630E 矿用卡车电动轮故障检测及分析

张 彪

（国家能源集团准格尔能源有限责任公司 设备维修中心，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

黑岱沟露天煤矿是我国自行设计、自行施工的特大型露天煤矿，位于内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗境内。上部的黄土和中间的岩石采用电铲-重型自卸卡车的间断开采工艺，最下面的煤层采用的是电铲-矿用重型卡车-移动破碎站-带式输送机的开采工艺。这类矿用重型卡车一般采用发动机-发电机-电动轮模式进行传动，并且由于矿用重型卡车主发电机和电动轮，容易出现各类机械类和电气类故障。为了保证矿用重型卡车运输用电动轮的正常运行，在对运输用电动轮进行维修或者保养后，需要对其进行出厂测试。

1 测试平台组成和原理

由于630E 电动轮属于直流驱动，而测试平台需要选择传统的模拟器件满足调速要求，模拟电机测试设备一般比较简单，采用的测试系统均为模拟控制方案，一般均由模拟元器件搭接成的测试系统。一般包括三相输入电源、隔离变压器、整流部分、输出可调直流电源、控制部分和保护措施几个部分[1]。

1.1 主控制电源和励磁电源选择

1）直流电源参数。输入电压：外部供电电压为6 kVAC，可通过隔离变压器降压；输入频率：（50±1）Hz；输出电压：0～1 500 VDC 连续可调；输出电流：0～1 000 ADC 连续可调；控制精度：1%。

2）励磁电源参数。输入电压：外部供电电压为6 kVAC，可通过隔离变压器降压；输入频率：（50±1）Hz；输出电压：0～300 VDC 连续可调；输出电流：0～300 ADC 连续可调；控制精度：1%。

1.2 驱动电机和拖动电机及安规设备选择

1）电机。①额定功率：≥2 250 kW；②额定电压：和变频器配套；③同步转速：1 500 r/min；④最高转速：2 400 r/min；⑤额定扭矩：≥14 325 N·m；⑥极数：4 极；⑦额定效率：94.7%；⑧冷却方式：强迫风冷[2]。

2）安规设备选择。①绝缘电阻测试：电阻测试范围0.01 MΩ～9.99 GΩ；②直流电阻测试：0.1 μΩ～2 MΩ；③工频耐压测试：输出电压0.05～5 kVAC，电流0～110 mA，0.05～6 kVDC，0～11 mA；④匝间耐压测试：脉冲电压500 V～10 kV，20 V 步进，⑤电感测试范围≥20 μH。先由6 kVAC/380 VAC 变压器将厂区供电转化成普通三项交流电，通过隔离开关后将三项交流电输入到控制系统，采用桥式整流电路将三项交流电整成直流电，然后通过输出端分别输出电枢绕组和励磁绕组。均采用恒压源控制模式控制电路，通过调节励磁和电枢电压控制被测试电机的测试运行[3]。

1.3 逻辑控制系统

测试台逻辑控制系统采用主控计算机＋PLC 配合的方式实现功能，充分利用PLC 控制的高可靠性。主控计算机作为人机操作接口，主要完成测试指令发送、测试系统状态监视、被试电机运行数据显示及报表生成功能；PLC 完成测试电路开关切换、变频器运行等逻辑控制，变频器采用I/O 硬线和Profibus总线通讯模式2 种方式控制，主控计算机发出的指令信号由PLC 处理后，经端子或Profibus 总线传输给变频器进行动作的执行，同时变频器的运行数据通过通讯传送给PLC，PLC 通过以太网将数据反馈给主控计算机进行变频系统运行状态的监控。

1.4 数据检测系统

被试电机运行数据检测系统由定制数采计算机＋智能仪器＋传感器组成，采集数据为被试电机的电压、电流、温度、转矩、转速及振动、噪声等参数。主要由数采计算机，温度巡检仪、电量传感器、转矩转速传感器、振动采集模块、噪声采集模块等设备组成。所有数据均由数采计算机采集、记录、运算及分析，形成结果数据后传至主控计算机显示并生成测试报表。

1.5 数据采集系统

测试数据采集分析处理运行在数采计算机上，功能包括测试过程中电压、电流、转速转矩、温度、转速及振动等参数的实时数据采集、计算、显示、传输与测试结束后数据分析。同时将数据实时记录存储在计算机中，进行电压、电流、振动频谱分析，计算电压、电流基波有效值、功率、频率等参数。

