سه خطای اصلی روتورهای موتور شار محوری: تعمیر یا تعویض؟ راهنمای روشن برای تعمیر مرزها

موتورهای شار محوری با چگالی توان بالا، ساختار فشرده و ویژگی‌های گشتاور عالی، به طور فزاینده‌ای در وسایل نقلیه انرژی جدید، سرووهای صنعتی، نیروی باد و سایر زمینه‌ها استفاده می‌شوند. با این حال، با انباشته شدن ساعات کار و پیچیده تر شدن شرایط کار، روتور - جزء چرخان هسته موتور - ناگزیر با خطاهای مختلفی مواجه خواهد شد. در میان آنها، آسیب سطحی روتور موتور شار محوری، مغناطیس زدایی با آهنربای دائمی (فولاد مغناطیسی) و شکست تعادل دینامیکی سه نوع خطای رایج هستند. در مواجهه با این مشکلات، نگرانی اصلی پرسنل تعمیر و نگهداری این است:  کدام عیوب را می توان تعمیر کرد؟ کدام نیاز به تعویض دارند؟ آیا می توان عملکرد و قابلیت اطمینان را پس از تعمیر تضمین کرد؟

1. آسیب سطح روتور: آسیب جزئی قابل تعمیر است، آسیب شدید نیاز به تعویض دارد.

1.1 علل و تظاهرات خطا

آسیب سطحی روتور موتور شار محوری معمولاً در اثر مالش (اصطکاک بین استاتور و روتور)، نفوذ جسم خارجی یا فرو رفتن روتور به دلیل خرابی یاتاقان ایجاد می شود. شناسایی نوع آسیب به یافتن علت اصلی کمک می کند: اگر سطح روتور یک علامت مالش داشته باشد در حالی که کل سطح استاتور خراشیده شده است، اغلب به دلیل خم شدن شفت یا عدم تعادل روتور ایجاد می شود. اگر سطح استاتور فقط یک علامت مالش داشته باشد در حالی که سطح روتور در اطراف کل محیط خود خراشیده شده باشد، این امر ناشی از عدم تمرکز بین استاتور و روتور است که معمولاً به دلیل تغییر شکل قاب و میله های محافظ انتهایی یا سایش شدید یاتاقان است.

1.2 چه زمانی می توان آن را تعمیر کرد؟

آسیب سطح جزئی  به طور کلی قابل تعمیر است. طبق استانداردهای صنعت، روش های خراش دادن یا سنگ زنی برای از بین بردن آسیب های ناشی از نور در سطح داخلی استاتور و سطح بیرونی روتور مجاز است، مشروط بر اینکه دمای سطح موتور پس از تعمیر با استانداردهای مربوطه مطابقت داشته باشد. معیارهای خاص عبارتند از:

• عمق آسیب در محدوده قابل ماشین کاری است (معمولاً کمتر از 0.5 میلی متر) و بر یکپارچگی ساختاری هسته روتور تأثیر نمی گذارد.

• هیچ اتصال کوتاه یا ذوب ورق های فولادی سیلیکونی با مساحت بزرگ رخ نداده است. در صورت بروز سوزش موضعی دندان های مرکزی، می توان قطعات ذوب شده و ذوب شده را جدا کرد و نواحی آسیب دیده را با رزین اپوکسی ترمیم کرد.

• پس از تعمیر، یکنواختی شکاف هوا هنوز هم می تواند الزامات طراحی را برآورده کند و درجه دمای سطح برآورده می شود.

در مورد تکنیک های تعمیر، خراش های خفیف و نقاط زنگ زدگی را می توان با پارچه سنباده ریز آغشته به روغن جلا داد و انحرافات گردی را به طور مکرر با استفاده از میکرومتر بررسی کرد. برای آسیب های سطح جفت گیری مانند سایش ژورنال شفت، می توان از فناوری های مهندسی سطح مانند روکش لیزری، آبکاری برس و پاشش حرارتی استفاده کرد. این فرآیندهای تعمیر در دماهای پایین عمل می کنند و باعث تغییر شکل شفت یا تغییر ساختار متالوگرافی نمی شوند.

1.3 چه زمانی باید تعویض شود؟

•  عمق آسیب بسیار زیاد است و از محدوده تحمل طراحی فراتر می رود و ادامه تعمیر ساختار هسته را از بین می برد.

•  اتصال کوتاه یا لایه لایه شدن ورق های فولادی سیلیکونی رخ داده است که منجر به افزایش قابل توجه تلفات جریان گردابی و گرمای بیش از حد هسته می شود.

