陳虎東

（神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司 設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 薛家灣 010300）

630E礦用卡車(chē)電動(dòng)輪電刷異常磨損原因分析及解決方案

陳虎東

（神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司 設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 薛家灣 010300）

為達(dá)到降低630E卡車(chē)電動(dòng)輪故障率，提高電動(dòng)輪使用壽命的目的，通過(guò)對(duì)電機(jī)換向過(guò)程中電刷磨損的各項(xiàng)因素進(jìn)行分析，對(duì)造成電動(dòng)輪電刷異常磨損主要原因進(jìn)行了研究。歸納出了造成上述故障的主要因素，并針對(duì)性地提出了相應(yīng)的維護(hù)措施。

電動(dòng)輪；電刷；異常磨損；換向；措施

0 引 言

630E礦用自卸卡車(chē)是神華準(zhǔn)能集團(tuán)公司黑岱溝露天煤礦的主要運(yùn)輸設(shè)備，承擔(dān)著全部運(yùn)煤任務(wù)和部分巖石土方運(yùn)輸任務(wù)。隨著630E卡車(chē)運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，卡車(chē)電動(dòng)輪故障率逐年遞增，故障類(lèi)型呈復(fù)雜化、多樣化態(tài)勢(shì)，而電動(dòng)輪電刷異常磨損故障約占故障總數(shù)的60%。電動(dòng)輪故障已成為近年來(lái)制約卡車(chē)正常運(yùn)行的主要因素，造成了極大的維修和成本壓力。目前，關(guān)于630E卡車(chē)電動(dòng)輪故障的研究多集中于電動(dòng)輪故障總體分析及相應(yīng)維護(hù)措施、機(jī)架、行星減速機(jī)構(gòu)、卡車(chē)控制系統(tǒng)、電機(jī)散熱等，而對(duì)電刷異常磨損這方面研究報(bào)道較少。通過(guò)對(duì)電機(jī)換向、電刷磨損的主要因素及過(guò)程進(jìn)行分類(lèi)分析，研究了電動(dòng)輪換向火花、電刷磨損、電動(dòng)輪電刷異常磨損故障等對(duì)上述故障的影響并提出相應(yīng)的措施，為630E卡車(chē)電動(dòng)輪的大修及維護(hù)提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 630E卡車(chē)電動(dòng)輪工作原理

單臺(tái)630E礦用卡車(chē)包括2臺(tái)電動(dòng)輪，是卡車(chē)主要的驅(qū)動(dòng)部件。電動(dòng)輪型號(hào)為GE776S，包括電機(jī)部分和減速機(jī)部分。電動(dòng)輪電機(jī)部分為勵(lì)直流疊繞式有刷直流電動(dòng)機(jī)，最大電壓2 500 V，最大電流800 A，額定功率562.6 kW。

630E卡車(chē)在驅(qū)動(dòng)時(shí)，由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與三項(xiàng)交流發(fā)電機(jī)耦合提供動(dòng)力源，發(fā)電機(jī)主繞組輸出經(jīng)整流后為電動(dòng)輪電樞供電，副繞組輸出為電動(dòng)輪的主磁極提供勵(lì)磁電流，同時(shí)由卡車(chē)的主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁屏以及輪馬達(dá)磁場(chǎng)勵(lì)磁屏對(duì)上述電磁回路進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪的勵(lì)磁電流調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速，電機(jī)輸出傳動(dòng)輪邊減速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)；在制動(dòng)時(shí)，電機(jī)制動(dòng)方式為能耗制動(dòng)，通過(guò)制動(dòng)接觸器，電動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械能經(jīng)電阻柵轉(zhuǎn)換為熱能消耗。

2 直流電機(jī)的換向及電刷磨損

電機(jī)的換向是一個(gè)復(fù)雜的物理和電化學(xué)過(guò)程，整個(gè)換向的過(guò)程也就是碳刷的磨損過(guò)程，換向火花是直流電機(jī)換向不良的最明顯的標(biāo)志，輕微的火花不會(huì)對(duì)電機(jī)運(yùn)行造成危害，但有害火花會(huì)破壞電刷和換向器的滑動(dòng)接觸，燒傷電刷接觸面和換向器氧化膜，使兩者磨損劇增，造成換向惡性循環(huán)，構(gòu)成對(duì)直流電機(jī)運(yùn)行的威脅。

