李國強+李光升

摘 要：裝甲車輛起動電動機在工作過程中，針對直流電動機部分，發(fā)生的故障按類型可分為電氣和機械類。故障的發(fā)生是由多種原因造成的，既與直流電機自身結(jié)構(gòu)特點和功能特性有關(guān)，又受直流電機實際工作環(huán)境和工作條件的影響，要完全理解故障發(fā)生原因，就需要研究直流電機的工作特性，分析各種常見的故障類型及故障發(fā)生機理，同時也為后續(xù)的故障特征提取提供了理論依據(jù)。本文以某型裝甲車輛起動電動機為例，分析其運行特性和數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，列舉常見故障類型及現(xiàn)象，從電樞電流和振動信號的角度對常見故障作機理分析。

關(guān)鍵詞：起動電動機；常見故障；機理分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.008

1 裝甲車輛起動電動機的數(shù)學(xué)模型

對于裝甲車輛這種大型重載車輛，往往在起動過程中要求的轉(zhuǎn)矩特別大，因此裝甲車輛起動電動機的勵磁方式一般采用串勵方式。本文研究的起動電動機中的直流電動機就是串勵方式。

當(dāng)裝甲車輛直流電動機帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)動時，近似的寫出它運行時的動態(tài)線性方程為：

在上述方程中，為轉(zhuǎn)動慣量，為負載轉(zhuǎn)矩，為粘滯摩擦轉(zhuǎn)矩，為干摩擦轉(zhuǎn)矩，為電機角速度，為電機常數(shù)，為電樞電感，為電樞等效電阻，為電樞電流，為電源電壓。

電動機空載時電樞電流的瞬態(tài)響應(yīng)值為：

2 裝甲車輛起動電動機常見故障與機理分析

對于裝甲車輛起動電動機來說，具有與一般直流電動機相似的結(jié)構(gòu)特性，經(jīng)查閱大量文獻資料，對直流電動機發(fā)生的常見故障類型與原因作了分析。并結(jié)合起動電流和振動信號對電動機的常見故障作了機理分析，總結(jié)如下。

2.1 定子繞組故障

（1）故障特征及原因。定子勵磁繞組較易發(fā)生的故障一般有繞組匝間短路故障、相間短路故障和繞組接地故障等。

當(dāng)勵磁繞組匝間短路時，電機的振動加劇，會產(chǎn)生繞組發(fā)熱、冒煙和絕緣層燒焦的現(xiàn)象，發(fā)生該故障主要是由絕緣層表面堆積灰塵或油污、S彎處因制造或重修偏差使匝間短路、拆機修理時產(chǎn)生機械損傷等原因造成。當(dāng)勵磁繞組接地時，電機將處于嚴重故障狀態(tài)，發(fā)生該故障主要因為電動機絕緣層破損，導(dǎo)致線圈與鐵芯和機座直接導(dǎo)通，此時繞組中的大電流會對乘員生命帶來巨大威脅。故障原因主要是在制造時，絕緣層的包裹程度有缺陷，加上長期使用和保養(yǎng)不及時就會導(dǎo)致絕緣破損而接地。

（2）故障機理分析。定子繞組匝間短路屬于電動機繞組故障中發(fā)生比較早的故障現(xiàn)象，其他繞組故障均有它逐步加深導(dǎo)致。這里主要對定子繞組匝間短路進行故障機理分析。

定子繞組匝間短路發(fā)生時，其定子電流的故障特征頻率是一個重要參數(shù)，可以采用多回路理論[2]分析得到，該理論的原理是對電動機磁場進行分析的，即根據(jù)定轉(zhuǎn)子繞組之間的互感系數(shù)，求得定轉(zhuǎn)子之間的磁鏈和感應(yīng)電流，短路時繞組電感的變化會使感應(yīng)電流也發(fā)生變化，具體方法是對采集的定子電流即電樞電流作FFT得到電流的頻譜，故障狀態(tài)相比正常工作狀態(tài)，其電流幅值會在特征頻率處明顯增大，從而判別出定子繞組匝間是否發(fā)生了短路故障。

