基于性能參數(shù)退化的電機(jī)壽命評估

欒建洋，徐立立，吳超云，楊 靜

（1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 064000；2.廣州廣電計(jì)量檢測股份有限公司，廣州 510656）

0 引言

動車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中的冷凝風(fēng)機(jī)和蒸發(fā)風(fēng)機(jī)是列車穩(wěn)定運(yùn)營的重要部件，是空調(diào)裝置中重要的組成部分。高鐵動車自投入運(yùn)營已經(jīng)有十幾年的時(shí)間，在為國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶來巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)也帶來了巨大的成本，因此近幾年軌道交通行業(yè)提出軌交裝備重要部件的定壽延壽的課題，因此對冷凝風(fēng)機(jī)和蒸發(fā)風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件電機(jī)提出了定壽、延壽的要求[1]。

對電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的壽命評估需要了解導(dǎo)致電機(jī)壽命終結(jié)的故障原因，對電機(jī)進(jìn)行故障檢測除了功率及功率因數(shù)的表征，一般要對電機(jī)的溫升、振動以及噪聲進(jìn)行查看[2]，根據(jù)這些檢測綜合判斷導(dǎo)致電機(jī)壽命終結(jié)的故障原因。而對電機(jī)進(jìn)行壽命評估，有基于電機(jī)部件的老化進(jìn)行壽命評估的，趙德宇等[3]基于電機(jī)的環(huán)氧云母絕緣老化進(jìn)行了壽命評估，高俊國[4]對電子定子絕緣老化的壽命進(jìn)行了預(yù)測，王春亮等[5]對地鐵牽引電機(jī)軸承的剩余壽命進(jìn)行了預(yù)測，這些都是對電機(jī)的組成部件進(jìn)行壽命預(yù)測。而這些對電機(jī)組成部件的壽命預(yù)測，不但試驗(yàn)時(shí)間長，而且不能充分表征電機(jī)的壽命。電機(jī)的某些性能參數(shù)諸如溫升、振動在隨著使用時(shí)間的變長是具有退化特性，達(dá)到一定限值即發(fā)生報(bào)警[6]。因此，選取列車上使用過的四級修、五級修冷凝電機(jī)、蒸發(fā)電機(jī)進(jìn)行性能測試同時(shí)進(jìn)行拆解分析，與新品電機(jī)進(jìn)行對比，確定是否具有退化趨勢，并從結(jié)構(gòu)、參數(shù)特性等異常分析電機(jī)退化的原因，并基于參數(shù)的失效閾值快速評估新品電機(jī)的使用壽命，以及四級修及五級修電機(jī)的剩余壽命。

1 研究對象介紹與分析

本文研究對象為動車組空調(diào)系統(tǒng)中冷凝電機(jī)及蒸發(fā)電機(jī)，為河北電機(jī)生產(chǎn)的三相異步電機(jī)。產(chǎn)品允許使用的環(huán)境溫度為-40～70 ℃，使用濕度范圍為RH5%～95%，其防護(hù)等級可達(dá)到IP56，電機(jī)由逆變器供電進(jìn)行工作。

電機(jī)電性能參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)主要參數(shù)

2 電機(jī)性能參數(shù)測試

三相異步電機(jī)是很成熟的產(chǎn)品，按照結(jié)構(gòu)組成部分，主要?jiǎng)澐譃槎ㄗ予F心、定子繞組、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)軸、軸承、端蓋、風(fēng)扇等。依據(jù)GB/T1032[7]，需要對電機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)性能測試，包括絕緣電阻、耐壓、溫升、功率因數(shù)、振動等。同時(shí)隨著使用的延長，電機(jī)的內(nèi)部會發(fā)生一定的磨損。因此，選取新品、四級修及五級修等不同修程的電機(jī)進(jìn)行拆解，同時(shí)進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)測試，確定電機(jī)的性能參數(shù)變化。

2.1 電機(jī)拆解分析

為評估冷凝電機(jī)及蒸發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化情況，選擇新品、四級修以及五級修等不同修程的電機(jī)樣品，進(jìn)行外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、尺寸等檢測，確定冷凝電機(jī)、蒸發(fā)電機(jī)物理結(jié)構(gòu)上隨使用時(shí)間的變化情況。

冷凝電機(jī)及蒸發(fā)電機(jī)樣品外觀良好，無機(jī)械損傷、銹蝕、脫漆等。隨后，分別拆解新品、四級修及五級修電機(jī)，確認(rèn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化情況。冷凝電機(jī)新品滾珠環(huán)內(nèi)油脂乳白色，表面無銹；四級修滾珠環(huán)內(nèi)油脂黑色，表面無銹；五級修滾珠環(huán)內(nèi)油脂黃褐色，表面無銹；蒸發(fā)電機(jī)新品滾珠環(huán)內(nèi)油脂乳白色，表面無銹；四級修滾珠環(huán)內(nèi)油脂黑色，表面無銹；五級修滾珠環(huán)內(nèi)油脂黃褐色，表面有銹。如圖1所示。

