现阶段防爆电机的现状与特点概述

现阶段防爆电机的现状与特点概述

   概述

    防爆电机除了正常电机的电气安全要求之外，更为重要的就是用于爆炸性环境，因此在质量安全上有特殊的要求：采取严格的防爆技术和措施；符合相关的防爆标准要求；各个国家采取各自认为必要的行政、行业管理举措。在防爆技术和施上，规定了多种防爆型式，如隔爆型“d”、增安型“e”、正压型“p”等，分别从电机整体结构电缆引人、电气性能、机械性能方面加以保证；在防爆标准上，经过各国的共同努力，防爆标准不断完善和修改，形成的国际标准有IEC60079系列标准、IEC61241系列标准等；在我国，形成了CB3836、GB12476系列标准，这些标准为强制性国家标准。在行政、行业管理上，我国将防爆电机纳入生产许可证管理，并实行产品防爆合格证制度和行业自律检查，由此可见，我国对于防爆电机的管理是严格而规范的

    防爆电机使用环境的特点，决定了产品在出厂时，必须具备高质量和严格安全性能；而在使用过程中，从人身安全和财产安全上要求防爆电机必须具备很高的可靠性；在具体用途上，防爆电机用于矿业、石油、化工等，一旦由于关键的防爆电机故障引起生产停带，引起工艺流程失效，将造成

巨额的经济损失，因此保障关键部位防爆电机的可靠性也成为使用企业考虑的重点，甚至一些使用企业采用备机元余方案

   2012年2月，国务院以“国发[201219号文国务院关于印发质量发展纲要（2011—2020）的通知”，下发了《质量发展纲要（2011—2020）》，针对我国在新世纪第二个十年面临的新形势、新任务和新机遇，制定了该阶段质量工作的指导思想工作方针、发展目标，以及具体措施和总体安排《纲要》明确提出：要强化质量安全监管，制定实施国家重点监管产品录，加强对关系国计民生健康安全、节能环保的重点产品、重大设备、重点工程及重点服务项目的监管，完善生产许可、强制性产品认证、重大设备监理、进出口商品法定检验、特种设备安全监察、登记管理等监管制度；要实施质量提升工程，在汽车、机床、航空航天、船舶、轨道交通、发电设备、工程机械、特种设备家用电器、元器件和基础件等重点行业实施可靠性提升工程，加强产品可靠性设计、试验及生产过程质量控制，依靠技术进步、管理创新和标准完善，提升可靠性水平，促进我国产品质量由符合性向适用性、高可靠性转型。深人解读纲要的内容防爆电机的生产许可机制要进一步创新和完善其可靠性水平要进一步提升     国际上相关可靠性的研究情况

1  可靠性研究的起因及效果

    早在二次世界大战期间，德国就对V-1火箭的可靠性做过研究。上世纪50年代初用雷达等电子设备由于运输储存期间失效，维修费用高达成本的2倍。根据美国爱迪生电气研究所对1960～1969年期间10年间的统计资料，汽轮发电机机组的强迫停机率随容量增长而直线上升。某些设备的维修及备件储存费用，5年间即为原价的10倍以上。美国西屋公司重视可靠性工作，对新产品研制必须经过可靠性设计审查，据统计，每1美元设计审查费平均可获得23美元的效益。

1.2可靠性研究的历程

    1952年，美方学术界及工业界组成电子设备可靠性顾问组，1955年提出可靠性发展计划，60年代形成了独立学科，至上世纪80年代已由追求产品性能转而强调可靠性及维修性，强化可靠性管理，并颁发了标准

    俄罗斯（前苏联）、日本、英国、法国等国家的可靠性工作吸收已有的经验，重视理论研究和实际应用，将可靠性与生产实际、经济效益相结合，取得了较大成果。俄罗斯（前苏联）花费了大量的人力、物力、财力和时间对防爆电机的可靠性进行了全面的研究，其中包括可靠性理论、数学模型、可靠性试验装置的设计、制造以及试验方法和试验标准的编制等；但随着苏联的解体，他们的理论研究被道中断，试验设备也因资金问题得不到及时更新，比较陈旧，基本上仍停留在20世纪七、八十年代的水平上；前苏联对防爆电机制订了两

