現階段防爆電機的現狀與特點概述

現階段防爆電機的現狀與特點概述

   概述

    防爆電機除了正常電機的電氣安全要求之外，更為重要的就是用于爆炸性環(huán)境，因此在質量安全上有特殊的要求：采取嚴格的防爆技術和措施；符合相關的防爆標準要求；各個國家采取各自認為必要的行政、行業(yè)管理舉措。在防爆技術和施上，規(guī)定了多種防爆型式，如隔爆型“d"、增安型“e"、正壓型“p"等，分別從電機整體結構電纜引人、電氣性能、機械性能方面加以保證；在防爆標準上，經過各國的共同努力，防爆標準不斷完善和修改，形成的國際標準有IEC60079系列標準、IEC61241系列標準等；在我國，形成了CB3836、GB12476系列標準，這些標準為強制性國家標準。在行政、行業(yè)管理上，我國將防爆電機納入生產許可證管理，并實行產品防爆合格證制度和行業(yè)自律檢查，由此可見，我國對于防爆電機的管理是嚴格而規(guī)范的

    防爆電機使用環(huán)境的特點，決定了產品在出廠時，必須具備高質量和嚴格安全性能；而在使用過程中，從人身安全和財產安全上要求防爆電機必須具備很高的可靠性；在具體用途上，防爆電機用于礦業(yè)、石油、化工等，一旦由于關鍵的防爆電機故障引起生產停帶，引起工藝流程失效，將造成

巨額的經濟損失，因此保障關鍵部位防爆電機的可靠性也成為使用企業(yè)考慮的重點，甚至一些使用企業(yè)采用備機元余方案

   2012年2月，國務院以“國發(fā)[201219號文國務院關于印發(fā)質量發(fā)展綱要（2011—2020）的通知"，下發(fā)了《質量發(fā)展綱要（2011—2020）》，針對我國在新世紀第二個十年面臨的新形勢、新任務和新機遇，制定了該階段質量工作的指導思想工作方針、發(fā)展目標，以及具體措施和總體安排《綱要》明確提出：要強化質量安全監(jiān)管，制定實施國家重點監(jiān)管產品錄，加強對關系國計民生健康安全、節(jié)能環(huán)保的重點產品、重大設備、重點工程及重點服務項目的監(jiān)管，完善生產許可、強制性產品認證、重大設備監(jiān)理、進出口商品法定檢驗、特種設備安全監(jiān)察、登記管理等監(jiān)管制度；要實施質量提升工程，在汽車、機床、航空航天、船舶、軌道交通、發(fā)電設備、工程機械、特種設備家用電器、元器件和基礎件等重點行業(yè)實施可靠性提升工程，加強產品可靠性設計、試驗及生產過程質量控制，依靠技術進步、管理創(chuàng)新和標準完善，提升可靠性水平，促進我國產品質量由符合性向適用性、高可靠性轉型。深人解讀綱要的內容防爆電機的生產許可機制要進一步創(chuàng)新和完善其可靠性水平要進一步提升     國際上相關可靠性的研究情況

1  可靠性研究的起因及效果

    早在二次世界大戰(zhàn)期間，德國就對V-1火箭的可靠性做過研究。上世紀50年代初用雷達等電子設備由于運輸儲存期間失效，維修費用高達成本的2倍。根據美國愛迪生電氣研究所對1960～1969年期間10年間的統計資料，汽輪發(fā)電機機組的強迫停機率隨容量增長而直線上升。某些設備的維修及備件儲存費用，5年間即為原價的10倍以上。美國西屋公司重視可靠性工作，對新產品研制必須經過可靠性設計審查，據統計，每1美元設計審查費平均可獲得23美元的效益。

1.2可靠性研究的歷程

    1952年，美方學術界及工業(yè)界組成電子設備可靠性顧問組，1955年提出可靠性發(fā)展計劃，60年代形成了獨立學科，至上世紀80年代已由追求產品性能轉而強調可靠性及維修性，強化可靠性管理，并頒發(fā)了標準