一般認(rèn)為電刷的磨損分為2大類(lèi)，即機(jī)械磨損和電蝕磨損。機(jī)械磨損為電刷與換向器銻排的摩擦產(chǎn)生；電蝕磨損即電氣磨損，是指電刷在通電狀態(tài)下由于點(diǎn)接觸產(chǎn)生的熱放射離子導(dǎo)電而發(fā)生的電刷磨損。二者通常同時(shí)存在，相互影響。機(jī)械磨損會(huì)造成電蝕磨損的加劇，反之電蝕磨損亦會(huì)加強(qiáng)機(jī)械磨損。當(dāng)通過(guò)電刷的電流較小時(shí)，機(jī)械磨損為主導(dǎo)磨損；而當(dāng)電流較大，接觸點(diǎn)處的實(shí)際電流密度就可能達(dá)到數(shù)千A/cm2，離子傳導(dǎo)將起主要作用，即電蝕磨損為主導(dǎo)磨損，并隨電流增加而不斷加強(qiáng)。

2.1 機(jī)械磨損及其影響因素

機(jī)械磨損的大小主要取決于電刷與換向器表面的摩擦系數(shù)、電刷壓力以及接觸面積。眾所周知，其大小與摩擦系數(shù)和電刷壓力成正比，與接觸面積成反比。

1）摩擦系數(shù)影響。換向器表面摩擦系數(shù)的大小取決于電刷和換向器表面的清潔度、光潔度、電刷電流密度、換向器表面溫度、電機(jī)運(yùn)行外部環(huán)境等方面因素。

當(dāng)電機(jī)電刷和換向器表面光潔度、清潔度不足時(shí)，接觸面摩擦系數(shù)增大，加劇電刷的機(jī)械磨損；當(dāng)電刷平均電流密度過(guò)大或過(guò)小時(shí)，接觸面的摩擦系數(shù)均會(huì)增大，一般認(rèn)為電流密度為8.5～13.2 A/cm2為適度。結(jié)合接觸面的氧化膜理論和查閱資料所得，當(dāng)電刷電流密度過(guò)小時(shí)，換向器表面難以持續(xù)形成氧化膜，接觸面失去氧化膜的潤(rùn)滑作用，摩擦系數(shù)相當(dāng)于電刷與裸銅的摩擦系數(shù)，是存在氧化膜時(shí)的10倍；當(dāng)電刷電流密度過(guò)大時(shí)，會(huì)由在電刷接觸面產(chǎn)生較大火花甚至電弧，導(dǎo)致接觸面氧化膜持續(xù)脫落，增加表面摩擦系數(shù)；摩擦系數(shù)與換向表面溫度的關(guān)系（如圖1所示）與其和電刷電流密度的關(guān)系類(lèi)似，換向其表面溫度為60℃～90℃為適度；電機(jī)運(yùn)行外部環(huán)境影響主要是指空氣濕度的影響，亦即能否持續(xù)生成氧化膜的問(wèn)題。

2）電刷壓力和接觸面積影響。影響電刷壓力的因素包括刷簧壓力，電刷布置所處的圓周與電樞的同軸度。電刷壓力過(guò)大，會(huì)加劇機(jī)械磨損；另電刷布置所處的圓周與電樞存在偏心，也會(huì)增加電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)電刷的壓力，而且會(huì)造成電刷接觸面不穩(wěn)定，加劇機(jī)械磨損。

圖1 摩擦系數(shù)與換向器表面溫度

2.2 電蝕磨損及其影響因素

電蝕磨損的大小主要取決于電刷壓力、平均電刷電流密度，勵(lì)磁回路完好性的影響。

1）電刷壓力影響。如圖2所示，電刷壓力過(guò)大會(huì)加劇電刷機(jī)械磨損，反之電刷壓力太低，則會(huì)增加電刷與換向器表面的空氣隙，依據(jù)點(diǎn)接觸與離子導(dǎo)電理論，相應(yīng)地在接觸點(diǎn)斷開(kāi)的瞬間就會(huì)加劇火花和電弧的產(chǎn)生，從而加劇電蝕磨損。