项国家标准，提出了可靠性指标要求，分别是TOCT16565 -71,rOcT19483 -74141

    20世纪70年代以来，一些国际组织和团体如ISO、IEC、IEEE等，对可靠性工作进行了大量的调查分析和专题研究，在理论和实际上都取得了很多成果，但仍有许多问题尚无定论、一些难题需要解决、不少领域尚待开发。

    国外有不少可靠性数据交换网，有代表性的有：美国政府与工业界数据交换网（CIDEP），美国失效率交换网（FARADA），欧洲电子元器件认证数据交换中心（EXACT），法国CENT可靠性数据交换中心，日本工业技术院可靠性技术研究室等。这些机构将来自各方面的数据处理后向有关单位进行交换或提供咨询服务。

   我国可靠性研究现状

2.1我国可靠性工作概述

   20世纪60年代——可靠性工作起步，开展电子产品研究。

    20世纪70年代～80年代—相继在航天、航空、核能及通讯等方面加以应用，1983年召开电工产品可靠性第一次学术会议，并成立中国电工技术学会电工产品可靠性研究会。

   20世纪90年代——政府对可靠性工作非常重视，国家质量技术监督局以技监管[1994]365号文发出了“关于加强产品可靠性工作的若千意见”，原机械工业部以机科行[1994]142号文“关于印发《机械工业今明两年可靠性工作要点》的通知”，指导全国机械工业可靠性工作。

    20世纪末以来—随着我国加入WTO（世界贸易组织）和社会主义市场经济的日臻完善产品可靠性工作以行业指导、市场拉动为主，我国装备、航空、航天、航海等军工产品的可靠性工作得到长足发展，走在前列；电子电器类产品的可靠性工作也逐步深人，且已成立有电子产品数据交换网；其他行业的可靠性工作由于市场驱动力有限、投人乏等因素，进展缓慢

2.2防爆电机的可靠性现状

    （1）防爆电机的可靠性工作进展状况

    我国对防爆电机可靠性的试验研究工作起步较晚，主要依托几个研究所开展工作。

    南阳防爆电气研究所作为国家防爆电机产品的归口所，是我国防爆电机技术理论研究、产品科研和试验检测基地，拥有一批专家型技术人才，建有整套先进的检测体系，承担很多重大科研项目。在上世纪80年代末，关注相关可靠性的信息，对防爆电机可靠性进行研究，并于1992年成立课题组，在国家科委的支持下于1995年专程赴乌克兰顿湿茨克市的乌克兰防爆及矿用电器设备科学研究院进行访问，开展防爆电机可靠性试验研究项目，主要研究内容是：

    a）研究隔爆型三相异步电动机整机绝缘寿命试验方法，制定《隔爆型三相异步电动机可靠性指标评定方法》；

    b）研究制定《隔爆型三相异步电动机隔爆组件可靠性指标评定方法》；

    c）提出试验装置设计要求，建立防爆电机可靠性实验室。

    该项目研究时间历时十余年，期间得到国家科委、省、市有关部门和企业的高度重视和大力支持，该项目得以顺利完成。

    通过对防爆电机可靠性的试验研究，南阳防爆电气研究所编制了JB/T50136.1《隔爆型三相异步电动机可靠性指标评定方法（实验室法）》和B/T50136.2《隔爆型三相异步电动机隔爆组件可靠性指标评定方法（实验室法）》，该两项标准的颁布实施1996年，开始筹建防爆电机可靠性实验室，1999年，实验室正式建成投人运行。该防爆电机可靠性实验室的技术能力是

