YBSD-315/160kW電動機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境中輸送機用電動機YBSD-315/160在檢修工藝中存在的主要問題，分析了導致故障發生的原因，并結合現行標準和電動機檢修工藝要點，明確了解決問題的技術方案，進而大大降低了電動機故障發生率，提高了電動機的檢修質量，保證電動機在煤礦井下安全運行，減少了煤礦正常生產時因更換電機造成的損失。

關鍵詞：電動機;檢修工藝;技術方案

中圖分類號：TD421.6 ? ? ? 文獻標志碼：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

在煤礦現代化生產中處處離不開電動機，而電動機故障是影響煤礦安全生產的最主要因素之一，占煤礦井下機電事故60%以上。鐵煤集團是一個年產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，因此針對電動機事故的原因進行分析，并采取積極有效的措施，提高檢修質量，最大限度地減少電動機事故的發生，是保證集團公司經濟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YBSD-315/160在煤礦井下主要用來驅動刮板運輸機及類似工礦機械設備，它所具備的低速起動，高速運行的特點，解決了輸送機起動困難的問題，是煤礦井下理想的動力設備。電動機在運行過程中，經常因過負荷、機械故障、環境潮濕進水以及操作不當等各種原因出現毀壞的現象，因此，如何提高電動機的檢修質量，延長電動機的服務時間，從而減少因更換電動機造成的停產損失已成為集團公司各礦普遍關注的問題。

在現代工業中，特別是在煤礦井下這種環境因素影響很大的作業現場中，使用微機控制系統可以減小因環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生。本文在對電動機進行改進的技術方案中，將引進微機控制技術解決電動機故障難題，彌補了礦用電機自動化程度較低的不足。

2 YBSD-315/160kW電動機故障狀態分析

YBSD-315/160kW電動機凸緣安裝，外殼防護等級為IP44。該電動機的接線腔采用鋼板焊接結構，直接焊在機座上方，機座上設有進出水口各一個及六個排水口。外殼采用鋼板制作，機械強度較強，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，一旦電機內部可燃氣體發生爆炸，不致引起周圍環境的爆炸性混合物爆炸。

電機產生故障的原因和其本身質量、工作環境、運行狀態、保護設備、操作維護等有直接的關系，有時會有幾方面因素同時作用。特別是煤礦井下工作環境潮濕，備用電機絕緣受潮后，其絕緣性能大大下降，通電后可能發生接地或短路，使電機繞組燒毀。

通過對YBSD-315/160kW電動機進行檢修后發現，其存在的主要故障形式有：定子鐵芯齒部彈開;軸承過熱;轉子散熱系統不完善;轉子籠條斷條。

2.1 定子鐵芯故障分析

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

2.2 軸承發熱問題分析

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

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運轉開始慢慢上升，1-2小時后達到穩定狀態。軸承的正常溫度因電機的容量、散熱量、轉速及負載而不同。當電動機的軸承蓋與軸承在運轉中相互摩擦時，軸承摩擦發熱、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，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，也是引起軸承發熱的主要原因。軸承組裝配合的目的就在于使軸承內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）會引起軸承異常發熱、配合面磨損（進而使磨損鐵粉侵入軸承內部）以及振動等問題，使軸承不能充分發揮作用。

2.3 轉子籠條問題分析

YBSD-315/160kW電動機采用雙籠條轉子，其上籠條為電阻率較高的錳黃銅，下籠條采用紫銅，上籠端環與鐵芯端面之間有適當的距離，以減少起動時因熱變形而引起導條彎曲的彎曲應力。該型號電機由于起動頻繁，起動時間長，發生斷籠條故障的幾率也就高些。

電動機在起動瞬間，轉速n=0，s=1，并且電動機阻抗減小，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。

在電動機起動電流由零升到持續最大值的這個時間區段內，端環短路電流迅速達到最大，端環發熱膨脹，產生徑向位移，籠條端部也隨之產生徑向彎曲。籠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力作用，反復彎曲，金屬疲勞，達到一定極限時必然斷裂。當轉子有斷條時，電動機的轉矩將降低，定子電流將產生周期性的擺動，并發出電磁噪音。斷條嚴重時，可能使電動機在負載時突然停下來，甚至在空載時不能起動。

籠條與端環焊接開裂也是導致籠條斷裂的一個重要原因。電動機轉子鼠籠上的初始應力是在焊接工序以后，轉子冷卻時產生的。由于端環在焊接時因受熱而直徑增加，然后冷卻而逐漸收縮，但此時端環已連接到轉子導條的端部而變得相當堅硬，故出現一個拉伸應力，存在于端環體和新形成的接點之中。初始應力的大小取決于焊接溫度的高低，低的初始應力相對于低的焊接溫度，往往制造過程中溫度控制不嚴格，造成初始應力加大。另外，也由于焊接熔化所需要的熱量在轉子圓周上分布不均勻，所產生的機械應力最終導致籠條與端環焊接開裂。

