）電機(jī)。①額定功率：≥2 250 kW；②額定電壓：和變頻器配套；③同步轉(zhuǎn)速：1 500 r/min；④最高轉(zhuǎn)速：2 400 r/min；⑤額定扭矩：≥14 325 N·m；⑥極數(shù)：4 極；⑦額定效率：94.7%；⑧冷卻方式：強(qiáng)迫風(fēng)冷[2]。

2）安規(guī)設(shè)備選擇。①絕緣電阻測試：電阻測試范圍0.01 MΩ～9.99 GΩ；②直流電阻測試：0.1 μΩ～2 MΩ；③工頻耐壓測試：輸出電壓0.05～5 kVAC，電流0～110 mA，0.05～6 kVDC，0～11 mA；④匝間耐壓測試：脈沖電壓500 V～10 kV，20 V 步進(jìn)，⑤電感測試范圍≥20 μH。先由6 kVAC/380 VAC 變壓器將廠區(qū)供電轉(zhuǎn)化成普通三項(xiàng)交流電，通過隔離開關(guān)后將三項(xiàng)交流電輸入到控制系統(tǒng)，采用橋式整流電路將三項(xiàng)交流電整成直流電，然后通過輸出端分別輸出電樞繞組和勵(lì)磁繞組。均采用恒壓源控制模式控制電路，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁和電樞電壓控制被測試電機(jī)的測試運(yùn)行[3]。

1.3 邏輯控制系統(tǒng)

測試臺邏輯控制系統(tǒng)采用主控計(jì)算機(jī)＋PLC 配合的方式實(shí)現(xiàn)功能，充分利用PLC 控制的高可靠性。主控計(jì)算機(jī)作為人機(jī)操作接口，主要完成測試指令發(fā)送、測試系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、被試電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示及報(bào)表生成功能；PLC 完成測試電路開關(guān)切換、變頻器運(yùn)行等邏輯控制，變頻器采用I/O 硬線和Profibus總線通訊模式2 種方式控制，主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令信號由PLC 處理后，經(jīng)端子或Profibus 總線傳輸給變頻器進(jìn)行動(dòng)作的執(zhí)行，同時(shí)變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過通訊傳送給PLC，PLC 通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)反饋給主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行變頻系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。

1.4 數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)

被試電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)由定制數(shù)采計(jì)算機(jī)＋智能儀器＋傳感器組成，采集數(shù)據(jù)為被試電機(jī)的電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及振動(dòng)、噪聲等參數(shù)。主要由數(shù)采計(jì)算機(jī)，溫度巡檢儀、電量傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、振動(dòng)采集模塊、噪聲采集模塊等設(shè)備組成。所有數(shù)據(jù)均由數(shù)采計(jì)算機(jī)采集、記錄、運(yùn)算及分析，形成結(jié)果數(shù)據(jù)后傳至主控計(jì)算機(jī)顯示并生成測試報(bào)表。

1.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

測試數(shù)據(jù)采集分析處理運(yùn)行在數(shù)采計(jì)算機(jī)上，功能包括測試過程中電壓、電流、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、溫度、轉(zhuǎn)速及振動(dòng)等參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、顯示、傳輸與測試結(jié)束后數(shù)據(jù)分析。同時(shí)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行電壓、電流、振動(dòng)頻譜分析，計(jì)算電壓、電流基波有效值、功率、頻率等參數(shù)。

1.6 測試操作系統(tǒng)

測試操作控制軟件模塊用于測試過程操作、運(yùn)行狀態(tài)顯示及報(bào)表生成。實(shí)現(xiàn)操作指令的輸入、測試參數(shù)的設(shè)定以及測試狀態(tài)監(jiān)視和測試數(shù)據(jù)的顯示。計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)將操作界面的電量信號根據(jù)參數(shù)設(shè)置的要求直接發(fā)送到各執(zhí)行單元；人工控制時(shí)，可由操作員在界面上通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。軟件界面具備測試操作功能和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示功能，還可以實(shí)時(shí)顯示測試電壓電流的波形。本設(shè)計(jì)選用立式電氣柜，電氣柜一邊布置電腦，一邊布置數(shù)顯儀表及操作按鈕、指示燈，即可使用平板電腦進(jìn)行自動(dòng)測試操作，也可通過按鈕進(jìn)行操作，兩種操作方式互相獨(dú)立，不使用平板電腦，也可以手動(dòng)操作完成測試，增強(qiáng)了測試系統(tǒng)的實(shí)用性。

