基于故障樹分析的主輔發(fā)電機(jī)滑環(huán)燒損質(zhì)量改進(jìn)

秦轉(zhuǎn)麗 陽詠梅

摘要：利用故障樹分析法，找出了造成主輔發(fā)電機(jī)滑環(huán)燒損的主要原因，制定了改進(jìn)措施，成功解決了滑環(huán)燒損問題，充分發(fā)揮了故障樹分析法在解決產(chǎn)品質(zhì)量問題中的作用。

關(guān)鍵詞：故障樹分析;主輔發(fā)電機(jī);滑環(huán)燒損

0 引言

我公司從國外技術(shù)引進(jìn)了一款大功率內(nèi)燃機(jī)車主輔發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)由主發(fā)電機(jī)和輔助發(fā)電機(jī)組成，通過機(jī)械連接在同一個(gè)發(fā)電機(jī)機(jī)體內(nèi)部，主輔發(fā)電機(jī)電氣上是相互獨(dú)立的。滑環(huán)是主輔發(fā)電機(jī)中的關(guān)鍵部件，其可靠性至關(guān)重要，若滑環(huán)燒損無法使用，將直接導(dǎo)致機(jī)車機(jī)破故障。

1 故障概況

該電機(jī)配套用于和諧型內(nèi)燃機(jī)車，機(jī)車運(yùn)行于東北地區(qū)，為重載貨運(yùn)機(jī)車。機(jī)車自上線運(yùn)行以來，主輔發(fā)電機(jī)陸續(xù)發(fā)生了批量滑環(huán)燒損故障，共計(jì)56次，其中3次造成了機(jī)破故障。故障部位多發(fā)生在最外側(cè)兩個(gè)滑環(huán)上，滑環(huán)燒損如圖1所示。故障初期，采用機(jī)車入庫在線更換滑環(huán)的方式維持應(yīng)用。

2 滑環(huán)結(jié)構(gòu)

電機(jī)在技術(shù)轉(zhuǎn)化時(shí)，采用了技術(shù)引進(jìn)時(shí)的原有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，僅部分材料進(jìn)行了國產(chǎn)化替代。滑環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個(gè)銅環(huán)嵌入各自的絕緣材料內(nèi)，組成單個(gè)滑環(huán)，4個(gè)滑環(huán)按順序安裝在滑環(huán)座上，并用滑環(huán)壓緊螺栓固定，每個(gè)滑環(huán)通過導(dǎo)電螺栓引出接線柱，用以勵(lì)磁電流的輸入。最外側(cè)兩個(gè)滑環(huán)配套輔發(fā)電機(jī)，內(nèi)側(cè)兩個(gè)滑環(huán)配套主發(fā)電機(jī)。

3 故障樹定性分析

3.1 ? ?故障樹

故障樹是一種特殊的倒立樹狀的邏輯因果關(guān)系圖。故障樹分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）是以一個(gè)不希望發(fā)生的產(chǎn)品故障事件或?yàn)?zāi)難性危險(xiǎn)即頂事件作為分析對象，通過由上而下的嚴(yán)格的按層次的故障因果邏輯分析，逐層找出導(dǎo)致故障事件的必要而充分的直接原因，畫出故障樹，最終找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能原因和原因組合。故障樹分析的優(yōu)勢有：（1）發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品可靠性;（2）它是一種事故調(diào)查的有效手段，可為故障歸零提供依據(jù);（3）它是一種圖形演繹方法，比較直觀。

3.2 ? ?建立故障樹

以滑環(huán)燒損為頂事件，建立故障樹。本分析不考慮用戶維護(hù)方面的因素，不考慮人為因素和環(huán)境因素，僅從設(shè)計(jì)角度分析。滑環(huán)燒損故障樹如圖3所示。

3.3 ? ?求最小割集

（1）故障樹定性分析的任務(wù)之一就是要尋找故障樹的全部最小割集。本文采用上行法求最小割集，具體步驟如下：M4=X6+X7+X8;M2=X4+M4+X9;M3=X5+X6+X7;M1=X1+X2+