圖1 四級修及五級修冷凝、蒸發(fā)電機(jī)軸承情況

冷凝電機(jī)及蒸發(fā)電機(jī)在使用過程中，軸端蓋會出現(xiàn)一定的磨損。因此，對新品、四級修及五級修軸端蓋尺寸進(jìn)行測量，確認(rèn)電機(jī)軸端蓋的變化情況。如圖2所示。測量發(fā)現(xiàn)，冷凝電機(jī)的軸端蓋位置2、位置3，五級修的樣品較四級修樣品及新品的尺寸具有明顯的磨損情況；而蒸發(fā)電機(jī)3 個(gè)測試位置的尺寸差異較小，磨損情況較小。通過尺寸測量發(fā)現(xiàn)，說明冷凝電機(jī)在使用過程中，可能由于安裝、外部的振動等，會導(dǎo)致其出現(xiàn)尺寸變化。如圖3～4所示。

圖2 冷凝電機(jī)及蒸發(fā)電機(jī)軸端蓋尺寸測試位置

圖3 不同修程冷凝電機(jī)軸端蓋尺寸

圖4 不同修程蒸發(fā)電機(jī)軸端蓋尺寸

2.2 溫升測試

電機(jī)隨著使用時(shí)間的延長，其內(nèi)部絕緣發(fā)生了老化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的磨損，會導(dǎo)致不同使用時(shí)長的電機(jī)出現(xiàn)溫升性能的差異。因此，選擇新品、四級修及五級修電機(jī)進(jìn)行溫升測試，確認(rèn)電機(jī)的溫升變化情況。

通過測試發(fā)現(xiàn)，冷凝電機(jī)新品、四級修及五級修電機(jī)溫升無較大差異，蒸發(fā)電機(jī)四級修較新品溫升高出近15 ℃，五級修較四級修溫升高出近20 ℃。冷凝電機(jī)不同修程溫升趨勢如圖5 所示，蒸發(fā)電機(jī)不同修程溫升趨勢如圖6所示。

圖5 不同修程冷凝電機(jī)溫升

圖6 不同修程蒸發(fā)電機(jī)溫升

2.3 振動測試

依據(jù)GB/T 25123.2-2010，對冷凝電機(jī)及蒸發(fā)電機(jī)進(jìn)行自身振動測試，在電機(jī)上布置了5 個(gè)測試點(diǎn)，測試各個(gè)點(diǎn)的振動情況。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，振動測試選擇測試點(diǎn)中速度最大的點(diǎn)為樣品的測試結(jié)果。冷凝風(fēng)機(jī)電機(jī)振動測試中速度最大的點(diǎn)為位置1，蒸發(fā)風(fēng)機(jī)電機(jī)振動測試中速度最大的點(diǎn)為位置3。根據(jù)振動測試變化趨勢圖，冷凝電機(jī)振動測試中的速度隨著修程的延長其振動更加劇烈，而蒸發(fā)電機(jī)振動變化未有增大趨勢。冷凝電機(jī)振動變化趨勢如圖7所示，蒸發(fā)電機(jī)振動變化趨勢如圖8所示，振動測試布點(diǎn)如圖9所示。

圖7 不同修程冷凝電機(jī)振動變化趨勢

圖8 不同修程蒸發(fā)電機(jī)振動變化趨勢

圖9 電機(jī)振動測試監(jiān)測點(diǎn)

2.4 功率因數(shù)

凝風(fēng)機(jī)及蒸發(fā)風(fēng)機(jī)電機(jī)試驗(yàn)過程中要進(jìn)行0.25～1.5倍額定功率條件下的功率因數(shù)測試，評估新品、四級修以及五級修樣品的功率因數(shù)的區(qū)別。根據(jù)測試結(jié)果，冷凝電機(jī)的0.25～1.5 倍額定功率條件下的功率因數(shù)，新品、四級修以及五級修樣品的功率因數(shù)無明顯差別；根據(jù)測試結(jié)果，蒸發(fā)電機(jī)的0.25～1.5 倍額定功率條件下的功率因數(shù)，新品、四級修以及五級修樣品的功率因數(shù)無明顯差別。

3 電機(jī)壽命評估

通過對不同修程的電機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)性能參數(shù)測試，發(fā)現(xiàn)不同修程的冷凝電機(jī)的溫升、功率因數(shù)等參數(shù)未有明顯差異，而其振動隨著使用時(shí)間的增加，呈現(xiàn)出上升的趨勢；不同修程的蒸發(fā)電機(jī)的振動、功率因數(shù)等參數(shù)未有明顯差異，但其溫升隨著使用時(shí)間的增加，呈現(xiàn)了上升的趨勢。而對于電機(jī)，性能參數(shù)是有其允許工作的范圍的。冷凝電機(jī)及蒸發(fā)電機(jī)均屬于三相異步電機(jī)，依據(jù)GB/T 10068-2008[8]，此種條件下電機(jī)的振動速度應(yīng)小于或等于1.6 mm/s；依據(jù)GB755-2008，電機(jī)的溫升應(yīng)小于或等于105 K。

