8000kW軋機(jī)主電動機(jī)阻尼繞組故障分析及修復(fù)

歐勇，湯弼華，劉林，陸軍，楊輝，周武

湖南湘潭鋼鐵集團(tuán)有限公司 湖南湘潭 411101

1 序言

軋機(jī)是冶金廠的重要設(shè)備，湖南湘潭鋼鐵公司寬厚板廠的軋機(jī)主電動機(jī)功率8000k W、電壓1700V、電流3000A、轉(zhuǎn)速400r/min，價值4000萬元。由于長時間高負(fù)荷使用，轉(zhuǎn)子阻尼繞組阻尼桿出現(xiàn)30多處斷裂（約占總量的1/4），并伴有多處掃膛，電動機(jī)隨時可能短路燒毀。如果修復(fù)此種故障，一般是將電動機(jī)轉(zhuǎn)子返廠進(jìn)行大修，或?qū)⒆枘崂@組拆除，返廠更換阻尼桿修復(fù)，且安裝時需更換所有緩沖器和緊固螺栓，并重新做動平衡，修復(fù)時間均大于一個月。另外，轉(zhuǎn)子重95t，不僅周轉(zhuǎn)極為不便，而且急需復(fù)產(chǎn)，也沒有備件，因此公司決定采取在線修復(fù)的方式。

2 轉(zhuǎn)子阻尼繞組現(xiàn)狀

8 0 0 0 k W軋機(jī)主電動機(jī)是采用轉(zhuǎn)子安裝阻尼繞組的大型交流同步調(diào)速電動機(jī)，轉(zhuǎn)子直徑2.8m，轉(zhuǎn)子樞動線圈外側(cè)均布16個阻尼繞組，每個繞組9根阻尼桿，共144根阻尼桿。單個阻尼繞組為2300m m×470m m×40m m的窗框式結(jié)構(gòu)，阻尼輻條和阻尼桿均由硬態(tài)T2純銅制成，輻條尺寸為470m m×40m m×30m m，桿尺寸為φ16mm×2300mm。阻尼桿中間鑲嵌在轉(zhuǎn)子鐵心硅鋼片磁極表面的凹槽中，兩端并聯(lián)插入輻條的同直徑開孔并用硬釬焊連接。

轉(zhuǎn)子軋機(jī)定修點(diǎn)檢時，發(fā)現(xiàn)電動機(jī)阻尼桿有斷裂（見圖1、圖2），抽出轉(zhuǎn)子，對阻尼桿進(jìn)行檢查，有斷點(diǎn)35個，約占阻尼桿總量的1/4。斷點(diǎn)分為以下6種情況：①凹槽中部斷裂未脫落。②凹槽頭部斷裂，阻尼桿翹頭與定子發(fā)生磨損。③凹槽增大，阻尼桿頂部變成三角形。④輻條與桿的焊腳處斷裂。⑤輻條與鐵心凹槽之間斷裂。⑥輻條與桿焊腳處有啟裂特征。

圖1 阻尼桿斷開彈出

圖2 阻尼桿與鐵心磨損，銅套、阻尼桿斷裂

其中，凹槽頭部阻尼桿斷裂后，不斷在間隙中擺動，有兩種作用使凹槽增大，一種是銅棒與鐵心的相互摩擦；另一種是銅棒的感生電流傳遞通道被截?cái)?。此時，阻尼線圈中800A的勵磁電流和300V的電壓，與C形鐵心凹槽發(fā)生短路，產(chǎn)生電弧燒蝕，阻尼繞組最外側(cè)的第1和第9根阻尼桿位于磁極的兩端，斷裂現(xiàn)象比較普遍，與之相鄰的第2根和第8根阻尼桿也時常發(fā)生開裂。