    俄羅斯（前蘇聯）、日本、英國、法國等國家的可靠性工作吸收已有的經驗，重視理論研究和實際應用，將可靠性與生產實際、經濟效益相結合，取得了較大成果。俄羅斯（前蘇聯）花費了大量的人力、物力、財力和時間對防爆電機的可靠性進行了全面的研究，其中包括可靠性理論、數學模型、可靠性試驗裝置的設計、制造以及試驗方法和試驗標準的編制等；但隨著蘇聯的解體，他們的理論研究被道中斷，試驗設備也因資金問題得不到及時更新，比較陳舊，基本上仍停留在20世紀七、八十年代的水平上；前蘇聯對防爆電機制訂了兩

項國家標準，提出了可靠性指標要求，分別是TOCT16565 -71,rOcT19483 -74141

    20世紀70年代以來，一些國際組織和團體如ISO、IEC、IEEE等，對可靠性工作進行了大量的調查分析和專題研究，在理論和實際上都取得了很多成果，但仍有許多問題尚無定論、一些難題需要解決、不少領域尚待開發(fā)。

    國外有不少可靠性數據交換網，有代表性的有：美國政府與工業(yè)界數據交換網（CIDEP），美國失效率交換網（FARADA），歐洲電子元器件認證數據交換中心（EXACT），法國CENT可靠性數據交換中心，日本工業(yè)技術院可靠性技術研究室等。這些機構將來自各方面的數據處理后向有關單位進行交換或提供咨詢服務。

   我國可靠性研究現狀

2.1我國可靠性工作概述

   20世紀60年代——可靠性工作起步，開展電子產品研究。

    20世紀70年代～80年代—相繼在航天、航空、核能及通訊等方面加以應用，1983年召開電工產品可靠性第一次學術會議，并成立中國電工技術學會電工產品可靠性研究會。

   20世紀90年代——政府對可靠性工作非常重視，國家質量技術監(jiān)督局以技監(jiān)管[1994]365號文發(fā)出了“關于加強產品可靠性工作的若千意見"，原機械工業(yè)部以機科行[1994]142號文“關于印發(fā)《機械工業(yè)今明兩年可靠性工作要點》的通知"，指導全國機械工業(yè)可靠性工作。

    20世紀末以來—隨著我國加入WTO（世界貿易組織）和社會主義市場經濟的日臻完善產品可靠性工作以行業(yè)指導、市場拉動為主，我國裝備、航空、航天、航海等軍工產品的可靠性工作得到長足發(fā)展，走在前列；電子電器類產品的可靠性工作也逐步深人，且已成立有電子產品數據交換網；其他行業(yè)的可靠性工作由于市場驅動力有限、投人乏等因素，進展緩慢

2.2防爆電機的可靠性現狀

    （1）防爆電機的可靠性工作進展狀況

    我國對防爆電機可靠性的試驗研究工作起步較晚，主要依托幾個研究所開展工作。

    南陽防爆電氣研究所作為國家防爆電機產品的歸口所，是我國防爆電機技術理論研究、產品科研和試驗檢測基地，擁有一批專家型技術人才，建有整套先進的檢測體系，承擔很多重大科研項目。在上世紀80年代末，關注相關可靠性的信息，對防爆電機可靠性進行研究，并于1992年成立課題組，在國家科委的支持下于1995年專程赴烏克蘭頓濕茨克市的烏克蘭防爆及礦用電器設備科學研究院進行訪問，開展防爆電機可靠性試驗研究項目，主要研究內容是：

    a）研究隔爆型三相異步電動機整機絕緣壽命試驗方法，制定《隔爆型三相異步電動機可靠性指標評定方法》；

    b）研究制定《隔爆型三相異步電動機隔爆組件可靠性指標評定方法》；

    c）提出試驗裝置設計要求，建立防爆電機可靠性實驗室。

    該項目研究時間歷時十余年，期間得到國家科委、省、市有關部門和企業(yè)的高度重視和大力支持，該項目得以順利完成。

    通過對防爆電機可靠性的試驗研究，南陽防爆電氣研究所編制了JB/T50136.1《隔爆型三相異步電動機可靠性指標評定方法（實驗室法）》和B/T50136.2《隔爆型三相異步電動機隔爆組件可靠性指標評定方法（實驗室法）》，該兩項標準的頒布實施1996年，開始籌建防爆電機可靠性實驗室，1999年，實驗室正式建成投人運行。該防爆電機可靠性實驗室的技術能力是

