新型恒壓電刷裝置在涂裝電泳工藝中的應用

夏 忠，沈 斌

（北京汽車股份有限公司株洲分公司，湖南株洲 412000）

0 引言

北京汽車股份有限公司株洲分公司電泳采用水溶性溶劑為介質，將金屬車身浸漬在溶劑中，對擺桿吊具及車身和溶劑槽加高壓直流電源，溶劑為陽極。電泳擺桿輸送機輸送車身在溶劑槽前進過程中，通過擺桿吊具電刷與陰極母排接觸，使溶劑電離，將電泳涂料均勻吸附在車身表面形成電泳漆薄膜，沉積在車身表面。

原有電泳電刷裝置使用錫青銅彈片為支撐，頂部安裝導電的銅質電刷，錫青銅彈片既是彈性支撐體又是導電體。在運行過程中錫青銅彈片要導通400～900 A 的電泳電流，連續通過長48 m 的陰極母排。正常情況下電刷與母排的接觸壓力最合適范圍是0.1～0.15 MPa（10～15 N/cm2），才能有效保證電泳的穩定性。出現不穩定的電流會影響車體涂前電泳的穩定性，錫青銅彈片在導通電流時會因發熱而軟化，失去原有彈性壓力，壓力過小，接觸面小，容易在電刷與母排間產生間隙，電阻增大，其結果是還有可能出現打火，導致電刷出現電磨損，電泳電流不穩定，電鍍效果不均勻。壓力過大，雖然導電好些，但也帶來一些副作用，電刷磨損較快，在母排連接點沖擊大，造成刷體崩裂，停機更換麻煩，影響生產。電刷問題已經引起多起設備事故，造成多輛車身報廢，影響較大，并且檢修過程中投入大量人力、物力和財力。為此，對原電刷進行改造設計，研發出一種新型恒壓電刷裝置，2016 年投運。

1 原電刷裝置情況

1.1 設計缺陷

銅質電刷與錫青銅彈片的連接方式為固定式連接，該結構決定了裝置導電體兼顧彈性體雙重功能。當銅質電刷在與母排導入后，在母排全程48 m 接觸過程中承載400～950 A直流電流，持續672 s，致使彈性體錫青銅彈片因過熱發生蠕變軟化，失去彈性后造成電刷與母排的接觸電阻陡然增大，直接造成陰極和陽極間的極間引弧，引起電泳電流大幅波動，導致車身電泳質量不穩定。同時因銅質電刷與錫青銅彈片的連接方式為固定式連接，電刷在導入母排后不能自由浮動，使得電刷與母排接觸為線接觸，電密瞬間升高，極易打火，甚至直接燒毀銅質電刷，造成該裝置出現維護頻次高等諸多問題。

原電刷裝置組如圖1 所示。該結構設計缺陷為彈性體與導電體共用，即電刷和錫青銅彈片通過螺釘連接固定，在接觸陰極母排后，裝置的彈性體錫青銅彈片在連續承載400～950 A 電流后，會在較短周期內發生過熱蠕變失去彈性。

圖1 原電刷裝置組

1.2 原裝置設計缺陷的運行工況測算

裝置銅片運行時的發熱量對彈片彈力的影響：根據Q=0.24I2Rt，I=900 A，R=33 Ω，t=672 s，得Q=4.3×109J。在電刷通過母排全過程672 s 后，銅制彈片溫升至80～85 ℃，該溫度下銅片彈性系數E 明顯下降。現場測得此時銅片壓力為0.02 MPa（0.2 kg），遠低于設計壓力（初始）0.1～0.15 MPa（1～1.5 kg）的最佳值。

2 總體方案設計

傳統形式電泳電刷裝置存在問題的原因是電刷與導電錫青銅彈片為固定式連接。為此，新型恒壓電泳電刷裝置采取彈性體與導電體為獨立絕緣隔離結構，電刷與彈性體連接為浮動連接的設計方式。

新型結構主要分為3 個部分：①恒壓電刷裝置的彈性支撐體設計；②恒壓電刷裝置的浮動導電元件設計；③彈性支撐體與導電體絕緣隔離結構設計。

2.1 恒壓電刷裝置的彈性支撐體設計

恒壓電刷裝置按照下列參數設計：電泳鏈速度6 m/84 s，電刷接觸壓力0.15 MPa（15 N/cm2），電泳陰極母排長48 m，環境溫度15～40 ℃，電流400～900 A，電壓120～280 V。恒壓電刷裝置彈性支撐體如圖2 所示，刷臂導入母排后，以銷軸為中心可以做圓周擺動。

2.2 恒壓電刷裝置的浮動導電元件設計

恒壓電刷裝置的浮動導電元件如圖3 所示。電刷導入母排后可繞浮動銷軸轉動，電刷臂可繞擺動銷軸擺動，這樣能實現裝置電刷與母排之間浮動，實現完整有效的面接觸。

圖2 恒壓電刷裝置彈性支撐體

圖3 恒壓電刷裝置的浮動導電元件

2.3 彈性支撐體與導電體絕緣隔離結構設計

彈性支撐體與導電體絕緣隔離結構如圖4 所示。（導電體）鋯銅石墨電刷、銅制軟連接上部由螺釘連接，下部至陽極吊具安裝板由螺釘連接。（導電體）鋯銅石墨電刷、銅制軟連接與彈性支撐體的刷臂座底部之間由（絕緣體）環氧樹脂板做了絕緣隔離處理。（導電體）鋯銅石墨電刷與陰極母排接觸后，因彈性支撐體與之作了絕緣隔離處理，電流不會通過彈性支撐體造成彈簧過電流，實現恒壓力接觸運行。

2.4 實用新型電泳電刷裝置（圖5）

（1）彈性支撐體通過擺動銷軸和浮動銷軸連接，電刷接觸陰極母排后可自由浮動，實現電刷與母排的面接觸。

圖4 彈性支撐體與導電體絕緣隔離結構

圖5 實用新型電泳電刷裝置

（2）導電體銅制軟連接與彈性支撐體底部之間由環氧樹脂板做了絕緣隔離處理，使彈性體的彈性元件彈簧不會導通電流退火失去彈性，實現恒壓力接觸陰極母排運行，避免接觸電阻增大引弧燒毀電刷的故障，穩定了電泳電流和車身電泳質量。

3 實用新型電刷裝置實際運行效果

2016 年7 月完成全部67套裝置的改造安裝，投產至今運行一年半跟蹤驗證，工況完全滿足生產工藝要求，車身電泳質量穩定，大幅度降低了維護成本和時間。