基于性能参数退化的电机寿命评估

栾建洋，徐立立，吴超云，杨 静

（1.中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 064000；2.广州广电计量检测股份有限公司，广州 510656）

0 引言

动车空调通风系统中的冷凝风机和蒸发风机是列车稳定运营的重要部件，是空调装置中重要的组成部分。高铁动车自投入运营已经有十几年的时间，在为国内经济的快速发展带来巨大贡献的同时也带来了巨大的成本，因此近几年轨道交通行业提出轨交装备重要部件的定寿延寿的课题，因此对冷凝风机和蒸发风机的关键部件电机提出了定寿、延寿的要求[1]。

对电机进行准确的寿命评估需要了解导致电机寿命终结的故障原因，对电机进行故障检测除了功率及功率因数的表征，一般要对电机的温升、振动以及噪声进行查看[2]，根据这些检测综合判断导致电机寿命终结的故障原因。而对电机进行寿命评估，有基于电机部件的老化进行寿命评估的，赵德宇等[3]基于电机的环氧云母绝缘老化进行了寿命评估，高俊国[4]对电子定子绝缘老化的寿命进行了预测，王春亮等[5]对地铁牵引电机轴承的剩余寿命进行了预测，这些都是对电机的组成部件进行寿命预测。而这些对电机组成部件的寿命预测，不但试验时间长，而且不能充分表征电机的寿命。电机的某些性能参数诸如温升、振动在随着使用时间的变长是具有退化特性，达到一定限值即发生报警[6]。因此，选取列车上使用过的四级修、五级修冷凝电机、蒸发电机进行性能测试同时进行拆解分析，与新品电机进行对比，确定是否具有退化趋势，并从结构、参数特性等异常分析电机退化的原因，并基于参数的失效阈值快速评估新品电机的使用寿命，以及四级修及五级修电机的剩余寿命。

1 研究对象介绍与分析

本文研究对象为动车组空调系统中冷凝电机及蒸发电机，为河北电机生产的三相异步电机。产品允许使用的环境温度为-40～70 ℃，使用湿度范围为RH5%～95%，其防护等级可达到IP56，电机由逆变器供电进行工作。

电机电性能参数如表1所示。

表1 电机主要参数

2 电机性能参数测试

三相异步电机是很成熟的产品，按照结构组成部分，主要划分为定子铁心、定子绕组、转子铁心、转子绕组、转轴、轴承、端盖、风扇等。依据GB/T1032[7]，需要对电机进行各项性能测试，包括绝缘电阻、耐压、温升、功率因数、振动等。同时随着使用的延长，电机的内部会发生一定的磨损。因此，选取新品、四级修及五级修等不同修程的电机进行拆解，同时进行各项参数测试，确定电机的性能参数变化。

2.1 电机拆解分析

为评估冷凝电机及蒸发电机内部结构的变化情况，选择新品、四级修以及五级修等不同修程的电机样品，进行外观、内部结构、尺寸等检测，确定冷凝电机、蒸发电机物理结构上随使用时间的变化情况。

冷凝电机及蒸发电机样品外观良好，无机械损伤、锈蚀、脱漆等。随后，分别拆解新品、四级修及五级修电机，确认内部结构变化情况。冷凝电机新品滚珠环内油脂乳白色，表面无锈；四级修滚珠环内油脂黑色，表面无锈；五级修滚珠环内油脂黄褐色，表面无锈；蒸发电机新品滚珠环内油脂乳白色，表面无锈；四级修滚珠环内油脂黑色，表面无锈；五级修滚珠环内油脂黄褐色，表面有锈。如图1所示。

图1 四级修及五级修冷凝、蒸发电机轴承情况

冷凝电机及蒸发电机在使用过程中，轴端盖会出现一定的磨损。因此，对新品、四级修及五级修轴端盖尺寸进行测量，确认电机轴端盖的变化情况。如图2所示。测量发现，冷凝电机的轴端盖位置2、位置3，五级修的样品较四级修样品及新品的尺寸具有明显的磨损情况；而蒸发电机3 个测试位置的尺寸差异较小，磨损情况较小。通过尺寸测量发现，说明冷凝电机在使用过程中，可能由于安装、外部的振动等，会导致其出现尺寸变化。如图3～4所示。

图2 冷凝电机及蒸发电机轴端盖尺寸测试位置

图3 不同修程冷凝电机轴端盖尺寸

图4 不同修程蒸发电机轴端盖尺寸

2.2 温升测试

电机随着使用时间的延长，其内部绝缘发生了老化，内部结构出现不同程度的磨损，会导致不同使用时长的电机出现温升性能的差异。因此，选择新品、四级修及五级修电机进行温升测试，确认电机的温升变化情况。

通过测试发现，冷凝电机新品、四级修及五级修电机温升无较大差异，蒸发电机四级修较新品温升高出近15 ℃，五级修较四级修温升高出近20 ℃。冷凝电机不同修程温升趋势如图5 所示，蒸发电机不同修程温升趋势如图6所示。

图5 不同修程冷凝电机温升

图6 不同修程蒸发电机温升

2.3 振动测试

依据GB/T 25123.2-2010，对冷凝电机及蒸发电机进行自身振动测试，在电机上布置了5 个测试点，测试各个点的振动情况。根据标准要求，振动测试选择测试点中速度最大的点为样品的测试结果。冷凝风机电机振动测试中速度最大的点为位置1，蒸发风机电机振动测试中速度最大的点为位置3。根据振动测试变化趋势图，冷凝电机振动测试中的速度随着修程的延长其振动更加剧烈，而蒸发电机振动变化未有增大趋势。冷凝电机振动变化趋势如图7所示，蒸发电机振动变化趋势如图8所示，振动测试布点如图9所示。