        試驗H200、37kW以下的電動機整機；同時進行8臺電動機試驗；

        同時可測量每臺電動機的12個參數工控機集中控制；

         自動采集數據和監(jiān)測等。

    （2）我國防爆電機的可靠性工作與國外的差

距

    從可靠性研究方面看，我國在該領域與國際上發(fā)達國家存在著很大差距：國際上發(fā)達國家如歐洲國家、美國、日本和前蘇聯從20世紀五、六十年代就已經開始了防爆電機可靠性的研究工作它們無論在理論上，還是在試驗設備、檢測手段以及管理等方面均達到了很高水平，并培養(yǎng)出一大批素質很高的資深專家隊伍，發(fā)表了許多專著和研究論文，制訂了一整套切實可行的檢測方法它們還對各種試驗方法和加速因子的不同進行了深人的研究和論證，從而促使產品質量穩(wěn)步提高而我國是在上世紀80年代開始著手研究，專家隊伍很少，研究時間集中在上世紀80年代～90年代，20世紀末期之后則處于停帶狀態(tài)。從防爆電機本身的可靠性看，隨著我國市場經濟的完善和開放力度的加大，在國際市場的拉動、國內企業(yè)的自我提升下，對于有實力的防爆電機制造企業(yè)，其原材料質量控制、電機制造水平已達到，實物質量與發(fā)達國家相比已具備一定的競爭力。國內從上世紀80年代起，采用F級絕緣材料及F級環(huán)氧無溶劑漆制成的F級絕緣電動機，其失效率已降至6.5×10-h，和國外同類電機水平相當；并開始研究和應用H級絕緣體系，經過加速熱老化試驗，證明H級絕緣體系壽命可以達到40～60年，軸承方面，我國的進步也很大，現在滾動軸承的壽命已普遍達到40000h以上；整機方面，國內僅做了十分有限的可靠性數據，南陽防爆電氣研究所試驗取得的可靠性數據是送試樣機可以達到20000h的運行壽命。

3  防爆電機及其可靠性的特點3.1防爆電機的特點

    防爆電機按其防爆型式主要有隔爆型“d"增安型“e"、正壓型“p"、無火花型“nA"等。這幾類電機又因其結構、用途等方面的不同，具有以下特點：規(guī)格分散類型眾多、結構紛繁差異很大、使用材料多種多樣、運行過程機理復雜。詳見表1。3.2防爆電機可靠性的特點

    鑒于防爆電機的以上特點，其可靠性分析和研究工作涉及面很廣、綜合性很強、技術難度很8.3 存

    包裝后的防爆除濕機及空調機應貯存在干燥、通風的庫房內，且避免接近100℃以上高溫熱源。

大。我們簡化地從防爆性能的可靠性、電機運行的可靠性兩方面進行部析

    電機的防爆性能是由其對應的防爆標準各項技術要求進行規(guī)定，系列產品的代表性樣機必須符合防爆技術要求才能取得防爆合格證，同時，制造企業(yè)的質量管理體系和生產條件必須符合生產許可證的要求才能進行產品生產，還要通過國家組織的監(jiān)督檢查才能維持正常的生產資質。通過這一系列的技術、管理手段，來確保防爆性能安全、可靠，符合技術標準和法律法規(guī)的要求。

                                                    表1  防爆電機特點

    特征類別                                   結構特點                                          備注說明

                       般在H63～H1000，大的鐵芯外徑可達3250mm以上                  分為：大型、中型、小型、微中心高

                                                                                               型、特種。

         外形尺寸    小的比普通暖瓶還小，大的可達5m×5m×5m，甚至更大

類型      功率       低的達0.12kW甚至更低：高的達12000kW甚至更高

規(guī)格

                      般為380V、400V、660V、690V、1140V、6000V、10000V等電壓等

           電壓

                       級

        極數和轉速  2~20P，300~3000r/min

結構

         簡單結構    與普通民用電機相類似的簡單結構，零部件很少

       復雜結構及系

組成                復雜結構還可包含油路系統、水路系統、風路冷卻系統、檢測系統，部分  如大型增安型無刷勵磁同步統組成      空制系統，零部件多達上萬件                                     電動機

使用     類別      金屬材料、非金屬材料、導電材料、導磁材料、絕緣材料、電子元件。

材料     形態(tài)     固體、特殊的液體、氣體等

         運行過程    準備、啟動、加載、運行、降載、制動。

運行                 由于電源波動、環(huán)境波動、負載波動、電磁干等，造成在穩(wěn)態(tài)運行之外還

         運行狀態(tài)