2 630E 電動(dòng)輪測試過程和故障分析

在測試630E 電動(dòng)輪前，需要先對電動(dòng)輪的轉(zhuǎn)子和定子線圈分別進(jìn)行接地絕緣測試和匝間耐壓測試，如果測試合格，才對電動(dòng)輪進(jìn)行組裝，由于630E電動(dòng)輪為直流電動(dòng)機(jī)加上減速器組成，對于電動(dòng)輪測試時(shí)，主要時(shí)測試其空載時(shí)的數(shù)據(jù)參數(shù)[4]。先按照標(biāo)準(zhǔn)緩慢增加勵(lì)磁電壓，看勵(lì)磁電流是否符合標(biāo)準(zhǔn)，判斷勵(lì)磁線圈的好壞，如沒有問題，則逐步增加電樞電壓，電動(dòng)輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)，直至電樞電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，電動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速也應(yīng)該達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，另外對于整個(gè)電動(dòng)輪的測試，需要觀察其是否有異響，是否存在抖動(dòng)，是否發(fā)熱等等狀況。

2.1 上機(jī)前的檢查

電動(dòng)輪的測試過程比較復(fù)雜，在電動(dòng)輪檢修完成后，需要借助其他輔助設(shè)備對其進(jìn)行絕緣電阻測試、直流電阻測試、匝間耐壓測試，這類測試主要著重于電氣故障方面的檢查。

2.1.1 絕緣電阻測試

絕緣電阻測試主要用于檢測電機(jī)定子繞組和機(jī)座之間的絕緣，如絕緣低于標(biāo)準(zhǔn)，容易造成短路故障[5]，本測試采用搖表進(jìn)行。在電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下，搖表的高壓端連接電機(jī)定子繞組，低壓端連接電機(jī)機(jī)座，通過勻速轉(zhuǎn)動(dòng)搖表手柄，讀取搖表指針數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行記錄。絕緣電阻大于等于5 MΩ 屬于合格，如小于5 MΩ 則說明繞組對地絕緣不夠。絕緣不夠主要由以下幾方面的原因[6]：

1）電動(dòng)輪繞組完全接地。說明電動(dòng)輪繞組已經(jīng)存在接地現(xiàn)象，這是需要對繞組包裹的絕緣層進(jìn)行重新處理。產(chǎn)生這個(gè)故障的原因一般是因?yàn)樵陔姍C(jī)繞組嵌線時(shí)，由于人為因素導(dǎo)致絕緣層破壞；或者電機(jī)在運(yùn)行過程中由于其他原因或者絕緣層老化，導(dǎo)致的絕緣層的損壞引起的接地。

2）電機(jī)繞組不完全接地。①由于繞組受潮，影響了繞組的絕緣，需進(jìn)行烘干處理；②可能是因?yàn)榻^緣層不夠或存在異物，需進(jìn)行從新檢查或從新包裹絕緣層。

2.1.2 直流電阻測試

直流電阻測試主要用于檢測電機(jī)定子繞組在靜止?fàn)顟B(tài)下內(nèi)部是否有斷路或連接不牢固等故障，測試采用電橋進(jìn)行。測試分別測試3 項(xiàng)進(jìn)行比較，即將電橋的兩端分別連接電機(jī)定子繞組的AB 端、BC端、AC 端，要求每項(xiàng)的測試電阻小于等于1 Ω，3 項(xiàng)測試結(jié)果比較誤差范圍在2%以內(nèi)即為合格。存在誤差的原因主要是因?yàn)槔@組在制作安裝過程或電動(dòng)輪在運(yùn)行過程中，由于外力或繞組質(zhì)量等原因，導(dǎo)致繞組部分出現(xiàn)斷裂或焊接不牢固等狀況，這種處理方式是對整個(gè)繞組進(jìn)行重新檢查，找出斷裂或者開焊的地方進(jìn)行焊接，保證接觸牢固。