3 原因分析

軋鋼時紅鋼坯在電動機(jī)正反轉(zhuǎn)時不斷地壓入和拋出，軋制壓下量的變化使設(shè)備從靜載到滿載的間隔極短，主電動機(jī)運(yùn)行時短時承受波幅較大的電流沖擊。在長期使用過程中，阻尼籠由于高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力、正反轉(zhuǎn)時的振動沖擊、電流的熱效應(yīng)以及電磁力相疊加，阻尼桿局部發(fā)生斷裂，當(dāng)磁極最外側(cè)阻尼桿斷裂后，整體強(qiáng)度降低，相鄰的第2和第8阻尼桿極易順延開裂。對斷裂部位進(jìn)行檢查，斷口大部分區(qū)域呈光亮晶粒狀，無缺陷、無延伸、無收縮，綜合工況，屬于疲勞裂紋特征（見圖3）[1]，將阻尼桿取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測（見圖4），結(jié)果見表1。由表1可知，結(jié)果全部符合GB/T 4423—2020《銅及銅合金拉制棒》要求。

表1 阻尼桿力學(xué)性能檢測結(jié)果

圖3 阻尼桿斷口

圖4 阻尼桿力學(xué)性能檢測

4 轉(zhuǎn)子在線修復(fù)工藝難點(diǎn)

轉(zhuǎn)子在線修復(fù)工藝難點(diǎn)主要包括以下幾方面。

1）純銅的熔點(diǎn)1083℃，熱導(dǎo)率在20℃時是鋼的7倍，隨著溫度的增加，熱導(dǎo)率也增加，1000℃時可達(dá)到鋼的11倍。此次待修復(fù)的阻尼繞組，包含9根阻尼桿和兩根輻條，單個重47kg，且16個繞組中的12個有不同程度的斷裂。因?yàn)榇蠹冦~件焊接時，熱量損失多，所以構(gòu)件要求銅輻條與阻尼桿在設(shè)計(jì)時保證接觸面盡可能大，以保證導(dǎo)電率和強(qiáng)度。當(dāng)采用插入式的釬焊焊接時，如果熱源功率低，熱量來不及將焊縫加熱到釬料的熔化溫度，就已經(jīng)被傳遞出去，造成基材與填充金屬熔合不良，導(dǎo)致接觸面積小，影響導(dǎo)電性和強(qiáng)度[2]。

2）待焊空隙內(nèi)的釬料如果線膨脹系數(shù)小于純銅，釬焊部位在高溫和常溫波動時，會因釬料收縮產(chǎn)生裂紋。

3）電動機(jī)轉(zhuǎn)子的方形電樞繞組外沿，設(shè)置有5mm厚絕緣板，其外側(cè)是弧形的阻尼繞組。隨曲率不同，絕緣板與阻尼繞組的間隙在1～10mm之間不等。阻尼桿斷裂基本位于第1和第9阻尼桿，與絕緣板的間隙只有1～3mm。由于阻尼桿取出或焊接時均需加熱，此處的小間隙隔熱難度大，且阻尼桿銅件的加熱溫度高，所以易燒壞絕緣板和轉(zhuǎn)子線圈，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子報(bào)廢。

4）純銅阻尼桿與C形鐵心凹槽緊密貼合，阻尼桿長且軟，更換難度大。

5）阻尼桿與C形鐵心凹槽輕微燒蝕段存在間隙過大現(xiàn)象，不易固定，運(yùn)行時擺動大。

5 轉(zhuǎn)子在線修復(fù)工藝

（1）焊接材料的選擇 在20℃時，銅電阻率為1.67×10-8Ω·m，銀電阻率為1.47×10-8Ω·m；銅線膨脹系數(shù)為17.5×10-6/K，銀線膨脹系數(shù)為19.5×10-6/K，鋅線膨脹系數(shù)為36×10-6/K[3]。由于BAg45CuZn銀釬料含有一定成分的銅和鋅，熔點(diǎn)低，因此熔化時有良好的流動性、填縫性和潤濕性，導(dǎo)電性好、表面焊后光潔、韌性好及強(qiáng)度高。由于銀的電導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)均稍大于銅，鋅的線膨脹系數(shù)大于銅，所以銅的釬焊接頭采用BAg45CuZn釬料。釬焊部位在高溫和常溫波動時，不會因釬料收縮而產(chǎn)生裂紋，所以常用作重要的導(dǎo)電銅構(gòu)件釬焊材料，此次釬料直徑為3m m[4]。BAg45CuZn釬料化學(xué)成分和物理性能見表2，符合GB/T 10046—2018《銀釬料》要求。

