630E 礦用卡車電動輪故障檢測及分析

張 彪

（國家能源集團準格爾能源有限責任公司 設備維修中心，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

黑岱溝露天煤礦是我國自行設計、自行施工的特大型露天煤礦，位于內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗境內。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-移動破碎站-帶式輸送機的開采工藝。這類礦用重型卡車一般采用發動機-發電機-電動輪模式進行傳動，并且由于礦用重型卡車主發電機和電動輪，容易出現各類機械類和電氣類故障。為了保證礦用重型卡車運輸用電動輪的正常運行，在對運輸用電動輪進行維修或者保養后，需要對其進行出廠測試。

1 測試平臺組成和原理

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

1.1 主控制電源和勵磁電源選擇

1）直流電源參數。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 連續可調；輸出電流：0～1 000 ADC 連續可調；控制精度：1%。

2）勵磁電源參數。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 連續可調；輸出電流：0～300 ADC 連續可調；控制精度：1%。

1.2 驅動電機和拖動電機及安規設備選擇

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

2）安規設備選擇。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，⑤電感測試范圍≥20 μH。先由6 kVAC/380 VAC 變壓器將廠區供電轉化成普通三項交流電，通過隔離開關后將三項交流電輸入到控制系統，采用橋式整流電路將三項交流電整成直流電，然后通過輸出端分別輸出電樞繞組和勵磁繞組。均采用恒壓源控制模式控制電路，通過調節勵磁和電樞電壓控制被測試電機的測試運行[3]。

1.3 邏輯控制系統

測試臺邏輯控制系統采用主控計算機＋PLC 配合的方式實現功能，充分利用PLC 控制的高可靠性。主控計算機作為人機操作接口，主要完成測試指令發送、測試系統狀態監視、被試電機運行數據顯示及報表生成功能；PLC 完成測試電路開關切換、變頻器運行等邏輯控制，變頻器采用I/O 硬線和Profibus總線通訊模式2 種方式控制，主控計算機發出的指令信號由PLC 處理后，經端子或Profibus 總線傳輸給變頻器進行動作的執行，同時變頻器的運行數據通過通訊傳送給PLC，PLC 通過以太網將數據反饋給主控計算機進行變頻系統運行狀態的監控。

1.4 數據檢測系統

被試電機運行數據檢測系統由定制數采計算機＋智能儀器＋傳感器組成，采集數據為被試電機的電壓、電流、溫度、轉矩、轉速及振動、噪聲等參數。主要由數采計算機，溫度巡檢儀、電量傳感器、轉矩轉速傳感器、振動采集模塊、噪聲采集模塊等設備組成。所有數據均由數采計算機采集、記錄、運算及分析，形成結果數據后傳至主控計算機顯示并生成測試報表。

1.5 數據采集系統

測試數據采集分析處理運行在數采計算機上，功能包括測試過程中電壓、電流、轉速轉矩、溫度、轉速及振動等參數的實時數據采集、計算、顯示、傳輸與測試結束后數據分析。同時將數據實時記錄存儲在計算機中，進行電壓、電流、振動頻譜分析，計算電壓、電流基波有效值、功率、頻率等參數。

1.6 測試操作系統

測試操作控制軟件模塊用于測試過程操作、運行狀態顯示及報表生成。實現操作指令的輸入、測試參數的設定以及測試狀態監視和測試數據的顯示。計算機自動控制時，計算機自動將操作界面的電量信號根據參數設置的要求直接發送到各執行單元；人工控制時，可由操作員在界面上通過計算機進行控制調節。軟件界面具備測試操作功能和實時數據顯示功能，還可以實時顯示測試電壓電流的波形。本設計選用立式電氣柜，電氣柜一邊布置電腦，一邊布置數顯儀表及操作按鈕、指示燈，即可使用平板電腦進行自動測試操作，也可通過按鈕進行操作，兩種操作方式互相獨立，不使用平板電腦，也可以手動操作完成測試，增強了測試系統的實用性。

2 630E 電動輪測試過程和故障分析

在測試630E 電動輪前，需要先對電動輪的轉子和定子線圈分別進行接地絕緣測試和匝間耐壓測試，如果測試合格，才對電動輪進行組裝，由于630E電動輪為直流電動機加上減速器組成，對于電動輪測試時，主要時測試其空載時的數據參數[4]。先按照標準緩慢增加勵磁電壓，看勵磁電流是否符合標準，判斷勵磁線圈的好壞，如沒有問題，則逐步增加電樞電壓，電動輪開始轉動，直至電樞電壓達到標準值，電動輪的轉速也應該達到標準，另外對于整個電動輪的測試，需要觀察其是否有異響，是否存在抖動，是否發熱等等狀況。

2.1 上機前的檢查

電動輪的測試過程比較復雜，在電動輪檢修完成后，需要借助其他輔助設備對其進行絕緣電阻測試、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定子繞組和機座之間的絕緣，如絕緣低于標準，容易造成短路故障[5]，本測試采用搖表進行。在電機靜止狀態下，搖表的高壓端連接電機定子繞組，低壓端連接電機機座，通過勻速轉動搖表手柄，讀取搖表指針數據，并對其進行記錄。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）電動輪繞組完全接地。說明電動輪繞組已經存在接地現象，這是需要對繞組包裹的絕緣層進行重新處理。產生這個故障的原因一般是因為在電機繞組嵌線時，由于人為因素導致絕緣層破壞；或者電機在運行過程中由于其他原因或者絕緣層老化，導致的絕緣層的損壞引起的接地。