        试验H200、37kW以下的电动机整机；同时进行8台电动机试验；

        同时可测量每台电动机的12个参数工控机集中控制；

         自动采集数据和监测等。

    （2）我国防爆电机的可靠性工作与国外的差

距

    从可靠性研究方面看，我国在该领域与国际上发达国家存在着很大差距：国际上发达国家如欧洲国家、美国、日本和前苏联从20世纪五、六十年代就已经开始了防爆电机可靠性的研究工作它们无论在理论上，还是在试验设备、检测手段以及管理等方面均达到了很高水平，并培养出一大批素质很高的资深专家队伍，发表了许多专著和研究论文，制订了一整套切实可行的检测方法它们还对各种试验方法和加速因子的不同进行了深人的研究和论证，从而促使产品质量稳步提高而我国是在上世纪80年代开始着手研究，专家队伍很少，研究时间集中在上世纪80年代～90年代，20世纪末期之后则处于停带状态。从防爆电机本身的可靠性看，随着我国市场经济的完善和开放力度的加大，在国际市场的拉动、国内企业的自我提升下，对于有实力的防爆电机制造企业，其原材料质量控制、电机制造水平已达到，实物质量与发达国家相比已具备一定的竞争力。国内从上世纪80年代起，采用F级绝缘材料及F级环氧无溶剂漆制成的F级绝缘电动机，其失效率已降至6.5×10-h，和国外同类电机水平相当；并开始研究和应用H级绝缘体系，经过加速热老化试验，证明H级绝缘体系寿命可以达到40～60年，轴承方面，我国的进步也很大，现在滚动轴承的寿命已普遍达到40000h以上；整机方面，国内仅做了十分有限的可靠性数据，南阳防爆电气研究所试验取得的可靠性数据是送试样机可以达到20000h的运行寿命。

3  防爆电机及其可靠性的特点3.1防爆电机的特点

    防爆电机按其防爆型式主要有隔爆型“d”增安型“e”、正压型“p”、无火花型“nA”等。这几类电机又因其结构、用途等方面的不同，具有以下特点：规格分散类型众多、结构纷繁差异很大、使用材料多种多样、运行过程机理复杂。详见表1。3.2防爆电机可靠性的特点

    鉴于防爆电机的以上特点，其可靠性分析和研究工作涉及面很广、综合性很强、技术难度很8.3 存

    包装后的防爆除湿机及空调机应贮存在干燥、通风的库房内，且避免接近100℃以上高温热源。

大。我们简化地从防爆性能的可靠性、电机运行的可靠性两方面进行部析

    电机的防爆性能是由其对应的防爆标准各项技术要求进行规定，系列产品的代表性样机必须符合防爆技术要求才能取得防爆合格证，同时，制造企业的质量管理体系和生产条件必须符合生产许可证的要求才能进行产品生产，还要通过国家组织的监督检查才能维持正常的生产资质。通过这一系列的技术、管理手段，来确保防爆性能安全、可靠，符合技术标准和法律法规的要求。

                                                    表1  防爆电机特点

    特征类别                                   结构特点                                          备注说明

                       般在H63～H1000，大的铁芯外径可达3250mm以上                  分为：大型、中型、小型、微中心高

                                                                                               型、特种。

         外形尺寸    小的比普通暖瓶还小，大的可达5m×5m×5m，甚至更大

类型      功率       低的达0.12kW甚至更低：高的达12000kW甚至更高

规格

                      般为380V、400V、660V、690V、1140V、6000V、10000V等电压等

           电压

                       级

        极数和转速  2~20P，300~3000r/min

结构

         简单结构    与普通民用电机相类似的简单结构，零部件很少

       复杂结构及系

组成                复杂结构还可包含油路系统、水路系统、风路冷却系统、检测系统，部分  如大型增安型无刷励磁同步统组成      空制系统，零部件多达上万件                                     电动机

