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直聯提升機電動機氣隙不均問題及調整方法
發布時間：
2024-07-31
來源：
礦井提升機是礦山的重要設備，承擔著礦物的提升、人員的上下、材料和設備的運送任務。隨著礦山生產規模的擴大和技術水平的發展，礦井提升設備的能力加大，大型化設備數量增多，大型提升機特別是大型直聯摩擦式提升機的需求比例大增。直聯提升機的主軸與電動機轉子錐套過盈配合連接，電動機為提升機的動力機構，其正常運行與否，直接關系到提升機的正常運行。一旦電動機發生故障，不僅會降低工作效率，甚至可能造成重大人員傷亡和經濟損失。
1 直聯提升機結構及不平衡磁拉力
1.1 大型直聯摩擦式提升機結構
大型直聯摩擦式提升機主要由主軸、摩擦輪、滾動軸承、軸承座、軸承蓋、電動機等部件組成，如圖1 所示。其中，提升機主軸與電動機轉子的錐套過盈配合連接，主軸和電動機轉子連成一體。電動機定子、轉子之間的空隙為電動機氣隙，氣隙的調整也是電動機安裝的重要環節。
圖1 大型直聯式提升機的結構
1.軸承及軸承座；2.摩擦輪；3.主軸；4.電動機。
1.2 不平衡磁拉力的影響
理論上，提升機電動機磁場絕對均勻時，轉子徑向各點所受的磁拉力是均勻的，其合力為零。但由于生產過程、現場安裝調整及測量誤差等都會導致偏心，偏心必然會導致定子、轉子氣隙不均勻，從而產生不平衡磁拉力。
根據經驗及其安裝和運行要求，氣隙不均值不能大于電動機氣隙值的 10%。一旦氣隙值不滿足該要求，就會導致提升機在氣隙小的方向上產生不平衡磁拉力，把提升機主軸和電動機轉子拉向磁拉力大的一側。該不平衡磁拉力，不僅會加速軸承的損壞，也會引起提升機的振動和噪聲，造成提升機閘盤偏擺超差和電動機發熱量增大。該不良影響發展到一定程度時，會引起定子、轉子相摩擦，發生電動機“掃膛”事故，甚至燒毀電動機。
2 氣隙不均與不平衡磁拉力
2.1 研究現狀
劉志珍等人對異步電動機不平衡磁拉力計算的幾種公式進行了推導，并引入經驗系數 β，提出了一種新的不平衡磁拉力計算公式，通過計算實例與其他方法對比，證明了所得公式的正確性。Faiz 等人利用有限元方法分析了感應電動機在動態偏心和靜態偏心的磁場特性，發現主齒諧波變頻帶可以有效預測轉子偏心及偏心類型。Pillai 等人建立了考慮不同轉子位置的不平衡磁拉力表達式，提出了一種解析公式并與二維有限元分析方法作對比，驗證了方法的合理性。黃彪對不平衡磁拉力進行了計算，并利用 Maxwell 軟件對不平衡磁拉力進行求解分析，并給出了減小不平衡磁拉力的解決措施。黨文娟研究了不平衡磁拉力與電動機轉矩的理論計算，給出了非線性解析表達式。電動機在運行中引起不平衡磁拉力的原因較多，產生不平衡磁拉力的機理也非常復雜。研究發現，不平衡磁拉力與轉子偏心有密切的非線性關系。雖然現階段已經有很多學者給出了不平衡磁拉力的非線性解析表達式，但因采用的假設和簡化方法各不相同，得到的磁拉力表達式也不盡相同，各個表達式具有不同的適用環境。
電動機單邊磁拉力是指因電動機磁場的不均勻分布而產生的力。國內傳統設計中，單邊磁拉力的計算一直沿用文獻 [9]和 [14]中的公式。單邊磁拉力
式中：F0 為單邊磁拉力，N；D 為轉子外徑，cm；L為磁場作用長度，即指磁場作用的長度范圍，cm；g為電動機氣隙值，cm；Bg 為磁感應強度，即單位面積上磁通量的大小，Gs；e0 為偏心量，cm。
現在，電動機廠計算低速電動機初始單邊磁拉力時，一般根據經驗，按電動機定子、轉子間的氣隙偏差為 10% 進行計算。則上式中
式(1) 可簡化為
2.2 氣隙的安裝調整
現場安裝提升機時，一般先安裝提升機主軸裝置，之后再安裝電動機。安裝電動機時，先將電動機轉子安裝到提升機主軸上，再將定子安裝就位。安裝定子時，應按廠家提供的圖紙資料中規定的要求，調整轉子與定子間隙。
因為提升機主軸機械自重及電動機轉子自重會對提升機主軸產生一定的撓度，但這兩部分自重產生的撓度在電動機安裝時就已經存在；而定子氣隙已按當時轉子位置為基準進行調整，不會對定轉子之間的氣隙產生附加影響。