2.1.3 匝間耐壓測試

匝間耐壓測試主要用于測試電機(jī)定子繞組在靜止?fàn)顟B(tài)下是否存在內(nèi)部匝間短路故障，測試主要采用匝間耐壓測試儀進(jìn)行測試。測試與直流電阻測試方法相似，將匝間耐壓的高低壓端分別與電機(jī)定子繞組的AB 端、BC 端、AC 端進(jìn)行連接，測試出3 組波形進(jìn)行對比，如出現(xiàn)波形不一致，則說明存在匝間短路故障。出現(xiàn)匝間短路故障，主要有3 種情況[6]：

1）同相繞組線內(nèi)部短路。由于電機(jī)繞組每項(xiàng)均繞制多匝，每匝之間由于絕緣等原因出現(xiàn)短路，出現(xiàn)這種故障往往3 項(xiàng)波形中的其中2 項(xiàng)比其他1 項(xiàng)周期短。

2）不同相間短路。這種故障往往出現(xiàn)3 項(xiàng)波形的其中2 項(xiàng)比其他1 項(xiàng)的周期長。

3）繞組內(nèi)部和不同相之間同時(shí)短路。這種情況比較少見，但同時(shí)短路時(shí)，3 項(xiàng)波形均存在偏差，但是有個(gè)判斷原則，波形周期越短，說明繞組接入越少，證明短路。

匝間短路故障往往是由于嵌線過程中不注意或者繞組質(zhì)量不過關(guān)導(dǎo)致，需要對產(chǎn)生匝間短路的的繞組重新進(jìn)行絕緣包扎。

2.2 空載和負(fù)載測試故障分析

在空載和負(fù)載測試時(shí)，可同時(shí)進(jìn)行的測試有轉(zhuǎn)矩測試、振動(dòng)測試、溫度測量、噪音測試，這些測試都直接從電腦讀取傳感器的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析被測試電機(jī)的存在的問題進(jìn)行針對性的修復(fù)[7]。

2.2.1 空載測試故障分析及解決方案

將電動(dòng)輪內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至40 r/min，運(yùn)轉(zhuǎn)1 min檢查機(jī)械裝配質(zhì)量，無異音后調(diào)節(jié)至100、200、400 r/min，各運(yùn)轉(zhuǎn)1 min；無異常噪音及振動(dòng)后調(diào)節(jié)至600～925 r/min 長時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。測試過程中測取電壓、電流和其他相關(guān)參數(shù)。空載測試時(shí)，主要通過觀察電動(dòng)輪運(yùn)行情況進(jìn)行，并且電動(dòng)輪存在故障，往往伴隨著多個(gè)故障出現(xiàn)，主要是對裝配時(shí)各類機(jī)械故障進(jìn)行查找[6]：

1）轉(zhuǎn)子輕微卡滯。轉(zhuǎn)子出現(xiàn)卡滯時(shí)，一般從外觀上就能發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)周期性吵雜聲音，電動(dòng)輪存在周期性抖動(dòng)、局部噪音增大、局部溫度上升等等。通過儀表觀察則表現(xiàn)為空載電流增加，振動(dòng)和噪音增大，電動(dòng)輪某部位溫度上升。故障原因有很多，例如軸承損壞，轉(zhuǎn)子軸心偏離，定子繞組嵌線工藝不完好等等，一般需要對電機(jī)進(jìn)行拆解進(jìn)行詳細(xì)檢查，找出具體原因再進(jìn)行處理。

2）電動(dòng)輪尾部有異響。電動(dòng)輪尾部有異響，主要是由于電機(jī)的太陽輪和行星輪裝配出現(xiàn)問題。安裝在延邊減速箱內(nèi)部的太陽輪和行星輪的間隙配合不好或者太陽輪和行星輪的軸承安裝不正確，這需要拆卸延邊減速箱蓋后，對軸承位和間隙進(jìn)行重新調(diào)整，保證在空載過程中轉(zhuǎn)動(dòng)順暢，無阻滯[8]。