使用     类别      金属材料、非金属材料、导电材料、导磁材料、绝缘材料、电子元件。

材料     形态     固体、特殊的液体、气体等

         运行过程    准备、启动、加载、运行、降载、制动。

运行                 由于电源波动、环境波动、负载波动、电磁干等，造成在稳态运行之外还

         运行状态

特点                 形成很多暂态现象

         物理现象    电的、磁的、热的、机械的、介质的、流体力学的、振动噪声的等等，以及

                     这些现象相互合、相互作用，构成极为复杂的物理过程

   防爆电机的可靠性特点，主要有以下几个方

面。

    （1）防爆电机的可靠性高、寿命长，失效具有随机性。防爆电机在生产条件、质量管理和防爆技术等方面要求很严，是高可靠性的产品，在正常规定的运行条件下，极限寿命可长达十几年，甚至几十年。电机在运行过程中，往往会因为某种偶然因素而发生故障；对于同一企业制造的同一批电机常会由于各种不同的原因，在不同的时期发生故障。这些偶然的因素使得某一台电机的失效具有不确定性，是一个随机事件，但大量的随机事件包含一定的规律性，所以，对某类型的一批电机，在一定时间内完成规定功能的能力是可以确定的（2）电机整机的失效分布可采用指数分布而且在有效寿命期内，失效率是恒定的。电机是由许多零部件组成的复杂产品，一般均无元余设计，任一关键零部件失效即可引起整机失效；在电种电机则关注可靠度、失效率或可靠寿命；结构和材料方面的特点，则决定了失效模式多种多样、分析异常困难；运行过程和物理现象的特点则使得失效机理复杂，研究、分析、处理以及可靠性评估变得更加困难。

    （4）本次研究认为，就绝大多数防爆电机而言，对可靠性有影响的部件可分为：a）定子绕组；b）轴承、转轴与端盖部分；c）转子；d）风扇。以上部件的可靠性决定着整机的可靠性。现就影响单个部件可靠性的因素作以下分析。

    对于“定子绕组”，影响定子绕组可靠性的主要因素有如下方面：温度、机械负载、电动力、电磁场、潮湿和操作过电压，其失效分布服从正态分布，损坏后的维修费用往往在电机造价的40%70%，损坏严重时甚至不可更换。

    对于轴承、转轴与端盖部分”，失效部件主要是轴承，轴承有滚动轴承和滑动轴承之分，其可靠性设计指标是由轴承专用标准来确定的，其使用可靠性则与负载情况、维护保养情况有关，损坏后可以更换。对于转子”和“风扇”，它们是电动机中比较可靠的组件，出现故障概率低，只有当研制新结构或新的制造工艺时，才可能对转子和风扇做可靠性分析和试验。国内外电机失效模式的统计数据见表2。

                                          表2 国内外电机失效模式的统计数据

                                                            失效比例/%

号      失效模式

                               美国                      日本                       我国绕组故障               26                                              3轴承故障

         转子故障                     8                              5

       风扇及其他故障             2

        备注               工业用电动机，1141台        工业用电动机，13380台          加速寿命试验样机

    （5）由于材料、零部件、整机、使用特点及其所处系统等对象和要求的差别，加上大型、中型微型、特种电机的规格和结构的不同，可靠性数据获得的方法和范围也不会相同。对于小型电机可以抽样后进行整机的实验室试验，并按照相关的评定方法，如JB/T50136.1《隔爆型三相异步电动机可靠性指标评定方法（实验室法）》进行试验和评定；对于大型和中型电机，由于不大可能进

行整机试验，可对其零部件试验的模型机

进行试验。国外常采用的方法是采用现场数据即不进行工广试验，而是对使用现场的数据资料

进行收集、整理和分析，确定电机失效的原因、可

靠性指标及效果，来达到改善质量、提高可靠性的目的。

    现场数据是使用中得到的电机失效数据，符合实际使用要求，接近真值，节约资金、人力、物力、能源和时间，适用不同容量、转速等场合，能够真实反映使用可靠性。但因使用现场的条件不同，差异很大，影响因素多，且常常会有中途信息中断，所以数据较难处理，常采用随机截取数据的统计推断方法，如卡普兰－迈耶尔法（乘积极限估计法）、纳尔逊法（累积风险法）、（平均故障秩法）等方法进行分析和处理。

 防爆电机可靠性工作需要深入研

究的内容

    国务院《质量发展纲要（2011—2020）》对质量可靠性给出了明确的总体要求；国家已开始实施可靠性提升工程；在生产许可方面，归纳产品的可靠性指标、探讨可以纳入细则的指标，将其纳人标准的要求是提升创新审查工作的核心内容。根据以上对防爆电机可靠性的重要性、现状、特点的研究和分析，我们认为：今后的工作方向、内容、步骤应按照“结合实际、逐渐推进、稳步提高”的原则来展开，有大量实际的工作需要逐步进行，有很多基础性的理论需要深入研究；必须根据国家对于“实施质量提升工程”中“可靠性提升工程”的整体安排，下大力气进行系统且深人的研究；并可以逐步将可靠性引人到防爆电气产品的生产许可审查机制中，进行审查机制创新4.1  进行防爆电机可靠性的深入研究