表2 BAg45CuZn釬料的化學(xué)成分和物理性能

（2）焊接方法的選擇 當(dāng)轉(zhuǎn)子在線修復(fù)時，阻尼繞組與線圈之間不僅空間狹窄，而且是插入式焊縫，高頻電加熱和氬弧焊均不能實(shí)施，因此只能采用火焰釬焊[5]。

采用BAg45CuZn釬料，阻尼桿對接并加純銅套管進(jìn)行火焰釬焊，隨后進(jìn)行力學(xué)性能檢測（見圖5），結(jié)果見表3。斷裂位置處于熱影響區(qū)，焊態(tài)的伸長率和斷面收縮率與母材相比稍有增加，焊態(tài)力學(xué)性能數(shù)據(jù)符合GB/T 4423—2020《銅及銅合金拉制棒》要求。

圖5 阻尼桿釬焊接頭力學(xué)性能檢測

表3 阻尼桿釬焊接頭力學(xué)性能檢測結(jié)果

（3）工具、材料和設(shè)備的選用

1）氣焊氣割工具，包括氧氣、乙炔、焊槍和割槍，ZX7-400焊機(jī)。

2）制作同尺寸阻尼桿。

3）輔助材料包括保溫材料、鋼板、鋼管。

（4）其他注意事項(xiàng)

1）根據(jù)絕緣板與阻尼繞組間的空間形狀，制作耐熱墊板，上面敷設(shè)保溫棉，只露出待加熱部位。

2）制作套管擺錘，并與頂桿配合，利用撞擊力將阻尼桿取出。

3）如果兩個待修復(fù)阻尼桿相鄰，則取出和焊接均需同步進(jìn)行，一次完成，避免多次加熱。

4）銅棒取出和焊接時用兩把氣焊槍，加大氣體流量和火焰能率。

5）線圈側(cè)需專人測溫，監(jiān)測升溫和熱量分布情況，＞80℃立即報(bào)警，馬上降溫并加強(qiáng)隔熱。

6）加熱時火焰方向朝外，以免線圈過熱。

7）將鋼管剖分，制作碳素鋼瓦，填充、鑲嵌入阻尼桿與C形鐵心凹槽之間，采用φ3.2mm的E5015焊條進(jìn)行焊接固定。

8）檢查轉(zhuǎn)子鐵心拉桿螺栓移位和形變情況，并調(diào)整。

圖7 修復(fù)后的阻尼桿

9）修復(fù)狀態(tài)如圖6～圖8所示。轉(zhuǎn)子阻尼桿修復(fù)完畢，對其進(jìn)行絕緣檢查，符合各項(xiàng)要求，裝機(jī)后運(yùn)行正常。

圖6 已裝配待焊接的阻尼桿

圖8 轉(zhuǎn)子回裝

6 結(jié)束語

高功率大型電動機(jī)轉(zhuǎn)子屬于高價值核心設(shè)備，其運(yùn)行特點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速、高頻率、高負(fù)載，對導(dǎo)電性、絕緣性和可靠性要求很高，此狀態(tài)下轉(zhuǎn)子上阻尼繞組大量斷裂的修復(fù)，屬大件的純銅焊接。銅的熱導(dǎo)率很高，線圈與待焊處距離極近，因此焊接是一個很難的課題，在線修復(fù)案例在國內(nèi)更是少有。本文對于裂紋形成的原因、修復(fù)工藝和優(yōu)化思路進(jìn)行了剖析，為相關(guān)設(shè)備的修復(fù)和延壽，提供了有益的借鑒。