X3+M3;T=M1+M2。

（2）經(jīng)計(jì)算，求得滑環(huán)燒損的最小割集為：{X1}{X2}{X3}{X4}{X5}{X6}{X7}{X8}{X9}，且底事件X6、X7在割集中出現(xiàn)了兩次。

（3）最小割集定性比較原則。求得全部最小割集后，按以下原則進(jìn)行定性比較，以便將定性比較的結(jié)果應(yīng)用于提示改進(jìn)設(shè)計(jì)的方向，指導(dǎo)故障診斷。根據(jù)每個(gè)最小割集所含底事件數(shù)目（階數(shù)）排序，在各個(gè)底事件發(fā)生概率比較小，且差別相對不大的條件下：

1）階數(shù)越小的最小割集越重要;

2）在低階最小割集中出現(xiàn)的底事件比高階最小割集中的底事件重要;

3）在最小割集階數(shù)相同的條件下，在不同最小割集中重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)越多的底事件越重要。

（4）結(jié)論：根據(jù)以上原則，底事件均為一階割集，任何一個(gè)底事件的發(fā)生都可能導(dǎo)致頂事件的發(fā)生，底事件X6、X7在割集中出現(xiàn)了兩次，故底事件銅環(huán)與絕緣熱脹冷縮差異大、導(dǎo)電螺栓與銅環(huán)接觸不良這兩個(gè)原因最重要，應(yīng)首要解決;其他問題也應(yīng)予以關(guān)注和解決。

4 原因排查和制定改進(jìn)措施

上述故障樹定性分析，為解決滑環(huán)燒損故障指明了方向。筆者將逐一對上述故障原因進(jìn)行排查并制定改進(jìn)措施，具體如下：

4.1 ? ?銅環(huán)選材不當(dāng)

銅環(huán)采用技術(shù)引進(jìn)規(guī)定的材料牌號，且在國外有多年運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，無證據(jù)證明選材不當(dāng)，故在此不做深究。

4.2 ? ?滑環(huán)表面散熱不良

若滑環(huán)表面散熱不良，長期熱量積聚，易引起滑環(huán)表面高溫變色，進(jìn)而影響到與電刷的接觸，久而久之會發(fā)生滑環(huán)燒損故障?；h(huán)表面根據(jù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向設(shè)計(jì)有相應(yīng)的螺旋槽，利于排除碳粉，也增加了滑環(huán)表面的散熱面積。螺旋槽尺寸、數(shù)量和方向均與廠內(nèi)同類電機(jī)相同，符合要求。

4.3 ? ?配套電刷電密超標(biāo)

燒損銅環(huán)上所流過的電流為輔發(fā)勵(lì)磁電流70 A。每個(gè)銅環(huán)配2個(gè)電刷，電刷截面積為1.81 cm2，計(jì)算電刷電密為19.28 A/cm2，技術(shù)引進(jìn)資料顯示許用電密為10.8 A/cm2，已超出使用范圍，顯然不符合要求。

改進(jìn)措施：加大電刷截面積或增加電刷數(shù)量或更換承受電密高的電刷。為方便起見，選用和主發(fā)電機(jī)一樣的大電刷，截面積為4.03 cm2，材質(zhì)不變，數(shù)量不變。大電刷計(jì)算電密為8.68 A/cm2，小于許用電密10.8 A/cm2，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 ? ?銅環(huán)松動(dòng)

4.4.1 ? ?滑環(huán)壓緊螺栓緊固力矩偏小

滑環(huán)壓緊螺栓的目的是將4個(gè)銅環(huán)與絕緣緊固在一起，使之成為一個(gè)整體。螺栓為3/8英寸，技術(shù)引進(jìn)圖紙緊固力矩為9.5～10.8 Nm。

改進(jìn)措施：經(jīng)螺栓緊固力矩計(jì)算，此緊固力矩確實(shí)偏小，應(yīng)調(diào)整為25～28 Nm。

4.4.2 ? ?銅環(huán)與絕緣熱脹冷縮差異大

該滑環(huán)絕緣材料為藍(lán)色BMC（F級），絕緣材料和銅環(huán)整體模壓而成，模壓澆注式絕緣結(jié)構(gòu)。若銅環(huán)和絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)相差太大，有可能會因熱脹冷縮、熱塑性變形而造成滑環(huán)松動(dòng)。復(fù)測螺栓緊固情況，發(fā)現(xiàn)3/8英寸緊固螺栓還可輕松擰動(dòng)3/4圈，這印證了螺栓緊固力矩偏小的問題。

