金釗，邢立，郭海波，隋鵬超

(內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

0 引言

發(fā)電機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要附屬零部件，起著為整車電器供電的重要作用[1-2]。非道路行業(yè)的車輛整車儀表一般都比較小，很難為發(fā)電機(jī)[3-5]的勵(lì)磁線路接一個(gè)充電指示燈，或者因?yàn)槠渌驅(qū)е聞?lì)磁線路接錯(cuò)，這些都會(huì)造成發(fā)電機(jī)不發(fā)電。同時(shí)，非道路行業(yè)的整車工作環(huán)境復(fù)雜。例如：煤礦區(qū)粉塵工況嚴(yán)重，很容易造成發(fā)電機(jī)軸承和碳刷的損壞。含硫元素較高的環(huán)境會(huì)造成調(diào)節(jié)器內(nèi)部的銀與環(huán)境中的硫元素反應(yīng)生成絕緣性的硫化銀，從而引起調(diào)節(jié)器斷路失效。收割小麥的機(jī)器長(zhǎng)時(shí)間處于秸稈的包圍，發(fā)電機(jī)通風(fēng)散熱不好，容易造成發(fā)電機(jī)燒壞。這些都對(duì)發(fā)電機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求。作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要附屬零部件之一的發(fā)電機(jī)，其可靠性必須根據(jù)環(huán)境因素進(jìn)行有效評(píng)估。評(píng)估發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上的非道路發(fā)動(dòng)機(jī)用的基本型發(fā)電機(jī)很難適應(yīng)這些復(fù)雜的環(huán)境。因此，對(duì)基本型發(fā)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高發(fā)電機(jī)的環(huán)境適用性，確保發(fā)電機(jī)可靠工作，提高客戶滿意度。

1 非道路發(fā)動(dòng)機(jī)用發(fā)電機(jī)現(xiàn)狀

非道路發(fā)動(dòng)機(jī)多采用外置風(fēng)扇+粗孔護(hù)蓋發(fā)電機(jī)，如圖1所示；其與整車接線電路如圖2所示。B+端直接接在蓄電池正極，D+端先接充電指示燈(1.5～3 W)再接點(diǎn)火鑰匙，W端可接轉(zhuǎn)速表(也可以不接)，外殼接地。

圖1 外置風(fēng)扇+粗孔護(hù)蓋發(fā)電機(jī)

圖2 發(fā)電機(jī)與整車接線電路

發(fā)電機(jī)的滑環(huán)室密封方式如圖3所示?；h(huán)室由軸承和端蓋的內(nèi)腔共同構(gòu)成一個(gè)半開(kāi)放式空間，見(jiàn)圖3方框。

圖3 滑環(huán)室密封結(jié)構(gòu)

調(diào)節(jié)器內(nèi)部元器件多采用陶瓷基板，導(dǎo)體為銀。

2 應(yīng)用中存在的問(wèn)題及其原因分析

2.1 發(fā)電機(jī)不發(fā)電

1)問(wèn)題1：客戶反饋發(fā)電機(jī)不發(fā)電。經(jīng)排查發(fā)電機(jī)線路，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)只有B+端直接接在蓄電池正極，無(wú)其它接線。

交流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁過(guò)程是先他勵(lì)后自勵(lì)。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)(發(fā)動(dòng)機(jī)未達(dá)到怠速轉(zhuǎn)速)，自身不能發(fā)電，需要蓄電池供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組電流，使勵(lì)磁繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，這樣發(fā)電機(jī)才可以發(fā)電。隨著轉(zhuǎn)速的提高(一般在發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到怠速時(shí))，發(fā)電機(jī)定子繞組的電動(dòng)勢(shì)逐漸升高并能使整流器二極管導(dǎo)通，當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出電壓大于蓄電池電壓時(shí)，發(fā)電機(jī)就能對(duì)外供電。當(dāng)發(fā)電機(jī)能對(duì)外供電時(shí)，就可以把自身發(fā)的電供給勵(lì)磁繞組。所以發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁線路必須接線，否則會(huì)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)不發(fā)電的情況。

