電動(dòng)輪汽車主發(fā)電機(jī)集電環(huán)異常磨損分析及處理措施

嚴(yán) 強(qiáng)

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司德興銅礦， 江西 德興市 334224)

電動(dòng)輪汽車主發(fā)電機(jī)集電環(huán)異常磨損分析及處理措施

嚴(yán) 強(qiáng)

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司德興銅礦， 江西 德興市 334224)

針對(duì)德興銅礦830E電動(dòng)輪汽車GTA41主發(fā)電機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的集電環(huán)、碳刷異常磨損情況進(jìn)行了深入的成因分析，闡述了幾類異常情況的檢修處理方法，提出了GTA41主發(fā)電機(jī)維護(hù)保養(yǎng)改善措施，為快速判斷和檢修該類型主發(fā)電機(jī)異常情況提供了借鑒。

電動(dòng)輪汽車；主發(fā)電機(jī)；集電環(huán)；碳刷；磨損

0 引 言

德興銅礦830E電動(dòng)輪汽車標(biāo)配的5GTA41主發(fā)電機(jī)有兩種作用，其中三相主繞組輸出的電提供給兩臺(tái)GEB25交流牽引電動(dòng)機(jī)使用，第三繞組輸出的電提供給發(fā)電機(jī)自身勵(lì)磁使用(見圖1)。

內(nèi)外兩圈集電環(huán)(滑環(huán))是主發(fā)電機(jī)的重要部件，新車出廠時(shí)的發(fā)電機(jī)，靠近發(fā)動(dòng)機(jī)端集電環(huán)為正極集電環(huán)，另一圈為負(fù)極集電環(huán)。集電環(huán)過度磨損，會(huì)使碳刷與集電環(huán)磨面接觸不良，使之溫升過快、集電環(huán)與云母環(huán)間產(chǎn)生位移(見圖2)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組開路，對(duì)電動(dòng)輪汽車運(yùn)行造成安全隱患，增加了維修成本。

圖1 主發(fā)電機(jī)

圖2 集電環(huán)(滑環(huán))

1 5GTA41主發(fā)電機(jī)碳刷磨損異常原因

常見的5GTA41主發(fā)電機(jī)碳刷磨損異常的原因有以下幾種：

(1) 壓簧壓力。各點(diǎn)位的壓簧壓力不均，需要調(diào)整壓簧壓力，保持各點(diǎn)位碳刷的壓力均衡適中。壓力過小，碳刷和集電環(huán)磨面接觸不良，容易引起電弧，使電氣磨損增大；壓力過大，碳刷磨面的硬粒對(duì)集電環(huán)磨面刮割嚴(yán)重，又會(huì)使機(jī)械磨損增加。

(2) 碳刷材質(zhì)。不同標(biāo)號(hào)的碳刷成分構(gòu)造不同，自磨損率也不同，需將自磨損率控制在15%以內(nèi)；選擇同種標(biāo)號(hào)的碳刷可以有效控制碳刷自磨損率的不均。實(shí)踐中最好是使用同一廠家標(biāo)號(hào)統(tǒng)一的碳刷。

(3) 碳刷架的影響。碳刷架調(diào)整裝配不當(dāng)，造成碳刷與集電環(huán)之間是點(diǎn)或線接觸，而不是面接觸；需要重新調(diào)整刷握，使之與集電環(huán)保持平行。另外刷盒變形導(dǎo)致碳刷在發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)卡阻，會(huì)導(dǎo)致磨面接觸不良產(chǎn)生火花，需要打磨或更換刷盒。

(4) 集電環(huán)磨面的影響。發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，集電環(huán)的磨面上會(huì)形成一層碳和金屬的氧化膜。氧化膜有極佳的潤滑性能，因?yàn)檫@層氧化膜的存在，改變了碳刷與集電環(huán)磨面的特性，有效減少了磨擦系數(shù)，降低了磨面磨損，延長了使用壽命。集電環(huán)表面的光潔度越高，其摩擦系數(shù)越小，碳刷的磨損率就越低，當(dāng)集電環(huán)磨面有凹凸不平時(shí)，除排查形成原因外，還需對(duì)集電環(huán)進(jìn)行打磨處理，實(shí)踐中采用與碳刷大小一致的油石安裝到刷盒內(nèi)，空載運(yùn)行發(fā)電機(jī)。另外集電環(huán)失圓造成碳刷與集電環(huán)磨面接觸不良也會(huì)造成碳刷磨損異常，處理方式與集電環(huán)的凹凸不平一樣，嚴(yán)重時(shí)需要對(duì)集電環(huán)進(jìn)行光刀處理。