1.6 测试操作系统

测试操作控制软件模块用于测试过程操作、运行状态显示及报表生成。实现操作指令的输入、测试参数的设定以及测试状态监视和测试数据的显示。计算机自动控制时，计算机自动将操作界面的电量信号根据参数设置的要求直接发送到各执行单元；人工控制时，可由操作员在界面上通过计算机进行控制调节。软件界面具备测试操作功能和实时数据显示功能，还可以实时显示测试电压电流的波形。本设计选用立式电气柜，电气柜一边布置电脑，一边布置数显仪表及操作按钮、指示灯，即可使用平板电脑进行自动测试操作，也可通过按钮进行操作，两种操作方式互相独立，不使用平板电脑，也可以手动操作完成测试，增强了测试系统的实用性。

2 630E 电动轮测试过程和故障分析

在测试630E 电动轮前，需要先对电动轮的转子和定子线圈分别进行接地绝缘测试和匝间耐压测试，如果测试合格，才对电动轮进行组装，由于630E电动轮为直流电动机加上减速器组成，对于电动轮测试时，主要时测试其空载时的数据参数[4]。先按照标准缓慢增加励磁电压，看励磁电流是否符合标准，判断励磁线圈的好坏，如没有问题，则逐步增加电枢电压，电动轮开始转动，直至电枢电压达到标准值，电动轮的转速也应该达到标准，另外对于整个电动轮的测试，需要观察其是否有异响，是否存在抖动，是否发热等等状况。

2.1 上机前的检查

电动轮的测试过程比较复杂，在电动轮检修完成后，需要借助其他辅助设备对其进行绝缘电阻测试、直流电阻测试、匝间耐压测试，这类测试主要着重于电气故障方面的检查。

2.1.1 绝缘电阻测试

绝缘电阻测试主要用于检测电机定子绕组和机座之间的绝缘，如绝缘低于标准，容易造成短路故障[5]，本测试采用摇表进行。在电机静止状态下，摇表的高压端连接电机定子绕组，低压端连接电机机座，通过匀速转动摇表手柄，读取摇表指针数据，并对其进行记录。绝缘电阻大于等于5 MΩ 属于合格，如小于5 MΩ 则说明绕组对地绝缘不够。绝缘不够主要由以下几方面的原因[6]：

1）电动轮绕组完全接地。说明电动轮绕组已经存在接地现象，这是需要对绕组包裹的绝缘层进行重新处理。产生这个故障的原因一般是因为在电机绕组嵌线时，由于人为因素导致绝缘层破坏；或者电机在运行过程中由于其他原因或者绝缘层老化，导致的绝缘层的损坏引起的接地。

2）电机绕组不完全接地。①由于绕组受潮，影响了绕组的绝缘，需进行烘干处理；②可能是因为绝缘层不够或存在异物，需进行从新检查或从新包裹绝缘层。

2.1.2 直流电阻测试

直流电阻测试主要用于检测电机定子绕组在静止状态下内部是否有断路或连接不牢固等故障，测试采用电桥进行。测试分别测试3 项进行比较，即将电桥的两端分别连接电机定子绕组的AB 端、BC端、AC 端，要求每项的测试电阻小于等于1 Ω，3 项测试结果比较误差范围在2%以内即为合格。存在误差的原因主要是因为绕组在制作安装过程或电动轮在运行过程中，由于外力或绕组质量等原因，导致绕组部分出现断裂或焊接不牢固等状况，这种处理方式是对整个绕组进行重新检查，找出断裂或者开焊的地方进行焊接，保证接触牢固。

2.1.3 匝间耐压测试

匝间耐压测试主要用于测试电机定子绕组在静止状态下是否存在内部匝间短路故障，测试主要采用匝间耐压测试仪进行测试。测试与直流电阻测试方法相似，将匝间耐压的高低压端分别与电机定子绕组的AB 端、BC 端、AC 端进行连接，测试出3 组波形进行对比，如出现波形不一致，则说明存在匝间短路故障。出现匝间短路故障，主要有3 种情况[6]：

