APM列車電機(jī)碳刷磨損率超標(biāo)的原因分析及解決方法

孫海龍

摘要：旅客捷運(yùn)系統(tǒng)（automatedpeoplemover）是一套無人自動(dòng)駕駛、立體交叉的大眾運(yùn)輸系統(tǒng)，其組成包括列車、軌道及中控三大部分。這個(gè)鐵路名詞通常只形容在范圍狹小的地區(qū)所運(yùn)行的低載量鐵路運(yùn)輸，例如機(jī)場(chǎng)、城市商業(yè)區(qū)或主題公園的鐵路運(yùn)輸。2008年國(guó)內(nèi)首條旅客捷運(yùn)系統(tǒng)（APM）在首都機(jī)場(chǎng)三號(hào)航站樓正式啟用，全天24小時(shí)不間斷運(yùn)行，致力于為旅客提供便捷的出行體驗(yàn)。APM列車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面采用傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)，每列車共兩臺(tái)為其提供動(dòng)力，全年最多行駛十二萬公里。長(zhǎng)年高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)勢(shì)必影響電機(jī)使用壽命，這其中最為顯著的問題就是電機(jī)碳刷磨損率異常超出標(biāo)準(zhǔn)值，碳刷更換周期明顯大幅縮短為運(yùn)行埋下了安全隱患。找到磨損率超標(biāo)的原因及解決辦法才能防患于未然，變被動(dòng)為主動(dòng)，堅(jiān)守民航安全。

關(guān)鍵詞：磨損率;同心度;平整度

1. 緒論

1.1 旅客捷運(yùn)系統(tǒng)介紹

旅客捷運(yùn)系統(tǒng)（_utom_tdcpdopldmovdr）是一套無人自動(dòng)駕駛.立體交叉的大眾運(yùn)輸系統(tǒng)，其組成包括列車.軌道及中控三大部分。旅客捷運(yùn)系統(tǒng)（APM）作為首都機(jī)場(chǎng)三號(hào)航站樓樓宇間重要的交通運(yùn)輸系統(tǒng)起著必不可少的作用（見圖1.1）。

2.3異常電機(jī)狀況匯總

同時(shí)期在對(duì)7臺(tái)異常電機(jī)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)碳刷磨損率均高于標(biāo)準(zhǔn)值0.3mm/1000km，最低的是BCPB-012電機(jī)，數(shù)值為0.65mm/1000km，磨損率最高的是BCPA-022電機(jī)，數(shù)值為0.87mm/1000km（見圖2.3），7臺(tái)電機(jī)磨損率平均值為0.76mm/1000km。所以目標(biāo)設(shè)定將原7臺(tái)電機(jī)碳刷磨損率降低到標(biāo)準(zhǔn)值0.3mm/1000km以下。

1.2 研究背景

首都機(jī)場(chǎng)APM列車每年共安全行駛約140萬公里，目前現(xiàn)場(chǎng)18輛車共36臺(tái)電機(jī)中已有7臺(tái)碳刷磨損程度偏高超出廠家規(guī)定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用磨損率表示即磨損量與產(chǎn)生磨損的行程或時(shí)間之比。電機(jī)碳刷磨損率超標(biāo)按照廠家要求需返廠檢驗(yàn)維修，但是捷運(yùn)系統(tǒng)每天承載著重要的旅客進(jìn)出港任務(wù)，若返廠維修會(huì)導(dǎo)致列車運(yùn)力下降，運(yùn)行壓力劇增，并且當(dāng)下新冠疫情期間返廠周期較長(zhǎng)。為保障運(yùn)行，若購買新電機(jī)進(jìn)行替換，每臺(tái)電機(jī)價(jià)格在80萬人民幣左右，價(jià)格昂貴。為了解決上述問題，必須找出電機(jī)碳刷磨損率超標(biāo)的原因及解決辦法。

2.1所有電機(jī)的整體現(xiàn)狀

在對(duì)部門18輛列車的36臺(tái)電機(jī)運(yùn)行里程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，有7臺(tái)電機(jī)因磨損率偏高超出維護(hù)手冊(cè)中的標(biāo)準(zhǔn)值0.3mm/1000km，若強(qiáng)制運(yùn)行勢(shì)必存在極大風(fēng)險(xiǎn)。剩下的29臺(tái)電機(jī)碳刷磨損率良好，均未超過標(biāo)準(zhǔn)值，其占總電機(jī)數(shù)量的81%（見圖2.1）。

2.2正常電機(jī)狀匯總

3 異常電機(jī)碳刷磨損率超標(biāo)的原因分析

3.1 同心度超標(biāo)

