機電碳刷彈簧彈力測量裝置創新設計

王幫艷，戶建軍

（襄陽航泰動力機器廠，湖北 襄陽 441002）

直流電機運行的可靠性很大程度上取決于電刷組件性能，而電刷組件中刷握架和電刷是恒量，變量為渦卷彈簧對電刷的壓力。如果渦卷彈簧對電刷壓力過大，將加劇電刷磨損速度和產生較大火花而引起事故，如果渦卷彈簧對電刷壓力過小，將無法保持電刷電樞的恒定接觸，工作可靠性降低[1]。因此，我們在模擬電刷組件工作狀態的條件下，提供一種設計合理、使用便捷、工作效率高的電刷組件測量裝置，確保渦卷彈簧測力準確可靠。

1 研究背景

在我單位的某新型發動機直流電機修理技術條件中有明確規定：直流電動機在故檢時，需要在標準壓緊位置測電刷渦卷彈簧壓力，如果超出規定范圍的產品，需作報廢處理。承制廠是在單獨的刷握架組件上測量彈簧力后再組合裝配于前端蓋組件上，并采用磁漆漆封，禁止對其拆卸。為此，作者曾到航空發動機電機承制單位進行技術調研，其給出的明確答復是無法在組合件上測量渦卷彈簧力，他們的測量方式為：采用彈簧秤將渦卷彈簧拉至規定的數值后，再用塞尺去測量與固定位置的間隙值。這種測量方法操作不方便，讀數不直觀，因此，我們必須立足于既有技術條件，模擬電刷組件工作狀態，創新航空發動機電刷組件的故檢及修理檢測技術，提供一種設計合理、使用便捷、工作效率高且測量方便準確的電刷組件測量方法和裝置，以確保新型航空發動機的修理質量和修理進度[2]。

2 研究方法

2.1 結構、材料分析

電刷組件將外部電流（勵磁電流）通過碳刷而加到轉動的轉子上（輸入電流），碳刷是電機傳導電流的滑動接觸體，和換向器配合來實現電機電流換向。為了保持碳刷與轉動電樞的恒定接觸，就需要由具備儲能功能的渦卷彈簧來提供動能。為了確保電機的工作可靠性，渦卷彈簧采用60Si2MnA的合金彈簧鋼帶狀材料，通過等溫淬火加回火的熱處理工藝后，該材料具有較高的強度和彈性極限，也具有較高的屈強比、較高的抗松弛能力和回火穩定性，特別是其疲勞壽命將顯著提高。

2.2 判斷標準

電刷使用性能良好的標志應該為：A.在換向器或集電環表面能較快形成一層均勻、適度和穩定的氧化薄膜；碳刷的使用壽命長，并且不磨損換向器或集電環；B.碳刷具有良好的換向和集流性能，使火花抑制在允許的范圍內，并且能量損耗小；C.電刷運行時，不過熱、噪音小、裝配可靠、不破損；碳刷裝入刷握架內要保證能夠上下自如的移動，碳刷與刷握架內壁的間隙在0.05～0.15mm之間，以避免碳刷和刷握之中因間隙過大產生擺動；D.刷握架下邊緣距電樞表面應該保持適當的距離，如距離過小，刷握架容易觸傷換向器，距離過大，碳刷易振動而導致破損；E.施于同一臺電機各碳刷的單位壓力應力求均勻，以免電流分配不均，導致個別碳刷產生火花，對于轉速較高的電機或振動條件下工作的電機，應適當提高單位壓力來保證正常工作,通常碳刷單位壓力過高，使碳刷的磨損加劇，單位壓力過小，接觸不穩定，容易出現機械火花[3]。

2.3 工作方式

電刷組件中刷握架和碳刷是恒量，變動量為渦卷彈簧對碳刷的壓力，因此準確測量渦卷彈簧對碳刷的壓力成為影響電刷組件工作可靠性的關鍵。渦卷彈簧為阿基米德螺旋線型（見圖1），彈簧圈數多，變形角度大，主要特點是體積小、載荷大、變剛度，廣泛應用于空間小、承受交變載荷的場合和減震裝置。彈簧一端固定，另一端承受外加扭矩，在扭矩作用下彈簧材料產生彎曲彈性變形，其變形角的大小與扭矩成正比，在垂直于其軸向的平面內，形成扭轉力矩，借以儲存能量。目前通用的電刷彈簧測力采用彈簧秤人工操作，由于人工每次用力不易控制，造成測力時每一件電刷彈簧的拉動角度不一樣，這就影響力的精度和準確性，另外還存在操作工人勞動強度大和工作效率低等問題。