2)問(wèn)題2：客戶反饋發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)發(fā)電機(jī)不發(fā)電，需要發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，發(fā)電機(jī)才可以發(fā)電。

大多數(shù)主機(jī)廠在配套儀表時(shí)，儀表中充電指示燈只采用發(fā)光二極管，并用通過(guò)發(fā)光二極管的電流作為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前的勵(lì)磁電流。發(fā)光二極管的工作電流一般小于10 mA，而發(fā)電機(jī)所需的最小勵(lì)磁電流為80 mA左右，所以這個(gè)發(fā)光二極管的工作電流無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)發(fā)電機(jī)發(fā)電的需求；只有提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，才能提高勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)發(fā)電。如果充電指示燈用發(fā)光二極管時(shí)，必須配置相應(yīng)輔助線路，保證發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流在60～150 mA，或者直接采用1.5～3 W的小燈泡。

2.2 發(fā)電機(jī)軸承和碳刷損壞

客戶反饋發(fā)電機(jī)存在異響，此類故障多發(fā)生在粉塵工況比較多的地區(qū)。對(duì)此類故障件按如下步驟進(jìn)行分析：

1)第1步：對(duì)發(fā)電機(jī)故障件進(jìn)行拆檢分析。拆檢分析發(fā)現(xiàn)碳刷卡滯，磨損很嚴(yán)重；軸承內(nèi)部有異物，同時(shí)有卡滯、損壞的情況，故障件見(jiàn)圖4。

2)第2步：從發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)角度進(jìn)行分析。發(fā)電機(jī)滑環(huán)室由軸承和端蓋的內(nèi)腔共同構(gòu)成一個(gè)半開(kāi)放式空間(見(jiàn)圖3)。外置風(fēng)扇發(fā)電機(jī)在風(fēng)扇作用下，形成高低氣壓區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的軸向風(fēng)冷，風(fēng)向從發(fā)電機(jī)尾端至皮帶輪端。在氣壓差下，粉塵、泥水通過(guò)半開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的電機(jī)滑環(huán)室進(jìn)入碳刷滑環(huán)摩擦副工作空間，加劇了電刷磨損；此外，粉塵、泥水進(jìn)入軸承內(nèi)部會(huì)導(dǎo)致軸承潤(rùn)滑脂異常損耗，潤(rùn)滑不良，從而導(dǎo)致軸承卡滯、損壞，引起發(fā)電機(jī)異響。

綜上所述，半密封滑環(huán)室對(duì)發(fā)電機(jī)碳刷和軸承不能進(jìn)行有效防護(hù)，從而導(dǎo)致軸承和碳刷的損壞。

2.3 發(fā)電機(jī)發(fā)電電壓高

客戶反饋發(fā)電機(jī)發(fā)電電壓高，損壞蓄電池。此類故障多發(fā)生在煤礦區(qū)等環(huán)境中含較高硫元素的地區(qū)。

初步檢查發(fā)現(xiàn)，外觀無(wú)損壞，軸承無(wú)問(wèn)題。將發(fā)電機(jī)裝在性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行性能復(fù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)電壓較高，初步判斷為調(diào)節(jié)器失效。

對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行詳細(xì)拆檢分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)器內(nèi)部斷路失效，故障件如圖5所示。

圖5 調(diào)節(jié)器故障

從調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)角度進(jìn)行分析。此調(diào)節(jié)器內(nèi)部元器件的基板為陶瓷基板，導(dǎo)體為銀。在發(fā)電機(jī)處于高硫環(huán)境中使用，硫元素會(huì)透過(guò)膠密封滲入到發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器內(nèi)部。調(diào)節(jié)器內(nèi)部芯片銀導(dǎo)體層與外界硫元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成絕緣屬性的硫化銀，造成調(diào)節(jié)器斷路失效。調(diào)節(jié)器失效之后，無(wú)法對(duì)發(fā)電機(jī)電壓起到調(diào)節(jié)作用，所以導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的電壓偏高，造成蓄電池?fù)p壞。