3.1 冷凝電機(jī)壽命評估

冷凝電機(jī)新品、四級修以及五級修的電機(jī)的振動性能參數(shù)有較大差異。冷凝電機(jī)的軸中心距為90 mm，安裝方式為自由懸掛。依據(jù)GB/T 10068-2008，此種條件下電機(jī)的振動速度閾值1.6 mm/s。新品運(yùn)行時(shí)間為0 h，四級修電機(jī)運(yùn)行時(shí)間為4年，共35 040 h，五級修電機(jī)運(yùn)行8年，共70 080 h，對振動速度與運(yùn)行時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖10 所示，其中R2=0.974 7，說明擬合結(jié)果較好[9]。將閾值1.6 mm/s代入計(jì)算公式，得到冷凝電機(jī)新品的壽命約為12.8 年；按照四級修已使用4 年，5 級修已使用8 年，則四級修剩余壽命為8.8 年，五級修剩余壽命為4.8 年。

圖10 冷凝電機(jī)振動速度與時(shí)間關(guān)系

則速度與壽命之間關(guān)系如下：

3.2 蒸發(fā)電機(jī)壽命評估

蒸發(fā)電機(jī)通過性能參數(shù)測試，除了振動，功率因數(shù)等，新品、四級修以及五級修的電機(jī)的溫升是有較大差異，依據(jù)GB755-2008，電機(jī)的溫升應(yīng)小于或等于105 K。新品運(yùn)行時(shí)間為0 h，四級修電機(jī)運(yùn)行時(shí)間為4年，共35 040 h，五級修電機(jī)運(yùn)行8 年，共70 080 h，對溫升與運(yùn)行時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖11 所示，其中R2=0.974 1，說明擬合結(jié)果較好。將溫升閾值105 K 代入計(jì)算公式，得到蒸發(fā)電機(jī)新品的壽命約為15.8 年；按照四級修已使用4 年，5 級修已使用8 年，則四級修剩余壽命為11.8年，五級修剩余壽命為7.8年。

圖11 蒸發(fā)電機(jī)溫升與時(shí)間關(guān)系

則溫升與壽命之間關(guān)系如下：

4 結(jié)果與分析

冷凝電機(jī)及蒸發(fā)電機(jī)四級修及五級修產(chǎn)品內(nèi)部尺寸相對與新品有不同程度的所減少，不同修程之間差別最大的為冷凝電機(jī)新品次底圓到外圓的高度比冷凝電機(jī)五級修高出3 mm，尺寸減少達(dá)到了13%。同時(shí)冷凝電機(jī)的振動差別較大，新品為0.56 mm/s，四級修為0.95 mm/s，五級修為1.16 mm/s；而蒸發(fā)電機(jī)的振動差別相差不大，說明冷凝電機(jī)使用過程中由于振動因素導(dǎo)致了電機(jī)內(nèi)部磨損，進(jìn)而振動參數(shù)有較明顯的退化趨勢；而蒸發(fā)電機(jī)的內(nèi)部尺寸差異很小，同時(shí)振動差異也較小，說明振動對蒸發(fā)電機(jī)影響微弱。溫升方面，冷凝電機(jī)溫升無較大差異，并且新電機(jī)、四級修及五級修的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、絕緣等變化量較少，未形成導(dǎo)致溫升異常的因素；蒸發(fā)電機(jī)不同修程之間的樣品溫升有較大差別，新品與四級修之間有15 K差別、四級修與五級修之間有22 K的差別。

經(jīng)過評估，冷凝電機(jī)新品壽命約為12.8 年，冷凝電機(jī)四級修剩余壽命約為8.8年，冷凝電機(jī)五級修剩余壽命約為4.8年；蒸發(fā)電機(jī)新品壽命約為15.8年，蒸發(fā)電機(jī)四級修剩余壽命約為11.8 年，蒸發(fā)電機(jī)五級修剩余壽命約為7.8年。

5 結(jié)束語

本文通過對動車組上新品、四級修、五級修的冷凝電機(jī)、蒸發(fā)電機(jī)進(jìn)行性能測試，發(fā)現(xiàn)冷凝電機(jī)及蒸發(fā)電機(jī)的性能參數(shù)具有退化趨勢。其中，冷凝電機(jī)的振動特性，從新品到四級修、再到五級修呈現(xiàn)增大的趨勢；而蒸發(fā)電機(jī)的溫升特性，從新品到四級修、再到五級修呈現(xiàn)升高的趨勢。同時(shí)電機(jī)的振動特性及溫升特性具有閾值，因此對兩種電機(jī)分別進(jìn)行了振動、溫升的退化擬合，并依據(jù)允許工作的閾值快速預(yù)估了冷凝電機(jī)、蒸發(fā)電機(jī)的新品預(yù)期壽命，四級修及五級修的剩余壽命。由于五級修冷凝電機(jī)及蒸發(fā)電機(jī)剩余壽命均超過至少1 個(gè)四級修周期[10]，因此在維修周期上可延長1 個(gè)維修周期，對降低運(yùn)營成本提供了參考依據(jù)。