1）同相绕组线内部短路。由于电机绕组每项均绕制多匝，每匝之间由于绝缘等原因出现短路，出现这种故障往往3 项波形中的其中2 项比其他1 项周期短。

2）不同相间短路。这种故障往往出现3 项波形的其中2 项比其他1 项的周期长。

3）绕组内部和不同相之间同时短路。这种情况比较少见，但同时短路时，3 项波形均存在偏差，但是有个判断原则，波形周期越短，说明绕组接入越少，证明短路。

匝间短路故障往往是由于嵌线过程中不注意或者绕组质量不过关导致，需要对产生匝间短路的的绕组重新进行绝缘包扎。

2.2 空载和负载测试故障分析

在空载和负载测试时，可同时进行的测试有转矩测试、振动测试、温度测量、噪音测试，这些测试都直接从电脑读取传感器的数据，然后根据数据进行分析被测试电机的存在的问题进行针对性的修复[7]。

2.2.1 空载测试故障分析及解决方案

将电动轮内电机转速调至40 r/min，运转1 min检查机械装配质量，无异音后调节至100、200、400 r/min，各运转1 min；无异常噪音及振动后调节至600～925 r/min 长时运转。测试过程中测取电压、电流和其他相关参数。空载测试时，主要通过观察电动轮运行情况进行，并且电动轮存在故障，往往伴随着多个故障出现，主要是对装配时各类机械故障进行查找[6]：

1）转子轻微卡滞。转子出现卡滞时，一般从外观上就能发现出现周期性吵杂声音，电动轮存在周期性抖动、局部噪音增大、局部温度上升等等。通过仪表观察则表现为空载电流增加，振动和噪音增大，电动轮某部位温度上升。故障原因有很多，例如轴承损坏，转子轴心偏离，定子绕组嵌线工艺不完好等等，一般需要对电机进行拆解进行详细检查，找出具体原因再进行处理。

2）电动轮尾部有异响。电动轮尾部有异响，主要是由于电机的太阳轮和行星轮装配出现问题。安装在延边减速箱内部的太阳轮和行星轮的间隙配合不好或者太阳轮和行星轮的轴承安装不正确，这需要拆卸延边减速箱盖后，对轴承位和间隙进行重新调整，保证在空载过程中转动顺畅，无阻滞[8]。

2.2.2 负载测试故障分析及解决方案

负载测试时，需要对电动轮的工装进行安装，首先将电动轮固定在测试平台机座上，然后将负载电机利用小车，通过导轨平推到与电动轮水平对正状态[9]。安装转速转矩传感器、温度传感器。陪试电机与转矩转速传感器、转矩转速传感器与万向联轴器之间的连接都为金属膜片联轴器连接，万向联轴器与被试电机连接。

负载测试时，首先输入励磁电压到额定，再缓慢将输入电枢电压提升到额定电压。电机在额定工况下加载运行，检测电机运行时电参数、转速、转矩及振动、噪声、温升等参数，分析电机负载特性。在电动轮进行负载测试时，由于明显的机械故障已在空载测试时基本排除，因此这部分主要是判断电动轮和主发电机在额定负载下，电机运行参数是否稳定，是否有其他不易发现的故障出现。

1）出现机械故障放大的状况。常见的故障为未达到额定电压时运行时正常，在电动轮达到额定电压或者在达到额定电压后运行一段时间后，发现突然出现剧烈抖动或异响。这往往是由于没有带负载时故障已经出现，但表现的并不明显，例如轴承有裂纹，负载后故障放大。此时需要按照空载时的各类故障要求，拆卸电动轮进行重新检修安装。

2）电压未达到额定值范围时，电流已经达到额定值范围。此类故障常常在电压未达到额定值范围时，电流已经达到额定值范围，并且伴随着转速不在正常值，转速低于正常值，出现转动不畅。并且此时可利用温度传感器对电动轮各部温度进行检查，如为机械故障，一般是在前面的测试过程中未发现的故障或者故障扩大的情况，需要针对温度升高的地方进行重新检查和调整。如为电气故障，则在转子绕组或者定子绕组必然出现了短路情况，是前期检查未查出的故障，需要对转子和定子的短路情况重新进行检查。

电机空载、负载运行观察中同步完成电机的转速转矩测试，传动端与非传动端轴承各方向振动测试，实时测量轴承温升、机壳和绕组温升测试和噪音测试。这几种测试均通过各类测试传感器回收数据，并进行分析诊断，提出相应的解决方案。

3 结语

通过介绍测试平台的原理，以630E 矿用卡车电动轮为主叙述了整个测试过程和矿用卡册电动轮经常出现的各类故障，提出了具体的解决方案，保证出厂的电动轮完好，降低生产成本，也为其他各类直流电动轮和直流电机测试提供借鉴。