2.4 發(fā)電機(jī)燒壞

客戶反饋發(fā)電機(jī)燒壞。此類故障多發(fā)生在收獲機(jī)上。

檢查故障件，可以看到秸稈等異物堆積在故障件后護(hù)罩，如圖6所示。

圖6 秸稈堆積在發(fā)電機(jī)后護(hù)罩

發(fā)電機(jī)的外置風(fēng)扇風(fēng)向從后護(hù)罩至皮帶輪。大量的秸稈等異物堆積在發(fā)電機(jī)后護(hù)罩，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)散熱較差。當(dāng)熱量累計(jì)到一定程度就會(huì)造成發(fā)電機(jī)燒壞，嚴(yán)重時(shí)可以引起明火，燒壞整車。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化、理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 接線方式優(yōu)化

針對(duì)客戶接線錯(cuò)誤問(wèn)題，對(duì)發(fā)電機(jī)電路進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的電路圖見(jiàn)圖7。

圖7 自勵(lì)磁發(fā)電機(jī)電路原理

發(fā)電機(jī)只需要接B+端即可。當(dāng)B+、D+外部線路不接指示燈時(shí)，B+、D+在發(fā)電機(jī)內(nèi)部是“W控制回路”和“LED回路”并聯(lián)的狀態(tài)。

起動(dòng)鑰匙處于“ON”擋時(shí)，“W控制回路”沒(méi)有動(dòng)作，只有“LED回路”打通，顯示LED燈亮；起動(dòng)鑰匙處于“START”擋時(shí)，“W控制回路”會(huì)隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的提升而動(dòng)作，當(dāng)W點(diǎn)的頻率到達(dá)一定值時(shí)，“W控制回路”開(kāi)啟，電流由B+到D+到轉(zhuǎn)子到“穩(wěn)壓回路”接地形成勵(lì)磁回路，同時(shí)“LED回路”被短路，LED燈熄滅。

此電路優(yōu)化可以有效解決客戶接線錯(cuò)誤問(wèn)題，同時(shí)降低設(shè)計(jì)和接線工時(shí)成本。

3.2 滑環(huán)室密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1 優(yōu)化

針對(duì)碳刷、軸承損壞，對(duì)發(fā)電機(jī)滑環(huán)室密封進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，優(yōu)化后的滑環(huán)室密封結(jié)構(gòu)如圖8所示。發(fā)電機(jī)的滑環(huán)室由軸承和端蓋的內(nèi)腔共同構(gòu)成一個(gè)半開(kāi)放式空間，再通過(guò)密封套和碳刷的刷盒對(duì)滑環(huán)室進(jìn)行全密封。這樣，粉塵、泥水等就無(wú)法進(jìn)入滑環(huán)室內(nèi)部。

圖8 滑環(huán)室全密封結(jié)構(gòu)

3.2.2 對(duì)比試驗(yàn)

對(duì)半密封式滑環(huán)室和全密封式滑環(huán)室抵抗風(fēng)沙的能力進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)方法：沙塵環(huán)境下進(jìn)行240 h耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 4942.1-2006《旋轉(zhuǎn)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的防護(hù)等級(jí)(IP代碼)分級(jí)》。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 3 000 r/min，電流為10 A；砂塵材料為滑石粉，顆粒大小為能通過(guò)400 目的篩，粉塵用量是1.4 kg/m3。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1～2。全密封滑環(huán)室的碳刷磨損量是半密封式滑環(huán)室的1/3，可以有效解決粉塵工況下碳刷和軸承的磨損及卡滯問(wèn)題。

表1 滑環(huán)室半密封發(fā)電機(jī)碳刷磨損試驗(yàn)

表2 滑環(huán)室半密封發(fā)電機(jī)碳刷磨損試驗(yàn)

3.3 調(diào)節(jié)器優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.3.1 優(yōu)化