2.2.2 負(fù)載測試故障分析及解決方案

負(fù)載測試時(shí)，需要對電動(dòng)輪的工裝進(jìn)行安裝，首先將電動(dòng)輪固定在測試平臺機(jī)座上，然后將負(fù)載電機(jī)利用小車，通過導(dǎo)軌平推到與電動(dòng)輪水平對正狀態(tài)[9]。安裝轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、溫度傳感器。陪試電機(jī)與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器與萬向聯(lián)軸器之間的連接都為金屬膜片聯(lián)軸器連接，萬向聯(lián)軸器與被試電機(jī)連接。

負(fù)載測試時(shí)，首先輸入勵(lì)磁電壓到額定，再緩慢將輸入電樞電壓提升到額定電壓。電機(jī)在額定工況下加載運(yùn)行，檢測電機(jī)運(yùn)行時(shí)電參數(shù)、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及振動(dòng)、噪聲、溫升等參數(shù)，分析電機(jī)負(fù)載特性。在電動(dòng)輪進(jìn)行負(fù)載測試時(shí)，由于明顯的機(jī)械故障已在空載測試時(shí)基本排除，因此這部分主要是判斷電動(dòng)輪和主發(fā)電機(jī)在額定負(fù)載下，電機(jī)運(yùn)行參數(shù)是否穩(wěn)定，是否有其他不易發(fā)現(xiàn)的故障出現(xiàn)。

1）出現(xiàn)機(jī)械故障放大的狀況。常見的故障為未達(dá)到額定電壓時(shí)運(yùn)行時(shí)正常，在電動(dòng)輪達(dá)到額定電壓或者在達(dá)到額定電壓后運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)突然出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)或異響。這往往是由于沒有帶負(fù)載時(shí)故障已經(jīng)出現(xiàn)，但表現(xiàn)的并不明顯，例如軸承有裂紋，負(fù)載后故障放大。此時(shí)需要按照空載時(shí)的各類故障要求，拆卸電動(dòng)輪進(jìn)行重新檢修安裝。

2）電壓未達(dá)到額定值范圍時(shí)，電流已經(jīng)達(dá)到額定值范圍。此類故障常常在電壓未達(dá)到額定值范圍時(shí)，電流已經(jīng)達(dá)到額定值范圍，并且伴隨著轉(zhuǎn)速不在正常值，轉(zhuǎn)速低于正常值，出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)不暢。并且此時(shí)可利用溫度傳感器對電動(dòng)輪各部溫度進(jìn)行檢查，如為機(jī)械故障，一般是在前面的測試過程中未發(fā)現(xiàn)的故障或者故障擴(kuò)大的情況，需要針對溫度升高的地方進(jìn)行重新檢查和調(diào)整。如為電氣故障，則在轉(zhuǎn)子繞組或者定子繞組必然出現(xiàn)了短路情況，是前期檢查未查出的故障，需要對轉(zhuǎn)子和定子的短路情況重新進(jìn)行檢查。

電機(jī)空載、負(fù)載運(yùn)行觀察中同步完成電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測試，傳動(dòng)端與非傳動(dòng)端軸承各方向振動(dòng)測試，實(shí)時(shí)測量軸承溫升、機(jī)殼和繞組溫升測試和噪音測試。這幾種測試均通過各類測試傳感器回收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析診斷，提出相應(yīng)的解決方案。

3 結(jié)語

通過介紹測試平臺的原理，以630E 礦用卡車電動(dòng)輪為主敘述了整個(gè)測試過程和礦用卡冊電動(dòng)輪經(jīng)常出現(xiàn)的各類故障，提出了具體的解決方案，保證出廠的電動(dòng)輪完好，降低生產(chǎn)成本，也為其他各類直流電動(dòng)輪和直流電機(jī)測試提供借鑒。