(5) 控制系統(tǒng)異常或勵(lì)磁繞組損傷。需要定期檢查830E電動(dòng)輪汽車閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)回路和繞組絕緣電阻直流電阻值。通常在1000 h整車電氣維護(hù)保養(yǎng)時(shí)下載控制電腦板內(nèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，查閱分析牽引和電制動(dòng)工況下的主發(fā)電機(jī)第三繞組電流和勵(lì)磁電流有無異常，并及時(shí)處理。

(6) 機(jī)械損傷的影響。發(fā)電機(jī)軸承缺油或軸承損傷，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡異常，發(fā)動(dòng)機(jī)磨損過大等機(jī)械因素，也會(huì)造成碳刷及集電環(huán)磨面磨損異常。

(7) 電流方向的影響。正極碳刷流過的電流要比負(fù)極碳刷流過的電流大，因而正極碳刷磨損要比負(fù)極碳刷磨損大。

2 電流方向?qū)姯h(huán)和碳刷的影響分析

某臺(tái)830E電動(dòng)輪汽車在使用3200 h時(shí)主發(fā)電機(jī)出現(xiàn)碳刷磨損異常，發(fā)現(xiàn)系混用了不同標(biāo)號(hào)的碳刷(偏軟的41A330412P1/R318和偏硬的41A330412P2/ R320)造成，更換了全部6只新碳刷。并對(duì)其他同型車也進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)不同標(biāo)號(hào)碳刷混用現(xiàn)象。改正后大約使用2000 h(累計(jì)5000～6000 h)時(shí)，10臺(tái)830E電動(dòng)輪汽車5GTA41又陸續(xù)出現(xiàn)了碳刷磨損不一致，清除集電環(huán)附著的碳粉，并按標(biāo)準(zhǔn)程序安裝了新碳刷后，僅運(yùn)行500～1000 h就發(fā)現(xiàn)集電環(huán)內(nèi)環(huán)或外環(huán)磨面中間磨出較深的一圈凹槽。對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析，排除其他各種因素后，對(duì)調(diào)了兩根勵(lì)磁電纜接線，打磨了集電環(huán)磨面。跟蹤觀察了5500～6000 h左右才又出現(xiàn)碳刷磨損異常。

勵(lì)磁電流通過集電環(huán)磨面時(shí)，存在電氣磨損和機(jī)械磨損。運(yùn)行中的主發(fā)電機(jī)其接觸面不斷變化，電流密度大，電弧放電，集電環(huán)溫升快，特別是集電環(huán)中間溫度更高，勵(lì)磁電流由碳刷流入流出集電環(huán)表面，碳刷和集電環(huán)由于電流方向不同會(huì)出現(xiàn)極性差別。在電弧密集和高溫作用下，會(huì)使集電環(huán)的中間磨面局部熔化、脫落，形成金屬蒸汽，碳刷受氧化腐蝕而脫落，這就是典型的電氣磨損，稱為“正極蒸發(fā)”；負(fù)極受高溫作用和正離子撞擊而發(fā)射電子，使負(fù)極磨面也遭受破壞，稱為“負(fù)極粉化”。

當(dāng)主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路沒有電流時(shí)，碳刷磨面上的粗硬粒子易嵌入滑環(huán)表面，引起較大的機(jī)械磨損，甚至引起摩擦振動(dòng)。受到正極蒸發(fā)和負(fù)極粉化的影響，當(dāng)流過電流時(shí)，碳刷表面的粗硬粒子被炸裂、粉化，沾在表面，減小摩擦，使機(jī)械磨損減小，并使碳刷運(yùn)行十分平靜。所以，在正常電流情況下，電流對(duì)減小機(jī)械磨損還有好處。但是，如果電流密度過大，則正極蒸發(fā)嚴(yán)重，會(huì)使電氣磨損加劇。而電氣磨損加劇后，使集電環(huán)磨面粗糙化，碳刷磨面附著金屬粉，又會(huì)增加機(jī)械損耗，所以通過碳刷的電流密度應(yīng)有一個(gè)限度。

當(dāng)電流由碳刷流入集電環(huán)時(shí)，碳刷為正極，集電環(huán)為負(fù)極，碳刷磨面發(fā)生正極蒸發(fā)，碳粒、石墨離子遷移到集電環(huán)磨面，碳刷電氣磨損大、機(jī)械磨損小，集電環(huán)的電氣磨損和機(jī)械磨損都小。