針對(duì)調(diào)節(jié)器失效導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電壓偏高，蓄電池?fù)p壞，對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。將調(diào)節(jié)器內(nèi)部元器件由陶瓷基板改為鋁基板，銀導(dǎo)體改為銅導(dǎo)體。調(diào)節(jié)器內(nèi)部無(wú)銀材料，調(diào)節(jié)器內(nèi)部芯片的內(nèi)部元器件就不會(huì)與外界硫元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成絕緣屬性的硫化銀，造成調(diào)節(jié)器斷路失效。

3.3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)對(duì)比：將陶瓷基板(導(dǎo)體為銀)的調(diào)節(jié)器和鋁基板(導(dǎo)體為銅)的調(diào)節(jié)器浸泡在盛有硫磺的容器中，加溫至125 ℃進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，陶瓷基板(導(dǎo)體為銀)的調(diào)節(jié)器約96 h時(shí)出現(xiàn)硫化現(xiàn)象而損壞，如圖9所示；鋁基板(導(dǎo)體為銅)的調(diào)節(jié)器500 h后仍完好無(wú)損，各焊點(diǎn)正常，如圖10所示。優(yōu)化后的調(diào)節(jié)器可以在煤礦等含硫元素較高的環(huán)境下工作，無(wú)硫化現(xiàn)象。

圖9 陶瓷基板(導(dǎo)體為銀)調(diào)節(jié)器

圖10 鋁基板(導(dǎo)體為銅)調(diào)節(jié)器

3.4 收獲機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)用的發(fā)電機(jī)優(yōu)化

針對(duì)收獲機(jī)因秸稈覆蓋到發(fā)電機(jī)后護(hù)罩導(dǎo)致發(fā)電機(jī)散熱不良造成的發(fā)電機(jī)燒壞，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。發(fā)電機(jī)外殼后端切除3部分，增加3塊相應(yīng)的側(cè)面護(hù)網(wǎng)，后端粗孔護(hù)蓋改為細(xì)孔護(hù)蓋，不改變發(fā)電機(jī)現(xiàn)有尺寸邊界。優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)外觀及解決散熱不良的原理如圖11所示。發(fā)電機(jī)后端護(hù)蓋改為細(xì)孔后，秸稈等異物不易進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部。發(fā)電機(jī)散熱的風(fēng)向從尾端至皮帶輪，發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇為吸風(fēng)風(fēng)扇，表現(xiàn)在發(fā)電機(jī)上就是冷卻風(fēng)扇氣流(見(jiàn)圖11)，即風(fēng)向從發(fā)電機(jī)皮帶輪至尾端，此冷卻風(fēng)扇氣流可以將靠近發(fā)電機(jī)外殼側(cè)面護(hù)網(wǎng)的秸稈等異物吹走，使發(fā)電機(jī)散熱更好，解決了收獲機(jī)行業(yè)因秸稈覆蓋到發(fā)電機(jī)后護(hù)罩導(dǎo)致發(fā)電機(jī)散熱不良而造成的發(fā)電機(jī)燒壞問(wèn)題。

圖11 發(fā)電機(jī)外觀及散熱原理

4 結(jié)論

為提高客戶滿意度，提升非道路發(fā)動(dòng)機(jī)用發(fā)電機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量，建議根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)使用的環(huán)境工況選擇合適的發(fā)電機(jī)，可以全部采用只需要接B+端的發(fā)電機(jī)，粉塵工況嚴(yán)重的地區(qū)可以采用滑環(huán)室全密封的發(fā)電機(jī)，煤礦區(qū)等含硫元素較高的環(huán)境可以采用抗硫化版(類似于鋁基板+銅導(dǎo)體路線)調(diào)節(jié)器的發(fā)電機(jī)，收獲機(jī)行業(yè)可以采用側(cè)面開(kāi)孔的發(fā)電機(jī)。若上述環(huán)境有重疊的情況，可以將上述優(yōu)化方案根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境結(jié)合在一起，使發(fā)電機(jī)更加適應(yīng)非道路發(fā)動(dòng)機(jī)使用環(huán)境，提升客戶滿意度。