APM列車電機碳刷磨損率超標的原因分析及解決方法

孫海龍

摘要：旅客捷運系統（automatedpeoplemover）是一套無人自動駕駛、立體交叉的大眾運輸系統，其組成包括列車、軌道及中控三大部分。這個鐵路名詞通常只形容在范圍狹小的地區所運行的低載量鐵路運輸，例如機場、城市商業區或主題公園的鐵路運輸。2008年國內首條旅客捷運系統（APM）在首都機場三號航站樓正式啟用，全天24小時不間斷運行，致力于為旅客提供便捷的出行體驗。APM列車驅動系統方面采用傳統的有刷直流電機，每列車共兩臺為其提供動力，全年最多行駛十二萬公里。長年高負荷運轉勢必影響電機使用壽命，這其中最為顯著的問題就是電機碳刷磨損率異常超出標準值，碳刷更換周期明顯大幅縮短為運行埋下了安全隱患。找到磨損率超標的原因及解決辦法才能防患于未然，變被動為主動，堅守民航安全。

關鍵詞：磨損率;同心度;平整度

1. 緒論

1.1 旅客捷運系統介紹

旅客捷運系統（_utom_tdcpdopldmovdr）是一套無人自動駕駛.立體交叉的大眾運輸系統，其組成包括列車.軌道及中控三大部分。旅客捷運系統（APM）作為首都機場三號航站樓樓宇間重要的交通運輸系統起著必不可少的作用（見圖1.1）。

2.3異常電機狀況匯總

同時期在對7臺異常電機調查中發現碳刷磨損率均高于標準值0.3mm/1000km，最低的是BCPB-012電機，數值為0.65mm/1000km，磨損率最高的是BCPA-022電機，數值為0.87mm/1000km（見圖2.3），7臺電機磨損率平均值為0.76mm/1000km。所以目標設定將原7臺電機碳刷磨損率降低到標準值0.3mm/1000km以下。

1.2 研究背景

首都機場APM列車每年共安全行駛約140萬公里，目前現場18輛車共36臺電機中已有7臺碳刷磨損程度偏高超出廠家規定的行業標準，用磨損率表示即磨損量與產生磨損的行程或時間之比。電機碳刷磨損率超標按照廠家要求需返廠檢驗維修，但是捷運系統每天承載著重要的旅客進出港任務，若返廠維修會導致列車運力下降，運行壓力劇增，并且當下新冠疫情期間返廠周期較長。為保障運行，若購買新電機進行替換，每臺電機價格在80萬人民幣左右，價格昂貴。為了解決上述問題，必須找出電機碳刷磨損率超標的原因及解決辦法。

2.1所有電機的整體現狀

在對部門18輛列車的36臺電機運行里程數據統計發現，有7臺電機因磨損率偏高超出維護手冊中的標準值0.3mm/1000km，若強制運行勢必存在極大風險。剩下的29臺電機碳刷磨損率良好，均未超過標準值，其占總電機數量的81%（見圖2.1）。

2.2正常電機狀匯總

3 異常電機碳刷磨損率超標的原因分析

3.1 同心度超標

同心度即插芯內徑距離整個圓心的偏移程度。

查閱維護手冊中電機的制造結構，有以下四種原因會導致碳刷磨損率偏高，即同心度超標.碳刷卡簧拉力值低.碳刷與刷握間隙過大.換向器軌道平整度超標。首先對電機同心度超標檢驗，參照手冊提供的標準，同心度變化小于0.1mm屬于正常。在對同時期電機同心度的現場測量中發現，1組中7臺異常電機與2至5組中29臺正常的電機同心度均符合標準未發生變化，所以排除同心度超標的可能。

3.2 碳刷卡簧拉力值低

其次電機結構的另一部分就是壓制碳刷的卡簧，參照手冊提供的標準隨后對同時期的29臺正常電機碳刷磨損率進行統計匯總，并與維護手冊的標準值對比（見圖2.2）。

卡簧拉力應在2.72至3.18千克（6至7磅）之間。同時期對36臺電機的卡簧拉力用測力計進行測量，結果顯示所有電機的卡簧拉力值都在正常范圍之內。1組中7臺異常電機的卡簧拉力分別是6.34磅.6.44磅.6.88磅.6.67磅.6.76磅.6.55磅.6.48磅，因此排除碳刷卡簧拉力值低的可能。

3.3 碳刷與刷握間隙過大

電機中使碳刷固定的部分叫刷握，其與碳刷間隙過大會導致磨損率異常。參照手冊提供的標準，碳刷與刷握內壁的間隙在0.1-0.3mm之間屬于正常。同時期對7臺異常電機與29臺正常電機的碳刷與刷握內壁間隙用塞尺進行測量，發現1組7臺異常電機與其它組正常電機的間隙均在正常范圍之內，因此排除碳刷與刷握間隙過大的可能。

