電刷再成型影響因素分析

李寧瑞， 康 超， 徐 進(jìn)， 周璋鵬， 宋國(guó)云， 李玉明

（國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司檢修公司， 甘肅 蘭州 730070）

引言

電刷和滑環(huán)是調(diào)相機(jī)的重要組成部分，調(diào)相機(jī)工作時(shí)勵(lì)磁電流由電刷經(jīng)過滑環(huán)流至轉(zhuǎn)子，調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí)由于電刷與調(diào)相機(jī)位置相對(duì)固定，滑環(huán)與電刷相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，故滑環(huán)與電刷不斷摩擦，且電刷的磨損位置也不同。但新出廠的電刷成品形狀相同，不適合將新電刷直接放入調(diào)相機(jī)。新電刷更換后電刷與滑環(huán)接觸面積變小，在調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)局部電流增大，導(dǎo)致局部溫度過高，發(fā)生火災(zāi)，危害調(diào)相機(jī)的運(yùn)行[1-2]。針對(duì)現(xiàn)有問題，對(duì)現(xiàn)階段電刷再加工設(shè)備及方法進(jìn)行了研究，基于砂輪磨削加工的方法設(shè)計(jì)了一種電刷再加工裝置。

砂輪是電刷研磨裝置的核心組成部分，通過砂輪完成電刷表面的切除。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果表明，材料成形由多個(gè)復(fù)雜因素決定。劉立飛[3]通過砂輪與零件磨削過程得到砂輪剩余高度數(shù)學(xué)模型。本文基于電刷再加工裝置對(duì)電刷研磨過程的影響因素進(jìn)行研究，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為后續(xù)的電刷再加工提供理論指導(dǎo)。

1 電刷再加工過程建模

電刷研磨裝置如圖1 所示，該裝置包括機(jī)械裝置和控制裝置兩部分。絲杠滑塊連桿機(jī)構(gòu)與刷握、砂輪配套使用。整體采用導(dǎo)向槽框架結(jié)構(gòu)，在研磨作業(yè)過程中，滾珠絲杠分別帶動(dòng)刷握和砂輪旋轉(zhuǎn)[4]。

分析電刷再加工裝置，由其接觸形式可得，電刷再加工過程為滑動(dòng)摩擦。由圖2 可知，電刷與砂輪接觸面發(fā)生粘著磨損。在電刷加工過程中，電刷在彈簧的作用下，其表面與砂輪發(fā)生滑動(dòng)摩擦，隨著電刷不斷被磨削，在摩擦副的持續(xù)作用下形成磨屑。

根據(jù)J.F.Archard 提出的粘著磨損機(jī)理模型[5]，砂輪微凸塊與電刷相互接觸且電刷質(zhì)地較軟，電刷在彈簧的壓力下，其接觸面存在法向載荷P，并發(fā)生塑性形變，假設(shè)在電刷加工時(shí)材料去除的半徑為r，故電刷所受法向載荷和在加工過程電刷磨削的總體積分別為：

式中：n 為接觸面微凸塊總數(shù)；σ 為材料屈服應(yīng)力，N。

式中：V 為電刷磨削體積，mm3。

砂輪微凸塊與電刷相對(duì)位移為2r，電刷磨削率即為微凸塊在滑動(dòng)摩擦單位距離內(nèi)的去除電刷的總體積，在電刷加工時(shí)，電刷表面部分微凸塊與砂輪表面接觸，為提高結(jié)果的正確性，設(shè)實(shí)際接觸微凸塊數(shù)與微凸塊總數(shù)的比為λ。因此可得到電刷弧面成形的去除率為：

式中：λ 為去除系數(shù)，λ 是一個(gè)較為復(fù)雜的變量，與作業(yè)條件、砂輪粗糙度等眾多因素有關(guān)，其值有待進(jìn)一步確定。

將（1）式代入（3）式可得：

通過式（4）可以看出，影響電刷弧面成形的去除率模型存在三個(gè)因素。故電刷去除率應(yīng)根據(jù)電刷實(shí)際加工裝置來確定。

2 電刷研磨實(shí)驗(yàn)

以電刷再加工裝置為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過建立電刷去除模型的預(yù)測(cè)公式，得出去除率不僅和接觸載荷大小有關(guān)，還和砂輪的角速度以及摩擦系數(shù)等因素有關(guān)。為分析三個(gè)因素對(duì)電刷研磨精度的影響程度，采用三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)方法，分析壓緊彈簧彈性系數(shù)、驅(qū)動(dòng)砂輪的步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率和砂紙粗糙度對(duì)電刷研磨精度的影響程度和主次順序。

實(shí)驗(yàn)中采用型號(hào)為DP35 的電刷，電刷橫截面尺寸為38.1 mm×25.4 mm，實(shí)驗(yàn)裝置通過壓緊彈簧調(diào)整接觸載荷大小，電刷固定在刷握模具中，壓緊彈簧通過電刷連接到刷握的接口上。實(shí)驗(yàn)中，壓緊彈簧始終保持壓緊狀態(tài)，保證電刷和砂輪之間不會(huì)上下跳動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)設(shè)定參考研磨中電刷的真實(shí)工作狀態(tài)，正交實(shí)驗(yàn)的因子水平表如表1 所示，實(shí)驗(yàn)方案正交表如表2 所示（其中：K、k 分別為電刷再加工時(shí)材料去除率因素、水平及其均值。），實(shí)驗(yàn)結(jié)果極差分析表如表3 所示。

表1 因素水平表

表2 實(shí)驗(yàn)方案正交表

表3 極差分析表

通過極差分析表可知實(shí)驗(yàn)結(jié)果為T2＞T3＞T1，因此因素2 也即因素B 對(duì)結(jié)果的影響最大，其次依次為因素3（因素C）、因素1（因素A）。此外，δ31＞δ11＞δ21，δ22＞δ12＞δ32，δ33＞δ23＞δ13，實(shí)驗(yàn)以電刷研磨去除率為評(píng)判因素，為獲得較好的弧面成形效果，去除率越高越好，故得到對(duì)應(yīng)水平因素的最優(yōu)組合為A3B2C3，即砂輪步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率5 000 Hz、壓下彈簧彈性系數(shù)1 200 N/m、砂紙目數(shù)60 目。

3 結(jié)語

本文建立了電刷去除材料的去除率數(shù)學(xué)模型并獲得研磨次數(shù)的目標(biāo)函數(shù)，通過電刷在加工裝置進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)電刷研磨影響因素進(jìn)行分析，并對(duì)研磨次數(shù)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，得到電刷磨削去除率對(duì)壓下彈簧彈性系數(shù)即載荷最敏感，砂紙目數(shù)次之，砂輪步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率即砂輪滑動(dòng)速度最弱，并得到影響因素的最佳組合方案為砂輪步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率5 000 Hz、壓下彈簧彈性系數(shù)1 200 N/m、砂紙目數(shù)60 目。