電動輪汽車主發電機集電環異常磨損分析及處理措施

嚴 強

(江西銅業集團公司德興銅礦， 江西 德興市 334224)

電動輪汽車主發電機集電環異常磨損分析及處理措施

嚴 強

(江西銅業集團公司德興銅礦， 江西 德興市 334224)

針對德興銅礦830E電動輪汽車GTA41主發電機運行中出現的集電環、碳刷異常磨損情況進行了深入的成因分析，闡述了幾類異常情況的檢修處理方法，提出了GTA41主發電機維護保養改善措施，為快速判斷和檢修該類型主發電機異常情況提供了借鑒。

電動輪汽車；主發電機；集電環；碳刷；磨損

0 引 言

德興銅礦830E電動輪汽車標配的5GTA41主發電機有兩種作用，其中三相主繞組輸出的電提供給兩臺GEB25交流牽引電動機使用，第三繞組輸出的電提供給發電機自身勵磁使用(見圖1)。

內外兩圈集電環(滑環)是主發電機的重要部件，新車出廠時的發電機，靠近發動機端集電環為正極集電環，另一圈為負極集電環。集電環過度磨損，會使碳刷與集電環磨面接觸不良，使之溫升過快、集電環與云母環間產生位移(見圖2)，導致發電機勵磁繞組開路，對電動輪汽車運行造成安全隱患，增加了維修成本。

圖1 主發電機

圖2 集電環(滑環)

1 5GTA41主發電機碳刷磨損異常原因

常見的5GTA41主發電機碳刷磨損異常的原因有以下幾種：

(1) 壓簧壓力。各點位的壓簧壓力不均，需要調整壓簧壓力，保持各點位碳刷的壓力均衡適中。壓力過小，碳刷和集電環磨面接觸不良，容易引起電弧，使電氣磨損增大；壓力過大，碳刷磨面的硬粒對集電環磨面刮割嚴重，又會使機械磨損增加。

(2) 碳刷材質。不同標號的碳刷成分構造不同，自磨損率也不同，需將自磨損率控制在15%以內；選擇同種標號的碳刷可以有效控制碳刷自磨損率的不均。實踐中最好是使用同一廠家標號統一的碳刷。

(3) 碳刷架的影響。碳刷架調整裝配不當，造成碳刷與集電環之間是點或線接觸，而不是面接觸；需要重新調整刷握，使之與集電環保持平行。另外刷盒變形導致碳刷在發電機運行時卡阻，會導致磨面接觸不良產生火花，需要打磨或更換刷盒。

(4) 集電環磨面的影響。發電機在運行時，集電環的磨面上會形成一層碳和金屬的氧化膜。氧化膜有極佳的潤滑性能，因為這層氧化膜的存在，改變了碳刷與集電環磨面的特性，有效減少了磨擦系數，降低了磨面磨損，延長了使用壽命。集電環表面的光潔度越高，其摩擦系數越小，碳刷的磨損率就越低，當集電環磨面有凹凸不平時，除排查形成原因外，還需對集電環進行打磨處理，實踐中采用與碳刷大小一致的油石安裝到刷盒內，空載運行發電機。另外集電環失圓造成碳刷與集電環磨面接觸不良也會造成碳刷磨損異常，處理方式與集電環的凹凸不平一樣，嚴重時需要對集電環進行光刀處理。

(5) 控制系統異常或勵磁繞組損傷。需要定期檢查830E電動輪汽車閉環負反饋系統回路和繞組絕緣電阻直流電阻值。通常在1000 h整車電氣維護保養時下載控制電腦板內統計數據，查閱分析牽引和電制動工況下的主發電機第三繞組電流和勵磁電流有無異常，并及時處理。

(6) 機械損傷的影響。發電機軸承缺油或軸承損傷，轉子動平衡異常，發動機磨損過大等機械因素，也會造成碳刷及集電環磨面磨損異常。

(7) 電流方向的影響。正極碳刷流過的電流要比負極碳刷流過的電流大，因而正極碳刷磨損要比負極碳刷磨損大。

2 電流方向對集電環和碳刷的影響分析

某臺830E電動輪汽車在使用3200 h時主發電機出現碳刷磨損異常，發現系混用了不同標號的碳刷(偏軟的41A330412P1/R318和偏硬的41A330412P2/ R320)造成，更換了全部6只新碳刷。并對其他同型車也進行了檢查，未發現不同標號碳刷混用現象。改正后大約使用2000 h(累計5000～6000 h)時，10臺830E電動輪汽車5GTA41又陸續出現了碳刷磨損不一致，清除集電環附著的碳粉，并按標準程序安裝了新碳刷后，僅運行500～1000 h就發現集電環內環或外環磨面中間磨出較深的一圈凹槽。對此現象進行分析，排除其他各種因素后，對調了兩根勵磁電纜接線，打磨了集電環磨面。跟蹤觀察了5500～6000 h左右才又出現碳刷磨損異常。