3.4換向器軌道平整度超標

平整度即突起表面與絕對水平之間的差值。

電機的另一個主要組成部分是換向器，換向器的平整度對碳刷磨損率也起著決定性作用。參照手冊提供的標準，換向器表面軌道平整度小于等于0.1mm屬于正常范圍。同時期對7臺異常電機與29臺正常電機進行測量，結果顯示1組中7臺異常電機的軌道平整度均大于0.1mm，而2至5組中29臺正常電機的軌道平整度均在正常范圍，因此可以肯定換向器軌道平整度超標是碳刷磨損率異常的主要原因。

4 電機碳刷磨損率超標的解決方案

4.1 方案制定

通過四種對策的比較，用專用打磨工具和400號砂紙都是可行的，但從技術專業程度考慮，前者可以將軌道表面修復的更加完善，不足之處是需要采購設備不能立即執行。后者操作簡單打磨效果差，可以現場立即執行。最后從長遠抓系統建設的思路考慮要保證設備修復具有長久的時效性，不能經常返工，所以采用專用打磨工具是最佳選擇。

4.2 方案實施

電機打磨的四個步驟∶

（1）將專用打磨工具固定在電機上與換向器軌道貼合：（2）電機外接恒流源供電，將轉速控制在10m/s上下：

啟動恒流源保持電機轉速，按壓打磨工具對軌道表面進行研磨，力量不可過大，接觸即可：

打磨完成后使用高壓風槍（注∶壓力不能超過80PsI）對電機進行清潔以保證換向器軌道無雜質：

（5）用軌道平整度測試設備對其檢測，檢驗打磨效果。

4.3方案實施前后效果對比

這里對7臺電機打磨前后的換向器軌道平整度進行了統計。由這些數據統計可見電機在進行打磨之后軌道平整度下降到0.1mm之內的正常范圍（見圖4.1）。

5方案實施后的效果檢查

5.1 列車運行1000公里后的電機碳刷磨損狀況

為了檢驗項目是否達到了預期的目標，這里對7臺打磨過的電機碳刷磨損率進行跟蹤驗證（見圖5.1），列車運行1000公里后電機碳刷磨損率均在0.3mm/1000km以內。

5.2 列車運行2000公里后的電機碳刷磨損狀況

根據統計，這7臺電機的碳刷磨損率有效控制0.3mm/1000km的范圍內，目標達成。隨后繼續進行跟蹤，對電機運行2000公里后碳刷磨損率進行再次統計（見圖5.2），其數值在標準值內。

5.3 列車運行3000公里后的電機碳刷磨損狀況

由統計圖看出，電機在運行2000公里后碳刷依然保持在標準范圍0.3mm/1000km內，目標達成。最后電機運行3000公里后對碳刷磨損率做最終統計，查看效果保持情況（見圖5.3）。

5.4 三次電機碳刷磨損狀況對比

電機運行3000公里后碳刷磨損率呈現極小范圍的波動，但仍舊穩定保持在標準范圍內。這里把三次跟蹤測試的結果統一匯總觀察其波動范圍（見圖5.4）。由匯總圖看出，7臺電機碳刷磨損率有效保持在0.3mm/1000km范圍內，項目目標達成。

6完善電機檢查工單的內容

為了日后再次解決電機碳刷磨損率超標問題，必須采取標準化的制定，修改電機檢查工單，增加換向器軌道打磨項目。

7 電機碳刷磨損率超標問題解決后的效益

7.1 經濟效益

APM列車牽引電機返廠維修單臺成本10萬元人民幣，維修好7臺電機共節約資金70萬元。若購買新電機進行更換每臺電機80萬元，7臺共計560萬元。

7.2 社會效益

首先，電機返廠維修需耗時數月，返廠后列車不能使用必然導致系統運力下降。其次，購買新電機也需要數月之久，繼續使用異常電機運行存在較大安全隱患，兩種方案皆會對首都機場整體運營帶來不利影響。盡快找出電機故障原因及解決辦法才是最佳選擇，繼續保持良好的運行態勢勢必帶來持續好評。同時北京2022年冬奧會即將舉辦，保障期間列車高品質的運行體驗也將進一步打造捷運系統安全.高效.便捷的品牌形象。

8 結束語

APM列車電機碳刷磨損率超標是電機使用過程中較為常見的問題，故障顯現時間不可預估，列車運行幾十至上百萬公里皆有可能發生，唯一有效應對的措施就是制定一套完備的故障處理方法，未雨綢繆。這樣才能保證捷運系統安全平穩運行，堅守航空安全底線。同時故障處理方法也在隨著當前科學技術發展在不斷修改完善，每次重新研究都有不一樣的發現。本論文在符合科學嚴謹的學術研究態度下還是略有不足之處，敬請讀者指正共同學習。

參考文獻

[1] 李發海，朱東起.電機學.科學出版設.2021.

[2] 孫旭東，王善銘.電機學學習指導.清華大學出版社.2007.

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