特點                 形成很多暫態(tài)現象

         物理現象    電的、磁的、熱的、機械的、介質的、流體力學的、振動噪聲的等等，以及

                     這些現象相互合、相互作用，構成極為復雜的物理過程

   防爆電機的可靠性特點，主要有以下幾個方

面。

    （1）防爆電機的可靠性高、壽命長，失效具有隨機性。防爆電機在生產條件、質量管理和防爆技術等方面要求很嚴，是高可靠性的產品，在正常規(guī)定的運行條件下，極限壽命可長達十幾年，甚至幾十年。電機在運行過程中，往往會因為某種偶然因素而發(fā)生故障；對于同一企業(yè)制造的同一批電機常會由于各種不同的原因，在不同的時期發(fā)生故障。這些偶然的因素使得某一臺電機的失效具有不確定性，是一個隨機事件，但大量的隨機事件包含一定的規(guī)律性，所以，對某類型的一批電機，在一定時間內完成規(guī)定功能的能力是可以確定的（2）電機整機的失效分布可采用指數分布而且在有效壽命期內，失效率是恒定的。電機是由許多零部件組成的復雜產品，一般均無元余設計，任一關鍵零部件失效即可引起整機失效；在電種電機則關注可靠度、失效率或可靠壽命；結構和材料方面的特點，則決定了失效模式多種多樣、分析異常困難；運行過程和物理現象的特點則使得失效機理復雜，研究、分析、處理以及可靠性評估變得更加困難。

    （4）本次研究認為，就絕大多數防爆電機而言，對可靠性有影響的部件可分為：a）定子繞組；b）軸承、轉軸與端蓋部分；c）轉子；d）風扇。以上部件的可靠性決定著整機的可靠性?，F就影響單個部件可靠性的因素作以下分析。

    對于“定子繞組"，影響定子繞組可靠性的主要因素有如下方面：溫度、機械負載、電動力、電磁場、潮濕和操作過電壓，其失效分布服從正態(tài)分布，損壞后的維修費用往往在電機造價的40%70%，損壞嚴重時甚至不可更換。

    對于軸承、轉軸與端蓋部分"，失效部件主要是軸承，軸承有滾動軸承和滑動軸承之分，其可靠性設計指標是由軸承專用標準來確定的，其使用可靠性則與負載情況、維護保養(yǎng)情況有關，損壞后可以更換。對于轉子"和“風扇"，它們是電動機中比較可靠的組件，出現故障概率低，只有當研制新結構或新的制造工藝時，才可能對轉子和風扇做可靠性分析和試驗。國內外電機失效模式的統計數據見表2。

                                          表2 國內外電機失效模式的統計數據

                                                            失效比例/%

號      失效模式

                               美國                      日本                       我國繞組故障               26                                              3軸承故障

         轉子故障                     8                              5

       風扇及其他故障             2

        備注               工業(yè)用電動機，1141臺        工業(yè)用電動機，13380臺          加速壽命試驗樣機

    （5）由于材料、零部件、整機、使用特點及其所處系統等對象和要求的差別，加上大型、中型微型、特種電機的規(guī)格和結構的不同，可靠性數據獲得的方法和范圍也不會相同。對于小型電機可以抽樣后進行整機的實驗室試驗，并按照相關的評定方法，如JB/T50136.1《隔爆型三相異步電動機可靠性指標評定方法（實驗室法）》進行試驗和評定；對于大型和中型電機，由于不大可能進

行整機試驗，可對其零部件試驗的模型機

進行試驗。國外常采用的方法是采用現場數據即不進行工廣試驗，而是對使用現場的數據資料

進行收集、整理和分析，確定電機失效的原因、可

靠性指標及效果，來達到改善質量、提高可靠性的目的。

    現場數據是使用中得到的電機失效數據，符合實際使用要求，接近真值，節(jié)約資金、人力、物力、能源和時間，適用不同容量、轉速等場合，能夠真實反映使用可靠性。但因使用現場的條件不同，差異很大，影響因素多，且常常會有中途信息中斷，所以數據較難處理，常采用隨機截取數據的統計推斷方法，如卡普蘭－邁耶爾法（乘積極限估計法）、納爾遜法（累積風險法）、（平均故障秩法）等方法進行分析和處理。