除上述原因外，端環設計不合理，瞬間受熱軟化變形，籠條選材不合理等也能夠出現籠條端環損壞現象。

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

2.4 轉子散熱系統分析

電動機在運行過程中所產生的主要損耗如銅耗、鐵耗及雜散損耗等都將轉換成電動機的熱能，使電機發熱。YBSD-315/160kW電動機定子冷卻方式為水冷，轉子的通風冷卻方式為自扇冷方式，扇葉安裝在鼠籠轉子端環上。由于風扇的外徑小于轉子外徑，因而限制了風扇的能力，散熱面積較小，散熱效果較差，無法保證電動機在正常的溫度下工作。與此同時，若當電動機工作在高溫下時，會將熱量傳遞給軸承，造成軸承過熱，若長期高溫將燒毀定、轉子，整臺電機報廢。

3 解決方案

3.1 解決定子鐵芯故障

針對YBSD-315/160kW電動機定子鐵芯齒部彈開的故障，提出解決問題的施工方案和設計方案。

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定子繞組。目前車間已經引用型號為MHYE-6C電動拆線機，實現了用此方法拆除定子繞組。

3.2 解決軸承發熱問題

由多種因素引起的軸承發熱是一個亟待解決的技術難題。軸承作為電動機的支撐、定位構件，其工作性能不僅取決于本身的制造質量，而且還和它的潤滑機構、使用或維護方式以及狀態監控系統有關。

3.2.1 施工方案：軸承的質量是減少機械故障的基礎保障。在質量方面，應優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。這些型號的軸承內部間隙小，各零件的高精度加工保證了高運轉精度，它們的摩擦系數小，傳動效率較高，發熱量少，進而減少了潤滑脂的消耗，并可減少設備潤滑的工作量。潤滑脂應采用耐高溫、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，潤滑脂因攪拌發熱會發生變質、老化和軟化。軸承的潤滑脂應保持清潔和足夠，但不易過量，在電機運行100-150h后要添加和原來型號相同的潤滑脂。在運行2500-3000h后應更換潤滑脂。

3.2.2 設計方案：軸承的發熱問題可以通過從軸承的監測保護系統著手，實時的監測軸承的溫升，減小軸承發熱所引起的電機故障，即對電機軸承進行溫度保護。溫度保護是利用安裝在電動機外大蓋處的傳感器來實現的。當電動機出現各種故障時，導致軸承溫度達到危險值之前，傳感器將溫度信號變為電信號輸出，送至保護裝置中，由控制開關切斷電動機主電源，使其得到保護。由于傳感器安置在電動機內部，直接反應電動機軸承溫度，可以消除各種環境條件對傳感器的影響，做到參數準確、穩定、電子線路迅速、可靠且功耗小。在本設計方案中采用SHT71集成芯片溫度傳感器對電動機軸承進行溫度監測。

3.3 解決轉子籠條問題

由于電動機頻繁的連續起動以及焊接工藝欠缺，導致轉子端環溫度過高，籠條斷裂。依據故障分析原因，針對籠條斷裂對電動機造成的損害，在檢修施工中采取相應措施加以預防。

施工方案：（1）為了減小籠條在起動及運行過程中由

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）增大端環截面積，改變外端環焊接結構，其結構示意圖如圖2所示。（3）用銀焊條，按圖3所示進行焊接。（4）采用增加支撐點的方法來增加端環強度。如圖3所示，在端環圓周上增加幾個支撐點。

3.4 解決轉子散熱問題

設計方案：YBSD-315/160kW電動機轉子的自扇冷冷卻風量不足，無法有效地解決轉子溫升過高的難題，為了達到好的散熱效果，可以考慮對其轉子實行循環水冷卻方式，此時電動機的軸應設計成空心軸。

在對電動機進行循環水冷卻時，進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，由水泵循環供水。出水管負責將帶有熱量的水輸出軸腔，以保證冷水不斷地進入軸中，降低轉子溫度。該循環水冷系統從軸的后端一直冷卻到軸前端的軸承臺處，在冷卻轉子的同時，也對軸承進行了冷卻，減少了由軸承過熱引起的電機故障。

4 結束語

YBSD-315/160kW電動機在煤礦井下使用廣泛。由于工作環境存在爆炸危險性，為了保證電機能夠安全可靠的運行，它的檢修工藝至關重要。本篇文章通過對電機定、轉子故障原因進行分析，探討了故障的檢測方法，并提出故障解決方案，為電動機的改進設計和檢修工藝提供了參考，以防止故障的重復發生，提高生產率，保證煤礦生產順利進行。

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