圖2 電刷壓力與電刷磨損

2）平均電刷電流密度影響。電流密度為8.5～13.2 A/cm2為適度，當(dāng)電刷電流密度過(guò)大時(shí)，會(huì)由在電刷接觸面產(chǎn)生較大火花甚至電弧，加劇電刷接觸面點(diǎn)接觸離子導(dǎo)電作用，從而加劇電刷電蝕磨損，如當(dāng)電流密度為15 A/cm2時(shí)，點(diǎn)接觸的實(shí)際電流密度可達(dá)數(shù)千A/cm2，接觸點(diǎn)出現(xiàn)白熱現(xiàn)象。電流密度的大小主要受電樞電流、電刷接觸面積的影響，正比于電樞電流，反比于電刷接觸面積。

電流密度（A/cm2）=電樞電流（A）÷（電刷總數(shù) ×0.5×電刷表面積（cm2））

當(dāng)電機(jī)過(guò)流時(shí)，在換向時(shí)會(huì)增大換向火花等級(jí)產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致電刷異常磨損并出現(xiàn)換向器高溫現(xiàn)象；另外當(dāng)電刷接觸面積不足時(shí)，也會(huì)造成點(diǎn)接觸實(shí)際電流密度增加。

3）勵(lì)磁回路的完好性影響。直流電機(jī)經(jīng)典換向理論表明附加換向電流是造成延遲換向和超越換向，進(jìn)而產(chǎn)生火花或者電弧加劇電蝕磨損的根本原因，而抵消附加換向電流的主要電磁元件為換向極，因此保證電磁回路中換向極的完好尤為重要。

3 630E卡車(chē)電動(dòng)輪電刷異常磨損故障及解決方案

近4年來(lái)，黑岱溝露天煤礦58臺(tái)630E卡車(chē)年平均電動(dòng)輪故障次數(shù)達(dá)182（臺(tái)·次），其中電刷異常磨損故障約占故障總數(shù)的60%，為目前主要的電動(dòng)輪故障。

3.1 故障現(xiàn)象

大多此類(lèi)故障電動(dòng)輪在使用1 000～1 500 h后，出現(xiàn)電刷異常磨損故障。電刷使用壽命僅為8～200 h，表現(xiàn)為電刷斷裂、破碎、換向器表面磨損出現(xiàn)劃痕、溝槽，大多伴有換向器高溫現(xiàn)象，以致破壞換向器圓度，最終造成電動(dòng)輪環(huán)火故障。

3.2 故障原因分析及應(yīng)對(duì)措施

3.2.1 凸片、變形、片間云母高出、換向器失圓

多為電樞換向器的修理質(zhì)量存在問(wèn)題或者電樞老化引起，從而使電樞在旋轉(zhuǎn)時(shí)接觸面局部摩擦系數(shù)急劇增大，加劇機(jī)械磨損，電刷斷裂、破碎，多會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)輪環(huán)火。針對(duì)此類(lèi)故障，應(yīng)在維修換向器時(shí)，嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)操作，避免換向器銻排、云母緊錮力矩不足，發(fā)生松動(dòng)，另外應(yīng)加密檢查使用時(shí)間長(zhǎng)的換向器，必要時(shí)提前進(jìn)行計(jì)劃性更換。

3.2.2 換向器表面清潔、光潔度不足

電動(dòng)輪制動(dòng)漏油導(dǎo)致?lián)Q向器表面污染，而未進(jìn)行及時(shí)清理，導(dǎo)致電動(dòng)輪換向時(shí)火花增大，電弧灼傷換向器，使接觸面局部摩擦系數(shù)增大，處理不及時(shí)引起環(huán)火。應(yīng)長(zhǎng)期保持換向器表面清潔。