此外，電動機運行過程中，定子磁場和轉(zhuǎn)子之間相互作用，會有旋轉(zhuǎn)力產(chǎn)生，這種力會引起定子繞組的周期性變化并產(chǎn)生振動。當(dāng)定子繞組短路時，定子結(jié)構(gòu)的電磁噪聲和振動會加劇，相比正常狀態(tài)時電機振動信號會有諧波幅度的變化[3]。

2.2 換向故障

（1）故障特征及原因。電刷作為直流電動機的主要結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對電流的引導(dǎo)和換向，電機工作時，電刷接觸在換向器表面滑動，滑動越平穩(wěn)換向效果就越好，換向不良會出現(xiàn)刷火異常，這種現(xiàn)象一般呈明亮、暴鳴狀、火球狀或飛濺狀等，刷火異常往往會使換向器表面出現(xiàn)燒痕而變黑?；鸹ǖ漠a(chǎn)生通常由電磁原因、機械原因、環(huán)境原因和負載原因等因素造成[4]。

（2）故障機理分析。在電動機換向過程中，實際流過的電樞電流并不是保持恒定的，而是會產(chǎn)生上下的起伏。隨著電動機工作年限的增加，電動機的電刷會被磨損，這樣就導(dǎo)致了電刷和換向器之間的縫隙不斷增大，從電動機數(shù)學(xué)模型上分析是因為干摩擦轉(zhuǎn)矩變小了。從公式（2-1）中看，在不改變其他條件時，電刷與換向器之間縫隙增大，即意味著電刷的接觸電阻增大，因此電樞電流將會變小。

2.3 電樞故障

（1）故障特征及原因。起動電動機的電樞繞組為單波繞組，其結(jié)構(gòu)特點是同極性的繞組按一定規(guī)律串聯(lián)起來構(gòu)成單條支路，再經(jīng)電刷使電樞繞組和直流電源的正負兩端接通從而形成電動機回路。電樞繞組常有斷裂開焊和短路故障發(fā)生，開焊的原因主要是負載過大、電流過大、機體材料缺陷等。短路故障按照位置不同可分成換向器片端短路、驅(qū)動端短路及匝間短路，其中換向片間短路更常見，其原因是換向器云母溝內(nèi)有導(dǎo)電雜質(zhì)或粉塵。電樞繞組匝間短路一般由電樞繞組絕緣層破損、繞組受酸類物質(zhì)侵蝕、重修安裝時損傷絕緣層的機械結(jié)構(gòu)等因素造成。

（2）故障機理分析。電樞發(fā)生的常見故障是電樞繞組元件開焊。開焊的元件在電機運行過程中會發(fā)生兩種情況。第一種情況是它和正常的繞組構(gòu)成電樞回路，第二種是完全脫離開來不構(gòu)成任何回路。第一種情況下，電路中參數(shù)不會發(fā)生改變，由電機模型公式（1-2）推導(dǎo)出電路變?yōu)闊o故障狀態(tài)，電樞電阻和電樞電流的數(shù)值均表現(xiàn)為正常狀態(tài)。第二種情況下，由于電樞元件的開焊，導(dǎo)致并聯(lián)電阻的減少，即等效的電樞電阻會增大，根據(jù)電機模型公式（1-2）推導(dǎo)，此時電樞電流會減小。這種變化會隨著電機的旋轉(zhuǎn)周期性出現(xiàn)，電樞電流在時域內(nèi)呈現(xiàn)的變化具有周期性波動的效果，并且電機振動和噪聲也會加劇。

2.4 轉(zhuǎn)子偏心故障

（1）故障特征及原因。電動機在機械換向時，對定子和轉(zhuǎn)子的同心度要求比較高，不能存在明顯的轉(zhuǎn)子偏心問題，但因為制造時產(chǎn)生的公差、運行過程中會產(chǎn)生磨損以及安裝不合理等因素，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子產(chǎn)生偏心。電動機的氣隙偏心分靜態(tài)偏心和動態(tài)偏心兩類，分別如圖1（a）、（b）所示。endprint