• هسته روتور دچار تغییر شکل ساختاری جبران ناپذیری شده است و یکنواختی شکاف هوا هنوز حتی پس از تعمیر نمی تواند تضمین شود.

• آسیب به نقاط ضعیف در ساختار پایه روتور گسترش یافته است و هزینه تعمیر نزدیک یا بیشتر از هزینه تعویض است.

2. مغناطیس زدایی مغناطیسی: خفیف تا متوسط ​​با مغناطیس مجدد قابل تعمیر است، نیاز شدید به تعویض دارد.

2.1 علل و مکانیسم های مغناطیس زدایی

ماهیت مغناطیس زدایی مغناطیسی دائمی یک تغییر غیرقابل برگشت در ساختار حوزه مغناطیسی است که بر اساس علت اصلی به سه دسته تقسیم می شود:

• مغناطیس زدایی حرارتی : زمانی رخ می دهد که دمای آهنربای دائمی از حد تحمل درجه ماده آن فراتر رود. برای مثال، برای NdFeB، دمای کوری حدود 310 درجه سانتیگراد است، که بیش از آن از دست دادن کل مغناطیسی رخ می دهد. داده های تجربی نشان می دهد که پس از 1000 ساعت کار مداوم در دمای 150 درجه سانتیگراد، آهنرباهای NdFeB می توانند افت شار بین 3 تا 5 درصد را تجربه کنند.

• مغناطیس زدایی میدان معکوس : میدان های مغناطیسی معکوس ایجاد شده توسط شرایط غیرعادی مانند اضافه بار یا اتصال کوتاه باعث معکوس شدن دامنه مغناطیسی محلی می شود. در یک موتور خودرو انرژی جدید، تحت شرایط 200٪ اضافه بار، چگالی شار مغناطیسی 7٪ به 12٪ کاهش یافت.

• مغناطیس زدایی از خوردگی شیمیایی : مواد NdFeB در محیط های گرم و مرطوب اکسید می شوند و باعث فروپاشی تدریجی خواص مغناطیسی می شوند. آزمایشات اسپری نمک نشان می دهد که آهنرباهای محافظت نشده می توانند پس از 500 ساعت تا 15 درصد از دست دادن شار را تجربه کنند.

چگونه می توان در محل تشخیص داد که آهنرباها مغناطیس زدایی شده اند؟ بصری ترین روش: پس از مغناطیس زدایی، سرعت بدون بار موتور به طور قابل توجهی افزایش می یابد، جریان بار افزایش می یابد و گشتاور ترمز کاهش می یابد. تشخیص دقیق تر نیاز به استفاده از تسلا متر (Gaussmeter) برای اندازه گیری قدرت میدان مغناطیسی سطح یا با تشخیص EMF پشتی و مقایسه آن با پارامترهای اصلی دارد.

2.2 چه زمانی می توان آن را تعمیر کرد؟

قابلیت تعمیر مغناطیس زدایی به  درجه مغناطیس زدایی بستگی دارد و توصیه می شود بر اساس طبقه بندی زیر ارزیابی شود:

مغناطیس زدایی خفیف  معمولاً در اثر گرمای بیش از حد کوتاه مدت یا جریان بیش از حد خفیف ایجاد می شود و برگشت پذیری قوی دارد. طرح تصفیه شامل ابتدا بهینه سازی اتلاف گرما، محدود کردن اضافه بار و تثبیت منبع تغذیه، سپس استفاده از مغناطیس کننده پالس ولتاژ بالا برای مغناطیس کردن جهت آهنرباهای دائمی روتور است. پس از مغناطیس شدن، با یک گاوس متر بررسی کنید که میدان مغناطیسی به مقدار اولیه خود بازگردد. طبق رویه صنعت، تجهیزات مغناطیس‌سازی حرفه‌ای می‌توانند بیش از 95 درصد عملکرد اصلی را بازیابی کنند.

مغناطیس زدایی متوسط  ​​مستلزم جداسازی موتور، آزمایش آهنرباهای دائمی یک به یک، انتخاب واحدهای به شدت غیر مغناطیسی شده، اتصال یا جاسازی آهنرباهای جدید با همان درجه و اندازه دقیقاً مطابق با قطبیت اصلی، و پس از مغناطیسی کامل، انجام جریان بدون بار، گشتاور و تست های بازده است.