3.2.3 電刷壓力太大或者太小，加劇刷架磨損

刷架老化或者維修時(shí)未對(duì)電刷壓力逐個(gè)進(jìn)行調(diào)整所致。因此，在維修電動(dòng)輪后，務(wù)必按照參考值調(diào)整電刷壓力，并保證各電刷壓力基本一致；另外，應(yīng)及時(shí)更換試用時(shí)間較長(zhǎng)的刷架。

3.2.4 電刷接觸面積不足

刷架布置與換向器存在偏心或電刷與換向器間隙大所致，另外換向極出現(xiàn)損壞也會(huì)導(dǎo)致接觸面積不足，從而使電流密度增大，引起換向器高溫，產(chǎn)生不良火花或者大電弧，多會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)輪環(huán)火故障；應(yīng)在安裝刷架時(shí)，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)值執(zhí)行，更換新電刷時(shí)要進(jìn)行研磨。

3.2.5 過(guò)載或瞬時(shí)沖擊載荷

過(guò)載一般由設(shè)備超載造成，瞬時(shí)沖擊載荷一般由630E卡車(chē)直流回路故障或者控制回路引起，如主發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障、整流器故障及控制盤(pán)故障時(shí)，對(duì)電動(dòng)輪造成沖擊；另外司機(jī)不規(guī)范操作也是造成瞬間沖擊載荷的一大原因，如在破碎站卸貨時(shí)，司機(jī)操作不規(guī)范，直接由D檔換位至R檔，造成瞬間沖擊載荷。

2016年初曾隨630E卡車(chē)運(yùn)行，對(duì)卡車(chē)裝卸全程的電動(dòng)輪電流進(jìn)行了測(cè)定。測(cè)定結(jié)果顯示，卡車(chē)的平均電樞電流為1 075 A，根據(jù)前文公式計(jì)算，電刷電流密度為16.45 A/cm2，大于一般直流電機(jī)理論的上限值13.2 A/cm2。應(yīng)為電流密度過(guò)大加劇電蝕磨損，是630E電動(dòng)輪電刷異常磨損的主要原因。而上述不規(guī)范操作造成的瞬間沖擊電流高達(dá)1 850 A，遠(yuǎn)超電動(dòng)輪適度電流范圍。因此，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，應(yīng)控制載荷量，同時(shí)規(guī)范司機(jī)操作。

3.2.6 換向極損壞

多為換向極老化或者換向極維修不當(dāng)引起，從而使換向時(shí)存在超前或者滯后換向，電刷前后刷邊磨損不一致，導(dǎo)致電刷接觸面積不足，電流密度增大，引起換向器高溫，產(chǎn)生不良火花或者大電弧，多會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)輪環(huán)火故障。同理，應(yīng)及時(shí)更換試用時(shí)間長(zhǎng)的換向極，同時(shí)在維修時(shí)，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。外部工作環(huán)境空氣濕度太大或太小，換向器表面難以形成氧化膜

3.3 常見(jiàn)故障現(xiàn)象、原因及解決方案

常見(jiàn)630E卡車(chē)電動(dòng)輪電刷故障現(xiàn)象，故障原因及解決方案可概括如下，在平時(shí)的維修和保養(yǎng)時(shí)，可參照?qǐng)?zhí)行。