一般提升機在電動機安裝調整后、正式運行前，才懸掛鋼絲繩。提升鋼絲繩繩重、容器重及載荷重這三部分載荷，均通過鋼絲繩作用在提升機摩擦輪上，這些統稱為鋼絲繩張力。鋼絲繩張力會在提升機主軸的電動機端產生撓度，且張力會影響提升電動機定子、轉子之間的氣隙；因此，在電動機安裝及調整氣隙時，需要在鋼絲繩張力產生撓度的方向，即與鋼絲繩出繩方向相反的方向上預留氣隙。井塔式提升機和落地式提升機鋼絲繩張力作用在提升機上的方向不同，預留氣隙的方向也不同，如圖2、3 所示。在提升機掛繩后再次測量電動機氣隙，如果氣隙值不滿足要求，則需再次調整，直到氣隙合格為止。
圖2 鋼絲繩張力引起的氣隙變化
圖3 兩類型提升機的預留氣隙
3 提升機氣隙不均的案例分析
以某現場為例，該設備為 JKMD-4×4ZⅢ 型多繩摩擦式提升機，鋼絲繩直徑為 φ 42 m m，提升速度為 8.8 m/s；電動機為直流電動機，型號為ZKTD250/75，功率為 1 800 kW，轉速為 42 r/min。
3.1 氣隙不均問題概述
在檢修時，用戶發現該電動機轉子與定子之間存在氣隙不勻現象，問題出現已有一年多。用戶擔心該問題繼續發展會影響到提升機正常運行。我公司技術人員到達現場后，觀察到該提升機轉子在勵磁通電和勵磁退電時存在較為明顯的氣隙變化，目測變化量為 2～ 3 mm，如圖4 所示。電動機在啟動后平穩運行中，氣隙無明顯的變化。技術人員初步懷疑電動機定子、轉子的松動或位移導致氣隙變化，也有可能在初次安裝時氣隙未調整均勻。
圖4 勵磁通電前后氣隙的變化
3.2 測量氣隙與查找問題
3.2.1 測量氣隙與排查原因
拆除電動機外保護罩，用塞尺檢查電動機定子、轉子之間的氣隙。使用長塞尺，在定轉子圓周上均勻間隔測量氣隙，且要求內外兩側均使用塞尺測量并記錄。結果表明，氣隙存在不均，氣隙最大為 10.3 mm，最小為 4.4 mm；定轉子之間氣隙的變化方向，與因氣隙變小勵磁產生移動的方向大概一致。
檢查以下事項并查找問題：檢查電動機與基礎底座的連接螺栓是否松動，電動機磁極與電動機定子殼體連接是否松動，提升機各個部位連接螺栓及楔鐵是否松動。對上述問題逐一檢查，均未發現問題，排除提升機在運行過程中，因定子松動產生位移而造成的氣隙變化。
3.2.2 使用百分表測量位移
提升機電動機在勵磁通電時，存在肉眼可見的轉子位移，需要采用百分表測量轉子位移量。同時，在電動機與提升機之間主軸架設百分表，觀察主軸是否發生位移及位移量；在電動機轉子尾部已觀察到位移最大的方位上，以及在主軸軸承和電動機之間，架設百分表，方位與電動機轉子尾部百分表相同；在電動機定子也架設百分表。百分表安裝調整好后，進行勵磁通電。當電動機勵磁通電時，記錄各百分表數據如下：主軸軸承與電動機之間產生 0.12 mm 位移，轉子尾部產生 4 mm 位移，且兩位移方向一致；電動機定子未發生位移。
4 原因分析及調整方法
4.1 原因分析
初步判斷氣隙不均的原因為在安裝提升機時氣隙未按要求調整。電動機因氣隙嚴重不均產生的不平衡磁拉力過大，造成提升機主軸“吃掉”軸承游隙，導致主軸及轉子端部經杠桿原理放大產生較大位移；因此，需要調整定子、轉子間的氣隙。經查閱資料，該電動機氣隙值為 7 mm，要求氣隙偏差不大于氣隙值的 10%，即為 0.7 mm。調整后，應保證其氣隙偏差不超過 0.7 mm。
4.2 調整方法
因電動機轉子與提升機主軸共軸，經檢查提升機的安裝符合要求，因此不能調整提升機來調勻氣隙，電動機定子通過 6 根螺栓與電動機底座連接，可以通過調整定子位置來達到調勻氣隙的目的。定子位置調整流程如下：
(1) 劃線標記電動機定子現位置，記為原始位置；
(2) 將定子向氣隙小的方向 (出繩方向) 移動約 3 mm；
(3) 拆除定子與底座間的定位銷，松開定子與底座間的螺栓；
(4) 利用天車將電動機定子稍稍吊起，采用千斤頂配合，將電動機頂向氣隙小的一方約 3 mm；
(5) 利用塞尺測量氣隙，根據測量值再次調整，直到氣隙滿足要求為止；
(6) 氣隙調整均勻后，將螺栓按要求擰緊力矩緊固；
(7) 氣隙驗證。調整后，最終最小氣隙為 6.6 mm，最大氣隙為 7.4 mm，滿足標準氣隙的要求。再次同時在提升機主軸軸承與電動機間、提升機轉子電動機尾部、電動機轉子架設百分表，進行勵磁通電，記錄百分表數據如下：主軸傳動軸承端產生 0 mm 位移，轉子尾部產生 0.16 mm 位移，電動機定子未發生變動。這說明調整方法正確有效。