當(dāng)電流由集電環(huán)流入碳刷時(shí)，碳刷為負(fù)極，集電環(huán)為正極，碳刷磨面發(fā)生負(fù)極粉化，并附著碳粒、石墨，集電環(huán)呈潤滑、光澤的碳金屬氧化膜狀態(tài)。集電環(huán)磨面發(fā)生正極蒸發(fā)，大量金屬蒸發(fā)，使金屬粒子容易以類似于電鍍方式的離子狀態(tài)移動(dòng)附著在碳刷磨面，使得集電環(huán)磨面磨損加劇，出現(xiàn)條痕。這種情況下，碳刷電氣磨損小、機(jī)械磨損大，集電環(huán)的電氣磨損、機(jī)械磨損都大。 因?yàn)檎姯h(huán)電流由碳刷流向集電環(huán)，碳刷正極性，集電環(huán)負(fù)極性，故正集電環(huán)磨損??；反之，當(dāng)碳刷為負(fù)極時(shí)，負(fù)集電環(huán)磨損大。

3 檢測維護(hù)措施

綜合以上分析，實(shí)踐中為了使集電環(huán)磨損均勻，并形成良好的運(yùn)行性能，對(duì)于5GTA41主發(fā)電機(jī)檢修維護(hù)采取了以下措施：

(1) 德興銅礦830E電動(dòng)輪汽車標(biāo)配的QSK60發(fā)動(dòng)機(jī)下機(jī)大修是18000 h左右，發(fā)電機(jī)軸承使用壽命是25000 h左右，綜合生產(chǎn)和維修成本考慮，正常運(yùn)行的主發(fā)電機(jī)18000 h與發(fā)動(dòng)機(jī)同步下機(jī)檢修，更換軸承并測試?yán)@組的電氣性能，檢測并處理集電環(huán)的同心度與光潔度。

(2) 每運(yùn)行4000～5000 h調(diào)整勵(lì)磁極性，在電氣控制柜內(nèi)對(duì)調(diào)兩根進(jìn)出勵(lì)磁電纜接線。同時(shí)對(duì)軸承潤滑脂進(jìn)行補(bǔ)充或更換，并測試軸承性能。

(3) 集電環(huán)氧化膜的形成是需要與碳刷進(jìn)行一定時(shí)間磨合的，為了保護(hù)集電環(huán)磨面氧化膜，出現(xiàn)碳刷磨損異常時(shí)，如無必要不建議將全部碳刷換新。正常的碳刷使用壽命在2500～3000 h，每運(yùn)行200 h，檢查碳刷與整流子磨面磨損情況，1000 h檢查壓簧壓力。

(4) 安裝新碳刷前須將碳刷磨面預(yù)磨成與集電環(huán)磨面相配合的弧度。安裝完磨好弧度的碳刷后空載運(yùn)行發(fā)電機(jī)0.5 h(為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)積碳，建議轉(zhuǎn)速控制在750～1950 r/min間變化，不要恒定在某一轉(zhuǎn)速，特別是低怠速)，發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)時(shí)24 h內(nèi)該輛電動(dòng)輪汽車裝載作業(yè)控制在85%載重范圍內(nèi)，24 h后恢復(fù)正常100%裝載作業(yè)。

[1]蒲宏彬，胡秀華.發(fā)電機(jī)集電環(huán)發(fā)熱現(xiàn)象淺析及處理意見[J].黑龍江科技信息，2009(26):19.

[2]劉向祖，趙文東，王志云.發(fā)電機(jī)集電環(huán)發(fā)熱現(xiàn)象及處理方法[J].河北工業(yè)科技，2008(03):132￣133,147.

[3]唐春海，劉肖兵.發(fā)電機(jī)集電環(huán)發(fā)熱現(xiàn)象的分析及處理方法[J].黑龍江科技信息，2010(05):16.

[4]劉西影.淺談發(fā)電機(jī)碳刷、滑環(huán)發(fā)熱及處理意見[J].能源技術(shù)與管理，2010(02):124￣125.

[5]瞿舜吾.淺談發(fā)電機(jī)集電環(huán)裝置故障的應(yīng)急處理[J].黑龍江科技信息，2010,1(31):22.(收稿日期：2017￣10￣12)

嚴(yán) 強(qiáng)(1977-)，男，江西廣豐人，助理工程師，主要從事金屬礦山開采電氣設(shè)備維護(hù)維修工作,Email：609000058@qq.com。