勵磁電流通過集電環磨面時，存在電氣磨損和機械磨損。運行中的主發電機其接觸面不斷變化，電流密度大，電弧放電，集電環溫升快，特別是集電環中間溫度更高，勵磁電流由碳刷流入流出集電環表面，碳刷和集電環由于電流方向不同會出現極性差別。在電弧密集和高溫作用下，會使集電環的中間磨面局部熔化、脫落，形成金屬蒸汽，碳刷受氧化腐蝕而脫落，這就是典型的電氣磨損，稱為“正極蒸發”；負極受高溫作用和正離子撞擊而發射電子，使負極磨面也遭受破壞，稱為“負極粉化”。

當主發電機勵磁回路沒有電流時，碳刷磨面上的粗硬粒子易嵌入滑環表面，引起較大的機械磨損，甚至引起摩擦振動。受到正極蒸發和負極粉化的影響，當流過電流時，碳刷表面的粗硬粒子被炸裂、粉化，沾在表面，減小摩擦，使機械磨損減小，并使碳刷運行十分平靜。所以，在正常電流情況下，電流對減小機械磨損還有好處。但是，如果電流密度過大，則正極蒸發嚴重，會使電氣磨損加劇。而電氣磨損加劇后，使集電環磨面粗糙化，碳刷磨面附著金屬粉，又會增加機械損耗，所以通過碳刷的電流密度應有一個限度。

當電流由碳刷流入集電環時，碳刷為正極，集電環為負極，碳刷磨面發生正極蒸發，碳粒、石墨離子遷移到集電環磨面，碳刷電氣磨損大、機械磨損小，集電環的電氣磨損和機械磨損都小。

當電流由集電環流入碳刷時，碳刷為負極，集電環為正極，碳刷磨面發生負極粉化，并附著碳粒、石墨，集電環呈潤滑、光澤的碳金屬氧化膜狀態。集電環磨面發生正極蒸發，大量金屬蒸發，使金屬粒子容易以類似于電鍍方式的離子狀態移動附著在碳刷磨面，使得集電環磨面磨損加劇，出現條痕。這種情況下，碳刷電氣磨損小、機械磨損大，集電環的電氣磨損、機械磨損都大。 因為正集電環電流由碳刷流向集電環，碳刷正極性，集電環負極性，故正集電環磨損小；反之，當碳刷為負極時，負集電環磨損大。

3 檢測維護措施

綜合以上分析，實踐中為了使集電環磨損均勻，并形成良好的運行性能，對于5GTA41主發電機檢修維護采取了以下措施：

(1) 德興銅礦830E電動輪汽車標配的QSK60發動機下機大修是18000 h左右，發電機軸承使用壽命是25000 h左右，綜合生產和維修成本考慮，正常運行的主發電機18000 h與發動機同步下機檢修，更換軸承并測試繞組的電氣性能，檢測并處理集電環的同心度與光潔度。

(2) 每運行4000～5000 h調整勵磁極性，在電氣控制柜內對調兩根進出勵磁電纜接線。同時對軸承潤滑脂進行補充或更換，并測試軸承性能。

(3) 集電環氧化膜的形成是需要與碳刷進行一定時間磨合的，為了保護集電環磨面氧化膜，出現碳刷磨損異常時，如無必要不建議將全部碳刷換新。正常的碳刷使用壽命在2500～3000 h，每運行200 h，檢查碳刷與整流子磨面磨損情況，1000 h檢查壓簧壓力。

(4) 安裝新碳刷前須將碳刷磨面預磨成與集電環磨面相配合的弧度。安裝完磨好弧度的碳刷后空載運行發電機0.5 h(為了減少發動機積碳，建議轉速控制在750～1950 r/min間變化，不要恒定在某一轉速，特別是低怠速)，發動機計時24 h內該輛電動輪汽車裝載作業控制在85%載重范圍內，24 h后恢復正常100%裝載作業。

[1]蒲宏彬，胡秀華.發電機集電環發熱現象淺析及處理意見[J].黑龍江科技信息，2009(26):19.

[2]劉向祖，趙文東，王志云.發電機集電環發熱現象及處理方法[J].河北工業科技，2008(03):132￣133,147.

[3]唐春海，劉肖兵.發電機集電環發熱現象的分析及處理方法[J].黑龍江科技信息，2010(05):16.

[4]劉西影.淺談發電機碳刷、滑環發熱及處理意見[J].能源技術與管理，2010(02):124￣125.

[5]瞿舜吾.淺談發電機集電環裝置故障的應急處理[J].黑龍江科技信息，2010,1(31):22.(收稿日期：2017￣10￣12)

嚴 強(1977-)，男，江西廣豐人，助理工程師，主要從事金屬礦山開采電氣設備維護維修工作,Email：609000058@qq.com。