3.3.1 電刷劇烈磨損故障原因及解決方案

現(xiàn)象1：電刷劇烈磨損

1）換向器凸片、變形；松開(kāi)禁錮螺栓后，復(fù)位；

2）片間云母高出；重新下刻云母；

3）換向器表面清潔、光潔度不足，換向器失圓；清理、車(chē)削換向器，重新倒角；

4）電刷壓力太大或者太小；調(diào)整壓力或更換刷握，調(diào)整刷架位置，研磨碳刷，保證電刷與換向片垂直，刷握布置與換向器同心；

5）過(guò)載或者換向極損壞；控制卡車(chē)載荷，檢查直流主回路及控制電路，檢查磁路；

6）外部工作環(huán)境空氣濕度太大或太??；根據(jù)工作環(huán)境，合理選擇碳刷型號(hào)。

現(xiàn)象2：電刷斷裂，火花大，接觸面灼傷

1）刷架布置與換向器存在偏心；調(diào)整刷架位置，保證電刷與換向片垂直，刷握布置與換向器同心；

2）電刷與換向器間空氣隙大；調(diào)整刷盒，保證距離換向器表面1.58～2.38 mm的間距；

3）刷盒磨損；更換刷盒。

現(xiàn)象3：前后刷邊磨損不一致

1）刷盒變形；更換刷盒；

2）換向機(jī)故障，換向存在超越或者滯后；檢查換向極，并進(jìn)行維修。

現(xiàn)象4：電刷跳動(dòng)，火花大

1）換向器凸片、變形；松開(kāi)禁錮螺栓后，復(fù)位；

2）片間云母高出；重新下刻云母；

3）換向器表面清潔、光潔度不足，換向器失圓；清理、車(chē)削換向器，重新倒角；

4）電刷壓力??；調(diào)整壓力或更換刷握。

現(xiàn)象5：電刷或接觸面過(guò)熱

1）電刷壓力過(guò)大；調(diào)整壓力或更換彈簧；

2）過(guò)載，導(dǎo)致電流密度過(guò)大；控制卡車(chē)載荷，檢查直流主回路及控制電路；

3）電刷之間壓力不均，造成負(fù)載分配不均；更換不等高電刷，或調(diào)整電刷壓力。

現(xiàn)象6：電刷卡死

1）刷盒變形；更換刷盒；

2）電刷硬度低，碳粉堆積卡死；選擇硬度較高的碳刷；

3）刷簧損壞；更換刷簧。

現(xiàn)象7：刷盒燒毀

1）火花大或者環(huán)火；控制卡車(chē)載荷，檢查直流主回路及控制電路，檢查磁路；

2）電刷與換向器磨合不良，致電流密度過(guò)大；新更換電刷或換向器要跟蹤磨合，安裝前研磨碳刷。

3.3.2 630E電動(dòng)輪相關(guān)維修標(biāo)準(zhǔn)

電刷壓力4.54～5.44 kg；電刷與換向器間距1.58～2.38 mm；平均電樞電流適度范圍555.39～862.49 A（據(jù)電流密度反算）；云母下刻深1.65 mm，溝槽寬度1.52 mm；換向器外徑尺寸330.20～342.90 mm；電刷硬度：T900；換向器表面溫度60℃～90℃；適度空氣濕度：13℃時(shí)，相對(duì)濕度40%；24℃時(shí)，相對(duì)適度20%。

4 結(jié)語(yǔ)

630E卡車(chē)電動(dòng)輪的磨損是一個(gè)復(fù)雜的物理和電化學(xué)過(guò)程，電刷異常磨損的故障原因也呈多樣化、復(fù)雜化。但縱觀引起該故障的根本原因，都是人為可控的甚至是可以避免的。只要在平時(shí)的維護(hù)工作中加強(qiáng)檢查跟蹤力度，規(guī)范實(shí)施檢修，做好跟蹤記錄，定期實(shí)施計(jì)劃性維修，規(guī)范操作，最大限度地保證630E卡車(chē)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一致，定能減少電動(dòng)輪故障的發(fā)生，大幅提高設(shè)備的可用率，從而為保障供給綠色煤炭能源提供有力支撐。

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Cause analysis and solution of 630E mining truck electric wheel brush abnormal wear

CHEN Hudong

(Equipment Repair Center,Shenhua Group Zhungeer Energy Co.,Ltd.,Ordos 010300,China)

In order to reduce the failure rate of 630E truck electric wheel and improve the service life of the electric wheel,the article analyzes the various factors of brush wear in the process of reversing motor,researches the main reasons of causing the electric wheel brush abnormal wear,summarizes the main factors of causing the failure and presents the corresponding maintenance measures.

electric wheel;brush;abnormal wear;reversing;measure

TD56

B

1671－9816（2017）11－0056－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.11.016

陳虎東.630E礦用卡車(chē)電動(dòng)輪電刷異常磨損原因分析及解決方案［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（11）：56-59.

2017-06-10

陳虎東（1982—）男，工程師，學(xué)士，2004年7月畢業(yè)于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)在神華準(zhǔn)能設(shè)備維修中心生產(chǎn)技術(shù)部任主管工程師。

【責(zé)任編輯：張 夙】