同心度即插芯內(nèi)徑距離整個(gè)圓心的偏移程度。

查閱維護(hù)手冊(cè)中電機(jī)的制造結(jié)構(gòu)，有以下四種原因會(huì)導(dǎo)致碳刷磨損率偏高，即同心度超標(biāo).碳刷卡簧拉力值低.碳刷與刷握間隙過大.換向器軌道平整度超標(biāo)。首先對(duì)電機(jī)同心度超標(biāo)檢驗(yàn)，參照手冊(cè)提供的標(biāo)準(zhǔn)，同心度變化小于0.1mm屬于正常。在對(duì)同時(shí)期電機(jī)同心度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，1組中7臺(tái)異常電機(jī)與2至5組中29臺(tái)正常的電機(jī)同心度均符合標(biāo)準(zhǔn)未發(fā)生變化，所以排除同心度超標(biāo)的可能。

3.2 碳刷卡簧拉力值低

其次電機(jī)結(jié)構(gòu)的另一部分就是壓制碳刷的卡簧，參照手冊(cè)提供的標(biāo)準(zhǔn)隨后對(duì)同時(shí)期的29臺(tái)正常電機(jī)碳刷磨損率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，并與維護(hù)手冊(cè)的標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比（見圖2.2）。

卡簧拉力應(yīng)在2.72至3.18千克（6至7磅）之間。同時(shí)期對(duì)36臺(tái)電機(jī)的卡簧拉力用測(cè)力計(jì)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示所有電機(jī)的卡簧拉力值都在正常范圍之內(nèi)。1組中7臺(tái)異常電機(jī)的卡簧拉力分別是6.34磅.6.44磅.6.88磅.6.67磅.6.76磅.6.55磅.6.48磅，因此排除碳刷卡簧拉力值低的可能。

3.3 碳刷與刷握間隙過大

電機(jī)中使碳刷固定的部分叫刷握，其與碳刷間隙過大會(huì)導(dǎo)致磨損率異常。參照手冊(cè)提供的標(biāo)準(zhǔn)，碳刷與刷握內(nèi)壁的間隙在0.1-0.3mm之間屬于正常。同時(shí)期對(duì)7臺(tái)異常電機(jī)與29臺(tái)正常電機(jī)的碳刷與刷握內(nèi)壁間隙用塞尺進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)1組7臺(tái)異常電機(jī)與其它組正常電機(jī)的間隙均在正常范圍之內(nèi)，因此排除碳刷與刷握間隙過大的可能。

3.4換向器軌道平整度超標(biāo)

平整度即突起表面與絕對(duì)水平之間的差值。

電機(jī)的另一個(gè)主要組成部分是換向器，換向器的平整度對(duì)碳刷磨損率也起著決定性作用。參照手冊(cè)提供的標(biāo)準(zhǔn)，換向器表面軌道平整度小于等于0.1mm屬于正常范圍。同時(shí)期對(duì)7臺(tái)異常電機(jī)與29臺(tái)正常電機(jī)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示1組中7臺(tái)異常電機(jī)的軌道平整度均大于0.1mm，而2至5組中29臺(tái)正常電機(jī)的軌道平整度均在正常范圍，因此可以肯定換向器軌道平整度超標(biāo)是碳刷磨損率異常的主要原因。

4 電機(jī)碳刷磨損率超標(biāo)的解決方案

4.1 方案制定

通過四種對(duì)策的比較，用專用打磨工具和400號(hào)砂紙都是可行的，但從技術(shù)專業(yè)程度考慮，前者可以將軌道表面修復(fù)的更加完善，不足之處是需要采購設(shè)備不能立即執(zhí)行。后者操作簡(jiǎn)單打磨效果差，可以現(xiàn)場(chǎng)立即執(zhí)行。最后從長(zhǎng)遠(yuǎn)抓系統(tǒng)建設(shè)的思路考慮要保證設(shè)備修復(fù)具有長(zhǎng)久的時(shí)效性，不能經(jīng)常返工，所以采用專用打磨工具是最佳選擇。

4.2 方案實(shí)施

電機(jī)打磨的四個(gè)步驟∶

（1）將專用打磨工具固定在電機(jī)上與換向器軌道貼合：（2）電機(jī)外接恒流源供電，將轉(zhuǎn)速控制在10m/s上下：

啟動(dòng)恒流源保持電機(jī)轉(zhuǎn)速，按壓打磨工具對(duì)軌道表面進(jìn)行研磨，力量不可過大，接觸即可：

打磨完成后使用高壓風(fēng)槍（注∶壓力不能超過80PsI）對(duì)電機(jī)進(jìn)行清潔以保證換向器軌道無雜質(zhì)：

（5）用軌道平整度測(cè)試設(shè)備對(duì)其檢測(cè)，檢驗(yàn)打磨效果。

4.3方案實(shí)施前后效果對(duì)比

這里對(duì)7臺(tái)電機(jī)打磨前后的換向器軌道平整度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。由這些數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可見電機(jī)在進(jìn)行打磨之后軌道平整度下降到0.1mm之內(nèi)的正常范圍（見圖4.1）。