图7 不同修程冷凝电机振动变化趋势

图8 不同修程蒸发电机振动变化趋势

图9 电机振动测试监测点

2.4 功率因数

凝风机及蒸发风机电机试验过程中要进行0.25～1.5倍额定功率条件下的功率因数测试，评估新品、四级修以及五级修样品的功率因数的区别。根据测试结果，冷凝电机的0.25～1.5 倍额定功率条件下的功率因数，新品、四级修以及五级修样品的功率因数无明显差别；根据测试结果，蒸发电机的0.25～1.5 倍额定功率条件下的功率因数，新品、四级修以及五级修样品的功率因数无明显差别。

3 电机寿命评估

通过对不同修程的电机进行各项性能参数测试，发现不同修程的冷凝电机的温升、功率因数等参数未有明显差异，而其振动随着使用时间的增加，呈现出上升的趋势；不同修程的蒸发电机的振动、功率因数等参数未有明显差异，但其温升随着使用时间的增加，呈现了上升的趋势。而对于电机，性能参数是有其允许工作的范围的。冷凝电机及蒸发电机均属于三相异步电机，依据GB/T 10068-2008[8]，此种条件下电机的振动速度应小于或等于1.6 mm/s；依据GB755-2008，电机的温升应小于或等于105 K。

3.1 冷凝电机寿命评估

冷凝电机新品、四级修以及五级修的电机的振动性能参数有较大差异。冷凝电机的轴中心距为90 mm，安装方式为自由悬挂。依据GB/T 10068-2008，此种条件下电机的振动速度阈值1.6 mm/s。新品运行时间为0 h，四级修电机运行时间为4年，共35 040 h，五级修电机运行8年，共70 080 h，对振动速度与运行时间数据进行拟合，如图10 所示，其中R2=0.974 7，说明拟合结果较好[9]。将阈值1.6 mm/s代入计算公式，得到冷凝电机新品的寿命约为12.8 年；按照四级修已使用4 年，5 级修已使用8 年，则四级修剩余寿命为8.8 年，五级修剩余寿命为4.8 年。

图10 冷凝电机振动速度与时间关系

则速度与寿命之间关系如下：

3.2 蒸发电机寿命评估

蒸发电机通过性能参数测试，除了振动，功率因数等，新品、四级修以及五级修的电机的温升是有较大差异，依据GB755-2008，电机的温升应小于或等于105 K。新品运行时间为0 h，四级修电机运行时间为4年，共35 040 h，五级修电机运行8 年，共70 080 h，对温升与运行时间数据进行拟合，如图11 所示，其中R2=0.974 1，说明拟合结果较好。将温升阈值105 K 代入计算公式，得到蒸发电机新品的寿命约为15.8 年；按照四级修已使用4 年，5 级修已使用8 年，则四级修剩余寿命为11.8年，五级修剩余寿命为7.8年。

图11 蒸发电机温升与时间关系

则温升与寿命之间关系如下：

4 结果与分析

冷凝电机及蒸发电机四级修及五级修产品内部尺寸相对与新品有不同程度的所减少，不同修程之间差别最大的为冷凝电机新品次底圆到外圆的高度比冷凝电机五级修高出3 mm，尺寸减少达到了13%。同时冷凝电机的振动差别较大，新品为0.56 mm/s，四级修为0.95 mm/s，五级修为1.16 mm/s；而蒸发电机的振动差别相差不大，说明冷凝电机使用过程中由于振动因素导致了电机内部磨损，进而振动参数有较明显的退化趋势；而蒸发电机的内部尺寸差异很小，同时振动差异也较小，说明振动对蒸发电机影响微弱。温升方面，冷凝电机温升无较大差异，并且新电机、四级修及五级修的内部结构、绝缘等变化量较少，未形成导致温升异常的因素；蒸发电机不同修程之间的样品温升有较大差别，新品与四级修之间有15 K差别、四级修与五级修之间有22 K的差别。

经过评估，冷凝电机新品寿命约为12.8 年，冷凝电机四级修剩余寿命约为8.8年，冷凝电机五级修剩余寿命约为4.8年；蒸发电机新品寿命约为15.8年，蒸发电机四级修剩余寿命约为11.8 年，蒸发电机五级修剩余寿命约为7.8年。

5 结束语

本文通过对动车组上新品、四级修、五级修的冷凝电机、蒸发电机进行性能测试，发现冷凝电机及蒸发电机的性能参数具有退化趋势。其中，冷凝电机的振动特性，从新品到四级修、再到五级修呈现增大的趋势；而蒸发电机的温升特性，从新品到四级修、再到五级修呈现升高的趋势。同时电机的振动特性及温升特性具有阈值，因此对两种电机分别进行了振动、温升的退化拟合，并依据允许工作的阈值快速预估了冷凝电机、蒸发电机的新品预期寿命，四级修及五级修的剩余寿命。由于五级修冷凝电机及蒸发电机剩余寿命均超过至少1 个四级修周期[10]，因此在维修周期上可延长1 个维修周期，对降低运营成本提供了参考依据。