（2）故障機理分析。當(dāng)偏心故障發(fā)生時會帶來定轉(zhuǎn)子之間氣隙的變化，由于氣隙是屬于電機主磁路的一部分，因此偏心也會帶來磁場的改變，導(dǎo)致電磁不平衡而產(chǎn)生力矩，受力矩的影響，偏心故障程度會不斷加深[5]。偏心故障的發(fā)生會破壞磁路結(jié)構(gòu)的對稱性，此時電樞電流中會產(chǎn)生諧波頻率。當(dāng)偏心較嚴重時，因電刷與換向器之間的接觸性變差會出現(xiàn)火花。對直流電動機來說，可以檢測和分析定子電流中的諧波頻率成分來判斷轉(zhuǎn)子是否發(fā)生偏心故障。

直流電動機與異步電動機的結(jié)構(gòu)存在差異，但是齒槽效應(yīng)和偏心現(xiàn)象是相似的，根據(jù)直流電動機特點，將參數(shù)代入式（2-2），能夠求得槽諧波和周圍的偏心故障特征諧波成分的頻率。

此外，靜態(tài)偏心和動態(tài)偏心具有不同的振動特性，其故障特征頻率也是不同的。動態(tài)偏心故障的振動特征頻率可能與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率相等。

2.5 軸承故障

故障特征及原因：

滾動軸承的結(jié)構(gòu)包括內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架四部分。軸承作為起動電動機傳輸動力過程中的關(guān)鍵部件，受摩擦和激振力的影響極易發(fā)生故障，并且受不同因素影響會產(chǎn)生不同程度的損傷類型，下面將故障類型及原因總結(jié)如表1所示。

（2）故障機理分析。軸承作為起動電動機定轉(zhuǎn)子之間的支撐部件，在起動過程中會受到軸向和徑向力，這種力的作用就是軸承發(fā)生形變的原因。當(dāng)直流電動機軸承上的某一部位發(fā)生微小故障時，隨著電動機的高速運轉(zhuǎn)，發(fā)生故障的部位與軸承正常部位會發(fā)生周期性接觸，這種接觸會增加故障部位的進一步損壞。并伴隨著電動機定轉(zhuǎn)子氣隙間隙和磁導(dǎo)發(fā)生變化，這些變化的諧波最終會反映在電樞電流中。因此通過檢測電樞電流中特定的諧波頻率就能對軸承故障進行診斷[6]。

另外，軸承運行過程中，其滾動體在具有凹凸特點的接觸面上滾動會產(chǎn)生交變的激振力。正常狀態(tài)下時，因為接觸面的凹凸性和深淺是不規(guī)則的，因此這種激振力也是無規(guī)律的，測量得到的振動信號含有多種頻率成分。當(dāng)軸承發(fā)生內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架故障時，受損點在接觸面上會產(chǎn)生一個沖擊力，隨著軸承的轉(zhuǎn)動，這個沖擊力呈現(xiàn)出周期性變化[7]，故障不同，沖擊力出現(xiàn)的頻率也不同，稱該頻率為故障狀態(tài)的特征頻率。所以只需檢測振動信號的頻率，就能判斷軸承的故障類型。

3 結(jié)論

本文首先分析了裝甲車輛某型起動電動機的勵磁方式和數(shù)學(xué)模型，總結(jié)了起動電動機常見故障（定子繞組故障、換向故障、電樞故障、轉(zhuǎn)子偏心故障和軸承故障）發(fā)生時產(chǎn)生的現(xiàn)象和故障原因，并結(jié)合起動電動機電樞電流和振動信號分別對常見故障作了機理分析，為進一步理解起動電動機的特性提供了參考。

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作者簡介：李國強（1993-），男，甘肅武威人，碩士研究生，研究方向：檢測技術(shù)及其自動化裝置。endprint