2.3 چه زمانی باید تعویض شود؟

شرایط زیر به جای تلاش برای تعمیر بیشتر، نیاز به تعویض قاطع دارد:

• ماندگاری آهنرباهای دائمی کمتر از 80 درصد مقدار طراحی است و نمی توان آن را به عملکرد درجه بندی شده پس از مغناطیسی بازگرداند.

• آهنرباها آسیب های ساختاری (ترک، شکستگی، خوردگی شدید) را نشان می دهند به طوری که مقاومت مکانیکی و عمر مفید حتی پس از مغناطیس شدن نمی تواند تضمین شود.

• مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر رخ داده است، به این معنی که خود ماده مغناطیس دائم پیر شده یا دچار خوردگی شیمیایی شده است تا جایی که باقیمانده را نمی توان از طریق مغناطیسی بازیابی کرد.

•  مغناطیس زدایی منجر به افت شدید راندمان موتور و افزایش غیرعادی دما شده است که هزینه های تعمیر بیش از هزینه تعویض کل موتور است.

3. خرابی تعادل پویا: اکثریت قابل تعمیر هستند، تعداد بسیار کمی نیاز به تعویض دارند

3.1 علل شکست و تشخیص

عدم تعادل روتور رایج‌ترین منبع خطا در ماشین‌های دوار است - آمار نشان می‌دهد که 70 درصد از خطاهای ارتعاشی در ماشین‌های دوار ناشی از عدم تعادل سیستم روتور است. علت اصلی عدم همراستایی مرکز جرم روتور با محور هندسی آن است که باعث ایجاد گریز از مرکز جرم می شود که نیروی اینرسی گریز از مرکز در طول چرخش ایجاد می کند و به صورت افزایش ارتعاش شعاعی و تسریع سایش یاتاقان ظاهر می شود.

با این حال، قبل از انجام تصحیح تعادل دینامیکی، ابتدا باید یک کار مهم انجام شود - تجزیه و تحلیل علت اصلی ارتعاش غیر طبیعی ، زیرا ممکن است مشکل تعادل دینامیکی نباشد. اگر تجهیزات دارای شلی شدید، رزونانس، شفت ترک خورده، آسیب یاتاقان، ناهماهنگی یا نشست فونداسیون باشد، اصلاح تعادل دینامیکی به نتایج مورد انتظار دست نخواهد یافت.

علامت معمولی ارتعاش عدم تعادل این است که دوره ارتعاش همزمان با سرعت عملیاتی است (که توسط فرکانس چرخشی 1× غالب است)، دامنه ارتعاش شعاعی بالاترین است، و دامنه و فاز پایداری و تکرارپذیری را نشان می‌دهند.

3.2 چه زمانی می توان آن را تعمیر کرد؟

اکثریت قریب به اتفاق مشکلات خرابی تعادل دینامیکی را می توان از طریق اصلاح در محل یا کارخانه بازیابی کرد ، مگر اینکه خود روتور دچار آسیب ساختاری شده باشد.

تعادل پویا در محل  یک فناوری بالغ است که امروزه به طور گسترده در صنعت استفاده می شود. این روش اندازه گیری ارتعاش و تصحیح تعادل را تحت سرعت واقعی کارکرد و شرایط نصب روتور بدون نیاز به جدا کردن روتور و ارسال آن به کارخانه انجام می دهد. این می تواند حدود 3 تا 5 روز در زمان و هزینه های حمل و نقل صرفه جویی کند، در حالی که از خطر آسیب ثانویه در هنگام جداسازی و مونتاژ مجدد جلوگیری می کند. روش‌های اصلاح عمدتاً شامل اضافه کردن وزن (اتصال وزنه‌های تعادل، پیچ‌ها، پرچ کردن، جوشکاری) و حذف وزن (حفاری، سنگ‌زنی، آسیاب)، با انتخاب خاص بسته به ساختار روتور و الزامات فرآیند است.

دقت تصحیح از استانداردهای ISO 1940-1 / GB/T 9239.1 پیروی می کند و عدم تعادل باقی مانده را می توان در سطوح بسیار پایین کنترل کرد. در سناریوهای ساخت دقیق، دقت تعادل دینامیکی می تواند به درجه G1 (بالاترین درجه دقت در ISO 1940-1) برسد، که به طور موثر خطرات ارتعاش را از بین می برد.

قاب دیسک روتور یک روتور موتور شار محوری بیشتر از مواد کامپوزیت غیر مغناطیسی ساخته شده است و جرم نسبتاً سبکی دارد. با این حال، هنگامی که وضعیت تعادل در طول عملیات به دلایل زیر تغییر می کند، اصلاح حتی مهم تر می شود:

• خوردگی، سایش یا پوسته پوسته شدن اجزای دوار در حین کار.