 防爆電機可靠性工作需要深入研

究的內容

    國務院《質量發(fā)展綱要（2011—2020）》對質量可靠性給出了明確的總體要求；國家已開始實施可靠性提升工程；在生產許可方面，歸納產品的可靠性指標、探討可以納入細則的指標，將其納人標準的要求是提升創(chuàng)新審查工作的核心內容。根據以上對防爆電機可靠性的重要性、現狀、特點的研究和分析，我們認為：今后的工作方向、內容、步驟應按照“結合實際、逐漸推進、穩(wěn)步提高"的原則來展開，有大量實際的工作需要逐步進行，有很多基礎性的理論需要深入研究；必須根據國家對于“實施質量提升工程"中“可靠性提升工程"的整體安排，下大力氣進行系統且深人的研究；并可以逐步將可靠性引人到防爆電氣產品的生產許可審查機制中，進行審查機制創(chuàng)新4.1  進行防爆電機可靠性的深入研究

    首先，必須獲得可靠性研究的數據：要全面真實地掌握防爆電機現有的可靠性水平，就需要大量的防爆電機可靠性數據進行支撐，而我們現有的可靠性數據十分有限，因此有必要收集大量的可靠性數據。途徑之一是通過整機（或模型機）試驗、研究和分析來收集數據，但技術難度資金難度、協調難度又很大，在現階段實施起來不具備實際意義；途徑之二是采用收集現場數據，通過發(fā)函、走訪、研討等形式對制造廠和終端客戶進行調研。

    其次，對可靠性數據進行統計分析，找出影響產品質量的關鍵因素并尋找對策：現場數據及調研得到的數據，反映電機實際可靠性，是符合要求的數據。但是，即使是同一制造廠的同一規(guī)格的電機，也往往在不同的使用環(huán)境、用戶維護保養(yǎng)條件下使用，電機受到的應力各不相同，加之操作記錄人員素質的差異，這些原因會使現場數據有很大差異。因此，現場數據必須分類整理、預處理，以得到條件大致統一的數據，再進行分析判新，最后按適合的方法進行可靠性評估，確定當前防爆電機的可靠性水平，并進而找出影響產品質量的關鍵因素及對策    再次，對防爆電機關鍵點的設計、制造工藝提出改進意見并驗證：根據上述的研究情況，從防爆電機制造企業(yè)中，挑選典型制造廣家對影響產品關鍵因素進行研討，并找出設計、工藝等方面的改進措施，由制造廠實施改進并進行驗證；適宜時制定可靠性設計準則。

    同時，結合生產企業(yè)的產品開發(fā)情況，對關鍵產品進行可靠性試驗研究：現在防爆電機的應用領域在不斷地擴大，有的已擴展到軍工產品配套有的在開發(fā)礦用防爆變頻電機，有的企業(yè)在生產核電機。這些產品的訂購方（或用戶）可能會提出電機可靠性的要求，承制方就應該進行可靠性設計，并委托相關檢測機構進行可靠性試驗。檢測機構和研究院所此可以進行可靠性的試驗研究。

4.2 進行防爆電機生產許可審查機制創(chuàng)新的深入研究

    （1）借鑒國外對防爆電氣產品的管理方式完善我國的許可證管理機制。該方面的主要內容為“進行核查試驗檢查和企業(yè)質量管理體系的例行檢查"以及“企業(yè)自律"。

     （2）研究在許可證的“工廠條件評審"中試行加入“可靠性項目"，并給以一定的分值，引導生產企業(yè)建立相應機構、制定相應程序、進行可靠性數據積累、開展可靠性工作；同時也為可靠性現場數據的收集提供有利條件。試行加入的“可靠性項目"，包括：設計中對絕緣體系選擇、軸承選擇時考慮可靠性壽命；工藝中進行絕緣材料的性能驗收、絕緣體系的耐電壓水平試驗和評價、軸承的驗收；質量管理中“建立產品故障報告、分析和糾正措施系統（FRACAS）"等

    （3）通過標準化技術委員會及相關行業(yè)協會將可靠性技術要求引人相關標準，并進行貫徹、執(zhí)行、反饋、修改、完善。

    （4）研究將可靠性技術要求選擇部分典型引人許可證實施細則。

     （5）研究在許可證審查作業(yè)指導書中引入可靠性技術要求，并實施、反饋、修改、完善。

                    參考文獻

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