圖1 渦卷彈簧

2.4 方案制定

為解決新機試修過程中的技術瓶頸，保障飛行訓練需求，縮短武器裝備在廠大修時間，通過對電刷組件的工作原理及渦卷彈簧彈力的測量方法進行研究，設計一套測量裝置，通過標定合格的定量值砝碼和電指示燈配合，能夠保證每一次測量時電刷彈簧的扭轉角度相同，從而保證測量的準確性和一致性，采用指示燈能夠直觀地顯示電刷彈簧在所要求的位置時，對碳刷產生的壓力是否在規定的范圍，而且是在模擬工作狀態下的測量值，減少了使用過程中的變量，確保其工作穩定性[4]。

3 設計渦卷彈簧彈力測量裝置

擬定技術難點，構思設計方案：克服行業內渦卷彈簧電刷組件模擬工作狀態下張力測量不便的技術難題，提供一種設計合理、使用方便、工作效率高、直觀且測量方便準確的電刷彈簧測力裝置。針對方案的技術難點，對電刷彈簧測力裝置進行逐一分解細化。

（1）傳統的測量方法是在單獨的刷握架組件上進行測量，僅需將刷握架固定，采用彈簧秤檢測碳刷壓臂壓力在規定范圍內，再用塞尺去檢測0.5mm間隙即可。采用這種方法在禁止拆卸的前端蓋組合件中無法施行，并且測量不準確，因此，新設計的渦卷彈簧測量裝置必須克服測量時定位、施力等方面的約束。

（2）為了克服測量不直觀、操作不便捷的技術難題，設計時模擬電刷組件的工作狀態及碳刷的導電特征，將極限狀態的彈力值通過低壓電源指示燈直觀地顯現出來，原理為：a.工藝碳刷、電極棒形成通路，連接24V電源及電源開關、指示燈；b.使用時先添加已標定合格的下極限值的砝碼，此時指示燈亮，繼續添加砝碼，使工藝電刷與電極棒脫開，指示燈滅，零件即為合格；c.如果施加下極限值的砝碼時指示燈滅或者添加砝碼一直到上極限值時指示燈仍亮，零件即為不合格。采用了能夠導電的黃銅材料制作工藝碳刷，其外四方的尺寸與碳刷一致，與刷握架方孔的配合間隙保持為0.05mm～0.1mm，既保證能夠上下自如的移動，又不至于測量時發生偏斜；其長度尺寸保證在刷握架安裝位置上平面的0.5mm處，與技術條件要求一致（見圖2）。

圖2 彈力測量裝置

（3）為保證測量時施加砝碼的重力不受刷握架的干涉，根據絕緣模壓電刷環組件與刷握架方孔60°的角度位置關系，設計定位座保持測量時安裝位置的唯一性，且工藝碳刷安裝孔的軸線與施力砝碼中心一致。

（4）為保證測量裝置的穩定性和精確度，基座采用球墨鑄鐵材料，精加工各安裝面和基準孔，電極棒與基座聯接部分采用電膠木隔離，防止基座導電。

（5）電機試驗，檢查電刷組件工作可靠性。將電機安裝到性能試驗器上，連接好電機電源線，起動電機，調節直流電源電壓為28.5V，調節力矩至額定轉矩0.147N.m，工作30分鐘后，檢查電機額定電流不大于10A，額定轉速為6300～6900r/min，拆下電機防護罩，在額定狀態下運轉，檢查換向器火花等級應不超過規定級別。

4 測量裝置的創新點

（1）該裝置解決了行業內渦卷彈簧電刷組件的組合修理及測量技術難題，將極限狀態的彈力通過低壓電源指示燈直觀地顯現出來，彌補了航空發動機電機修理故檢技術上的空白。

（2）積極開展工藝研究，從航空修理深修精修的角度，注重分解細節、修理的要點、裝配的手段、實驗的參數等，合理利用資源，修舊如新，確保電刷組件的工作可靠性。

（3）電刷組件包含有絕緣膠木、銅合金、合金彈簧鋼、石墨等材質，通過測量研究，能有效保證這些材料的再利用，為推動裝備可持續發展提供了新途徑，在節能環保方面做出較大貢獻。

（4）相比于國內同行業的其他渦卷彈簧檢測方法和手段，該裝置在不允許拆卸刷握架的條件下，模擬其工作狀態下檢測渦卷彈簧壓力，測量精確，工作效率高。

5 結語

相比于國內同行業渦卷彈簧的檢測方法和手段，本研究通過對電刷組件功能模式及故障機理加以分析，設計專用測量裝置，根據電刷組件的工作狀態及碳刷的導電特征，將極限狀態的彈力通過低壓電源指示燈直觀地顯現出來。克服傳統測量方法中操作不方便，讀數不直觀，且容易產生誤判的技術風險，模擬其工作狀態下檢測渦卷彈簧壓力，測量精確、工作效率高。組合式電刷渦卷彈簧測力方法及測力裝置的設計思路，可以推廣應用于航空、汽車、機床設備等機電行業。