•  چسبندگی جسم خارجی که باعث خروج جرم می شود.

• تغییر تدریجی عدم تعادل ناشی از تغییر شکل حرارتی یا مکانیکی.

در اکثر موارد فوق، عملکرد طبیعی را می توان از طریق اصلاح تعادل پویا حرفه ای بازیابی کرد.

3.3 چه زمانی باید تعویض شود؟

در شرایط زیر، اصلاح تعادل دینامیکی بی اثر است و روتور باید تعویض شود:

• شفت روتور ترک یا شکستگی را نشان می دهد. لازم به ذکر است که اگر وسعت ترک از 10% محیط ژورنال شفت تجاوز نکند، جوشکاری تعمیر و به دنبال آن صافی ماشینکاری می تواند امکان استفاده مداوم را فراهم کند. با این حال، اگر از این محدوده فراتر رفت، شفت باید تعویض شود. اگر ترک به هسته شفت منتشر شده باشد، کل روتور باید تعویض شود.

• هسته روتور دچار تغییر شکل یا آسیب ساختاری غیرقابل برگشتی شده است و هنوز نمی توان دقت تعادل را پس از اصلاح تضمین کرد.

• اجزای چرخان جدا شده اند (مثلاً افتادن وزنه تعادل، شکستگی تیغه) و آسیب جبران ناپذیر است.

•  ارتعاش همچنان پس از اصلاحات تعادل دینامیکی متعدد از حد مجاز فراتر می رود که نشان دهنده مشکلات جدی موجود در ساختار پایه روتور است.

شایان ذکر است که به دلیل طراحی ساختاری ماژولار، موتورهای Axial Flux دارای مزیت خاصی در طول تعمیر و نگهداری هستند - فقط ماژول معیوب نیاز به تعویض دارد که باعث کاهش سختی تعمیرات اساسی و هزینه های تعمیر و نگهداری می شود.

4. خلاصه: جدولی برای درک تعمیر در مقابل جایگزینی

5. توصیه های نگهداری و اقدامات پیشگیرانه

1. بازرسی منظم پیش نیاز است : یک مکانیسم بازرسی معمولی ایجاد کنید. برای از بین بردن عیوب در مراحل اولیه، از یک گاوس متر برای بررسی های نقطه ای دوره ای تضعیف میدان مغناطیسی و یک تحلیلگر ارتعاش برای تست تعادل دینامیکی منظم استفاده کنید.

2. تشخیص قبل از اقدام : قبل از هر عملیات تعمیر، ابتدا باید علت عیب به وضوح شناسایی شود. به خصوص برای مسائل تعادل پویا، ابتدا باید عوامل غیر تعادلی مانند آسیب یاتاقان، ناهماهنگی و شلی را رد کرد. در غیر این صورت، اصلاح تعادل بیهوده خواهد بود.

3. مغناطیس‌سازی مجدد نیاز به عملیات حرفه‌ای دارد : عملیات مغناطیس‌سازی شامل تجهیزات پالس ولتاژ بالا است و باید توسط پرسنل واجد شرایط در یک محیط عایق‌شده و محافظ انجام شود. پس از مغناطیس کردن، عملکرد را با یک گام سنج بررسی کنید و پس از نصب مجدد، راه اندازی بدون بار و بار را انجام دهید.

4. ارتقاء مواد برای جلوگیری از عود : برای شرایط عملیاتی با دمای بالا یا ارتعاش بالا، انتخاب آهنرباهای دائمی درجه بالا (به عنوان مثال، سری H، SH) را در اولویت قرار دهید و برای افزایش عمر مفید، از روش‌های حفاظتی سطحی مانند پوشش آلومینیوم PVD یا پوشش‌های کامپوزیت اپوکسی روی آهنرباها استفاده کنید.

5. ارزیابی اقتصادی تعمیر و نگهداری : باید یک مقایسه هزینه بین تعویض مجموعه روتور و تعویض کامل موتور انجام شود - زمانی که سیم‌پیچ‌های استاتور هنوز در شرایط خوبی هستند، جایگزینی با روتور واقعی از همان مدل کافی است، با هزینه‌ها و زمان چرخش بهتر از تعویض کامل موتور، و بازیابی عملکرد به حالت جدید. با این حال، زمانی که هزینه های تعمیر به 60 تا 70 درصد هزینه موتور جدید نزدیک می شود یا از آن فراتر می رود، اولویت جایگزینی کامل موتور توصیه می شود.