改進(jìn)措施：更換絕緣材料，改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。絕緣材料改為高強(qiáng)度層壓玻璃布板，滑環(huán)座表面用絕緣材料繞包并熱固化，銅環(huán)熱套在該表面，并提高整體真空壓力浸漆的要求，提高滑環(huán)一體性。

4.4.3 ? ?導(dǎo)電螺栓與銅環(huán)接觸松動(dòng)

導(dǎo)電螺栓的材料為銅棒，作用是一端與銅環(huán)連接，另一端螺柱引出到銅環(huán)外端面，與勵(lì)磁連線建立連接。與銅環(huán)連接的一端為直齒，直齒與銅環(huán)孔之間為過盈配合，憑設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可能存在接觸不良的情況。

改進(jìn)措施：改為傳統(tǒng)的有多年運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)的導(dǎo)電螺栓與銅環(huán)之間的螺紋連接結(jié)構(gòu)較為可靠。

4.5 ? ?轉(zhuǎn)軸軸頭外徑跳動(dòng)量大

滑環(huán)裝配套在轉(zhuǎn)軸軸頭上，若轉(zhuǎn)軸軸頭外徑跳動(dòng)量大，那么滑環(huán)外徑跳動(dòng)量大。圖紙要求轉(zhuǎn)軸外徑跳動(dòng)量為0.025 mm，實(shí)際復(fù)測均符合要求。

4.6 ? ?滑環(huán)表面粗糙度超標(biāo)

滑環(huán)表面粗糙度圖紙要求為Ra3.2，檢測符合圖紙要求，且手感光滑光亮。

4.7 ? ?轉(zhuǎn)軸與滑環(huán)座內(nèi)徑配合間隙大

轉(zhuǎn)軸軸頭外徑？準(zhǔn)116.865 -0.025 ? ?0 ?mm，滑環(huán)座內(nèi)徑？準(zhǔn)116.8650 +0.025 mm，計(jì)算得間隙配合為0～0.05 mm。這個(gè)配合數(shù)值是基于滑環(huán)裝配整體可以在線拉拔更換而定。但據(jù)多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般取過渡到過盈配合為宜。

改進(jìn)措施：將轉(zhuǎn)軸軸頭外徑調(diào)整為？準(zhǔn)116.885-0.025 0 mm，計(jì)算得配合間隙0.03 mm至過盈0.02 mm。

5 實(shí)施改進(jìn)措施

改進(jìn)后的滑環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。準(zhǔn)備充足的備件到各路局或維修段，待機(jī)車回庫檢修時(shí)，拆卸原有滑環(huán)，更換上新滑環(huán)，同時(shí)將輔發(fā)配套的電刷更換為大截面電刷，此過程耗費(fèi)大量的售后服務(wù)費(fèi)用和時(shí)間，需陸續(xù)分步分批次更換。自批量更換以來，至今未發(fā)生過滑環(huán)燒損故障，改進(jìn)措施非常有效。

6 結(jié)語

在主輔發(fā)電機(jī)滑環(huán)質(zhì)量改進(jìn)過程中，采用了故障樹分析法，對滑環(huán)燒損故障進(jìn)行了所有可能的原因分析，并進(jìn)行了故障排查，制定出了改進(jìn)措施和方案，成功消除了滑環(huán)燒損故障。改進(jìn)后的滑環(huán)結(jié)構(gòu)已推廣至該系列其他電機(jī)上。故障樹分析法為實(shí)際工程應(yīng)用中的故障分析提供了參考，可避免盲目分析，對提高產(chǎn)品質(zhì)量有著深遠(yuǎn)影響。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2020-05-06

作者簡介：秦轉(zhuǎn)麗（1979—），女，陜西合陽人，高級工程師，研究方向：發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、可靠性技術(shù)推廣和應(yīng)用。