    首先，必须获得可靠性研究的数据：要全面真实地掌握防爆电机现有的可靠性水平，就需要大量的防爆电机可靠性数据进行支撑，而我们现有的可靠性数据十分有限，因此有必要收集大量的可靠性数据。途径之一是通过整机（或模型机）试验、研究和分析来收集数据，但技术难度资金难度、协调难度又很大，在现阶段实施起来不具备实际意义；途径之二是采用收集现场数据，通过发函、走访、研讨等形式对制造厂和终端客户进行调研。

    其次，对可靠性数据进行统计分析，找出影响产品质量的关键因素并寻找对策：现场数据及调研得到的数据，反映电机实际可靠性，是符合要求的数据。但是，即使是同一制造厂的同一规格的电机，也往往在不同的使用环境、用户维护保养条件下使用，电机受到的应力各不相同，加之操作记录人员素质的差异，这些原因会使现场数据有很大差异。因此，现场数据必须分类整理、预处理，以得到条件大致统一的数据，再进行分析判新，最后按适合的方法进行可靠性评估，确定当前防爆电机的可靠性水平，并进而找出影响产品质量的关键因素及对策    再次，对防爆电机关键点的设计、制造工艺提出改进意见并验证：根据上述的研究情况，从防爆电机制造企业中，挑选典型制造广家对影响产品关键因素进行研讨，并找出设计、工艺等方面的改进措施，由制造厂实施改进并进行验证；适宜时制定可靠性设计准则。

    同时，结合生产企业的产品开发情况，对关键产品进行可靠性试验研究：现在防爆电机的应用领域在不断地扩大，有的已扩展到军工产品配套有的在开发矿用防爆变频电机，有的企业在生产核电机。这些产品的订购方（或用户）可能会提出电机可靠性的要求，承制方就应该进行可靠性设计，并委托相关检测机构进行可靠性试验。检测机构和研究院所此可以进行可靠性的试验研究。

4.2 进行防爆电机生产许可审查机制创新的深入研究

    （1）借鉴国外对防爆电气产品的管理方式完善我国的许可证管理机制。该方面的主要内容为“进行核查试验检查和企业质量管理体系的例行检查”以及“企业自律”。

     （2）研究在许可证的“工厂条件评审”中试行加入“可靠性项目”，并给以一定的分值，引导生产企业建立相应机构、制定相应程序、进行可靠性数据积累、开展可靠性工作；同时也为可靠性现场数据的收集提供有利条件。试行加入的“可靠性项目”，包括：设计中对绝缘体系选择、轴承选择时考虑可靠性寿命；工艺中进行绝缘材料的性能验收、绝缘体系的耐电压水平试验和评价、轴承的验收；质量管理中“建立产品故障报告、分析和纠正措施系统（FRACAS）”等

    （3）通过标准化技术委员会及相关行业协会将可靠性技术要求引人相关标准，并进行贯彻、执行、反馈、修改、完善。

    （4）研究将可靠性技术要求选择部分典型引人许可证实施细则。

     （5）研究在许可证审查作业指导书中引入可靠性技术要求，并实施、反馈、修改、完善。

                    参考文献

[1]张显力防爆电气概论M].北京：机械工业出版社

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[2]中华人民共和国国务院质量发展纲要（2011—2020年）[N].中华人民共和国国务院公报，2012-02

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[3]马跃东，王振永.电机可靠性[M].黑龙江：黑龙江人民出版社，1993

【4]胡述静，项云林，王玉闽，李书朝.防爆电机可靠性试验研究[J].电气防爆，2000（3）：7-11

[5]GB3836.1—2010，爆炸性环境第1部分：设备通用要求[S]