5方案實(shí)施后的效果檢查

5.1 列車運(yùn)行1000公里后的電機(jī)碳刷磨損狀況

為了檢驗(yàn)項(xiàng)目是否達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，這里對(duì)7臺(tái)打磨過的電機(jī)碳刷磨損率進(jìn)行跟蹤驗(yàn)證（見圖5.1），列車運(yùn)行1000公里后電機(jī)碳刷磨損率均在0.3mm/1000km以內(nèi)。

5.2 列車運(yùn)行2000公里后的電機(jī)碳刷磨損狀況

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，這7臺(tái)電機(jī)的碳刷磨損率有效控制0.3mm/1000km的范圍內(nèi)，目標(biāo)達(dá)成。隨后繼續(xù)進(jìn)行跟蹤，對(duì)電機(jī)運(yùn)行2000公里后碳刷磨損率進(jìn)行再次統(tǒng)計(jì)（見圖5.2），其數(shù)值在標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)。

5.3 列車運(yùn)行3000公里后的電機(jī)碳刷磨損狀況

由統(tǒng)計(jì)圖看出，電機(jī)在運(yùn)行2000公里后碳刷依然保持在標(biāo)準(zhǔn)范圍0.3mm/1000km內(nèi)，目標(biāo)達(dá)成。最后電機(jī)運(yùn)行3000公里后對(duì)碳刷磨損率做最終統(tǒng)計(jì)，查看效果保持情況（見圖5.3）。

5.4 三次電機(jī)碳刷磨損狀況對(duì)比

電機(jī)運(yùn)行3000公里后碳刷磨損率呈現(xiàn)極小范圍的波動(dòng)，但仍舊穩(wěn)定保持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。這里把三次跟蹤測(cè)試的結(jié)果統(tǒng)一匯總觀察其波動(dòng)范圍（見圖5.4）。由匯總圖看出，7臺(tái)電機(jī)碳刷磨損率有效保持在0.3mm/1000km范圍內(nèi)，項(xiàng)目目標(biāo)達(dá)成。

6完善電機(jī)檢查工單的內(nèi)容

為了日后再次解決電機(jī)碳刷磨損率超標(biāo)問題，必須采取標(biāo)準(zhǔn)化的制定，修改電機(jī)檢查工單，增加換向器軌道打磨項(xiàng)目。

7 電機(jī)碳刷磨損率超標(biāo)問題解決后的效益

7.1 經(jīng)濟(jì)效益

APM列車牽引電機(jī)返廠維修單臺(tái)成本10萬元人民幣，維修好7臺(tái)電機(jī)共節(jié)約資金70萬元。若購買新電機(jī)進(jìn)行更換每臺(tái)電機(jī)80萬元，7臺(tái)共計(jì)560萬元。

7.2 社會(huì)效益

首先，電機(jī)返廠維修需耗時(shí)數(shù)月，返廠后列車不能使用必然導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)力下降。其次，購買新電機(jī)也需要數(shù)月之久，繼續(xù)使用異常電機(jī)運(yùn)行存在較大安全隱患，兩種方案皆會(huì)對(duì)首都機(jī)場(chǎng)整體運(yùn)營(yíng)帶來不利影響。盡快找出電機(jī)故障原因及解決辦法才是最佳選擇，繼續(xù)保持良好的運(yùn)行態(tài)勢(shì)勢(shì)必帶來持續(xù)好評(píng)。同時(shí)北京2022年冬奧會(huì)即將舉辦，保障期間列車高品質(zhì)的運(yùn)行體驗(yàn)也將進(jìn)一步打造捷運(yùn)系統(tǒng)安全.高效.便捷的品牌形象。

8 結(jié)束語

APM列車電機(jī)碳刷磨損率超標(biāo)是電機(jī)使用過程中較為常見的問題，故障顯現(xiàn)時(shí)間不可預(yù)估，列車運(yùn)行幾十至上百萬公里皆有可能發(fā)生，唯一有效應(yīng)對(duì)的措施就是制定一套完備的故障處理方法，未雨綢繆。這樣才能保證捷運(yùn)系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行，堅(jiān)守航空安全底線。同時(shí)故障處理方法也在隨著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展在不斷修改完善，每次重新研究都有不一樣的發(fā)現(xiàn)。本論文在符合科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)研究態(tài)度下還是略有不足之處，敬請(qǐng)讀者指正共同學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)

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