2）電機繞組不完全接地。①由于繞組受潮，影響了繞組的絕緣，需進行烘干處理；②可能是因為絕緣層不夠或存在異物，需進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定子繞組在靜止狀態下內部是否有斷路或連接不牢固等故障，測試采用電橋進行。測試分別測試3 項進行比較，即將電橋的兩端分別連接電機定子繞組的AB 端、BC端、AC 端，要求每項的測試電阻小于等于1 Ω，3 項測試結果比較誤差范圍在2%以內即為合格。存在誤差的原因主要是因為繞組在制作安裝過程或電動輪在運行過程中，由于外力或繞組質量等原因，導致繞組部分出現斷裂或焊接不牢固等狀況，這種處理方式是對整個繞組進行重新檢查，找出斷裂或者開焊的地方進行焊接，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定子繞組在靜止狀態下是否存在內部匝間短路故障，測試主要采用匝間耐壓測試儀進行測試。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定子繞組的AB 端、BC 端、AC 端進行連接，測試出3 組波形進行對比，如出現波形不一致，則說明存在匝間短路故障。出現匝間短路故障，主要有3 種情況[6]：

1）同相繞組線內部短路。由于電機繞組每項均繞制多匝，每匝之間由于絕緣等原因出現短路，出現這種故障往往3 項波形中的其中2 項比其他1 項周期短。

2）不同相間短路。這種故障往往出現3 項波形的其中2 項比其他1 項的周期長。

3）繞組內部和不同相之間同時短路。這種情況比較少見，但同時短路時，3 項波形均存在偏差，但是有個判斷原則，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量不過關導致，需要對產生匝間短路的的繞組重新進行絕緣包扎。

2.2 空載和負載測試故障分析

在空載和負載測試時，可同時進行的測試有轉矩測試、振動測試、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據，然后根據數據進行分析被測試電機的存在的問題進行針對性的修復[7]。

2.2.1 空載測試故障分析及解決方案

將電動輪內電機轉速調至40 r/min，運轉1 min檢查機械裝配質量，無異音后調節至100、200、400 r/min，各運轉1 min；無異常噪音及振動后調節至600～925 r/min 長時運轉。測試過程中測取電壓、電流和其他相關參數。空載測試時，主要通過觀察電動輪運行情況進行，并且電動輪存在故障，往往伴隨著多個故障出現，主要是對裝配時各類機械故障進行查找[6]：

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

2）電動輪尾部有異響。電動輪尾部有異響，主要是由于電機的太陽輪和行星輪裝配出現問題。安裝在延邊減速箱內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，對軸承位和間隙進行重新調整，保證在空載過程中轉動順暢，無阻滯[8]。

2.2.2 負載測試故障分析及解決方案

負載測試時，需要對電動輪的工裝進行安裝，首先將電動輪固定在測試平臺機座上，然后將負載電機利用小車，通過導軌平推到與電動輪水平對正狀態[9]。安裝轉速轉矩傳感器、溫度傳感器。陪試電機與轉矩轉速傳感器、轉矩轉速傳感器與萬向聯軸器之間的連接都為金屬膜片聯軸器連接，萬向聯軸器與被試電機連接。

負載測試時，首先輸入勵磁電壓到額定，再緩慢將輸入電樞電壓提升到額定電壓。電機在額定工況下加載運行，檢測電機運行時電參數、轉速、轉矩及振動、噪聲、溫升等參數，分析電機負載特性。在電動輪進行負載測試時，由于明顯的機械故障已在空載測試時基本排除，因此這部分主要是判斷電動輪和主發電機在額定負載下，電機運行參數是否穩定，是否有其他不易發現的故障出現。

1）出現機械故障放大的狀況。常見的故障為未達到額定電壓時運行時正常，在電動輪達到額定電壓或者在達到額定電壓后運行一段時間后，發現突然出現劇烈抖動或異響。這往往是由于沒有帶負載時故障已經出現，但表現的并不明顯，例如軸承有裂紋，負載后故障放大。此時需要按照空載時的各類故障要求，拆卸電動輪進行重新檢修安裝。

2）電壓未達到額定值范圍時，電流已經達到額定值范圍。此類故障常常在電壓未達到額定值范圍時，電流已經達到額定值范圍，并且伴隨著轉速不在正常值，轉速低于正常值，出現轉動不暢。并且此時可利用溫度傳感器對電動輪各部溫度進行檢查，如為機械故障，一般是在前面的測試過程中未發現的故障或者故障擴大的情況，需要針對溫度升高的地方進行重新檢查和調整。如為電氣故障，則在轉子繞組或者定子繞組必然出現了短路情況，是前期檢查未查出的故障，需要對轉子和定子的短路情況重新進行檢查。

電機空載、負載運行觀察中同步完成電機的轉速轉矩測試，傳動端與非傳動端軸承各方向振動測試，實時測量軸承溫升、機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據，并進行分析診斷，提出相應的解決方案。

3 結語

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