某型發(fā)動機起動發(fā)電機冒火花故障分析

劉立杰

一、故障現(xiàn)象

2020年3月19日，我廠某型發(fā)動機由于貫徹后中介軸承的要求返廠檢查，起動發(fā)電機完成外觀檢查后，在試車時出現(xiàn)起動故障，具體表現(xiàn)為：起動發(fā)電機電刷處有火花冒出，并伴有燒焦味道，測量絕緣電阻為0.1 MΩ。發(fā)生故障的電機型號為QF-12D，本次工作時間為155小時23分，總工作時間565小時36分，之前由我廠大修完畢，起動發(fā)電機性能試驗和發(fā)動機試車均正常。

二、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

起動發(fā)電機（見圖2）是由殼體組件，電樞組件，通風(fēng)管，防護帶，電刷等主要零組件構(gòu)成。

QF-12D起動發(fā)電機（見圖2），是一個復(fù)合式附件，通過彈性軸花鍵與發(fā)動機雙速傳動裝置連接，在發(fā)動機起動時，作為電動機，用來帶動發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子和部分附件工作。當(dāng)發(fā)動機起動完成后，它作為發(fā)電機向飛機電網(wǎng)輸電。起動發(fā)電機是一種八級直流電機。它有四個主級和四個位于主級之間的附加極，是一種帶有密封軸承的保護性電機，靠機外引入的空氣來冷卻。起動發(fā)電機有兩個激磁繞組：分流繞組和串聯(lián)繞組。在作電動機使用時兩個激磁繞組都參加工作，而在發(fā)電狀態(tài)時，僅分流繞組投入工作。

三、原因分析

1.換向器表面粗糙度不合格

當(dāng)起動發(fā)電機修理時，換向器粗糙度不合格，在起動發(fā)電機運行時，由Q=FfvT、Ff=Fμ可知，發(fā)熱量與摩擦力成正比、摩擦力與摩擦系數(shù)成正比，即發(fā)熱量與摩擦系數(shù)成正比，集聚的熱量無法散發(fā)出去時，溫度急劇升高，電刷與換向器接觸面就會產(chǎn)生火花。

2.換向極繞組接反

從電磁理論可知，換向元件在換向過程中，電

流的變化必然會在換向元件中產(chǎn)生自感電動勢。此外電刷寬度通常為2-3片換向片寬，同時換向的元件就不止一個，換向元件與換向元件之間會有互感電動勢產(chǎn)生。自感電動勢和互感電動勢的合成成為電抗電動勢。另外電樞磁場的存在，使得處在幾何中性線上的換向元件中產(chǎn)生一種切割電動勢，成為電樞反應(yīng)電動勢。根據(jù)楞次定律和右手定則可知，

電抗電動勢和電樞反應(yīng)電動勢都起著阻礙換向的作用。因此，換向元件中出現(xiàn)延遲換向的現(xiàn)象，在延遲換向時，由于附加換向電流的出現(xiàn)破壞了電流換向時電刷電流密度的均勻性，而使得后刷段電流密度增大，前刷電流密度減小。后刷端過大的電流密度及相應(yīng)的接觸電壓降足以使電刷與換向片間的空氣層發(fā)生游離，因此，接觸電阻顯著下降，會使元件在換向末期仍保持很大的附加換向電流。當(dāng)電刷與換向片分離時，可視為一個儲蓄電磁能量很大的電路斷開情況，此能量即以電火花的形式在電刷后端放出。

（1）換向極繞組接反

從產(chǎn)生火花的電磁原因出發(fā)，在主磁極之間裝設(shè)換向極可以有效的減小、甚至抵消換向元件中的電抗電動勢和電樞反應(yīng)電動勢，達到減少甚至抵消火花的效果。當(dāng)換向極極性相反時，由于不能和電樞反應(yīng)電動勢、電抗電動勢抵消，反而相加，因此即使在很小負載時也將出現(xiàn)嚴重火花。

（2）電刷掉塊

工藝規(guī)程規(guī)定，在起動發(fā)電機使用過程中，電刷有可能出現(xiàn)沿刷邊輕微掉塊現(xiàn)象，掉塊總面積不應(yīng)大于電刷與電機換向器的貼合面的10%。同時，單塊面積不應(yīng)大于（1.5×3）mm2，沿電刷高度方向不高于5mm。在起動發(fā)電機使用過程中，電刷出現(xiàn)掉塊情況，在這種情況下，電刷和換向器接觸面會經(jīng)歷從多到少的變化，由于換向元件延遲換向，造成換向元件離開一個支路最后瞬間尚有較大的電磁能量，電刷與換向器接觸面就會產(chǎn)生火花。

3.起動電流過大

起動發(fā)電機地面起動時，起動電流過大導(dǎo)致電刷高溫膨脹，從而與刷架產(chǎn)生擠壓失去活動能力（正常情況下碳刷靠刷架彈簧固定在刷架里，并與換向器接觸。隨著換向器的轉(zhuǎn)動，彈簧保證每一時刻碳刷都與換向器完全接觸），由于換向器轉(zhuǎn)動時存在一定偏擺而此時碳刷已失去活動能力不能保證每一時刻碳刷都與換向器完全接觸，進而碳刷在與換向器接觸面積的多與少之間轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生大量火花。

四、故障確認及排除

故障電機返回車間后，對該電機進行了檢查、復(fù)裝和驗證，具體如下：

（1）外觀檢查

目視檢查起動發(fā)電機外觀無明顯損傷。

（2）分解檢查

a）打開起動發(fā)電機防護帶，測量24個彈簧壓力，均符合使用要求。

b）提起電刷，目視檢查電刷無膨脹現(xiàn)象，但出現(xiàn)掉塊和裂紋現(xiàn)象（見圖1），掉塊面積為（12×7）mm2，不符合使用要求。

c）將電樞組件從磁極內(nèi)孔中提出，電樞組件良好，換向器表面氧化膜符合要求。測量換向器表面粗糙度符合使用要求。

（3）復(fù)裝產(chǎn)品，進行驗證

a）更換電刷，重新裝配合格，進行綜合性能試驗，無故障現(xiàn)象出現(xiàn)，故障排除。

b）該起動發(fā)電機已修理合格，通過發(fā)動機試車驗證。

經(jīng)過上述分析、檢查、復(fù)裝和驗證情況，最終確認電刷掉塊不合格是造成本次電刷冒火花的原因。

五、預(yù)防措施及固化

根據(jù)故障原因分析，應(yīng)采取以下措施有效預(yù)防此類故障再次發(fā)生：

1.為消除貼合度檢查時的人為誤差，保證QF-12D起動發(fā)電機換向器和電刷有足夠的貼合度來傳遞電流，對大修發(fā)動機起動發(fā)電機應(yīng)明確檢查電刷磨合面不小于75%，電刷高度不得低于22mm，并嚴格把控，對工作時間較長的排故發(fā)動機起動發(fā)電機進行電刷檢查，確保電刷工作可靠性。

2.檢查電刷的磨損程度，明確電刷的更換要求。在起動發(fā)電機使用過程中，電刷有可能出現(xiàn)沿刷邊輕微掉塊現(xiàn)象，掉塊總面積不應(yīng)大于電刷與電機換向器的貼合面的10%。同時，單塊面積不應(yīng)大于（1.5×3）mm2，沿電刷高度方向不高于5mm，當(dāng)電刷裂紋或分層時，應(yīng)更換電刷，避免故障再次發(fā)生。

3.檢查電刷在刷握內(nèi)應(yīng)能上下活動，不得有搖擺或卡住的情形。