礦用自卸卡車發電機集電環故障分析

蔡 曉，王 鑫，丁 新，黨亞男，張江濤，張曉強，李 廬

中車永濟電機有限公司 山西永濟 044502

G TA22 同步主發電機作為平朔安太堡露天煤礦運輸卡車的動力源，在卡車電傳動系統中承擔著整車主電源的供給，一旦發生問題，卡車就無法運轉。小松 730E 卡車運行工況惡劣，且 GTA22 集電環經常出現開路故障，影響行車安全及卡車出勤率，造成生產中斷，帶來經濟損失。

1 礦用自卸卡車電傳動系統

露天煤礦 730E 自卸卡車電傳動系統由 1 臺柴油機、1 臺 GTA22 主發電機、2 臺 GE788 電動輪直流電動機及控制單元組成，如圖1 所示。柴油機帶動主發電機，為電動機電樞提供電源。同時，通過勵磁系統，諧波繞組將發出的電分別給主發電機自身和電動輪直流電動機定子提供勵磁電流。主發電機轉子勵磁電流及電動輪直流電動機定子勵磁電流的大小，通過調節電動輪電動機和主發電機勵磁電流整流電路的可控硅導通角改變，進而調節電動輪卡車轉速，使其按設定速度行走[1-3]。

圖1 整車電傳動系統Fig.1 Vehicle electric drive system

主發電機是自卸卡車的核心部件，一旦出現故障，直接導致卡車因無法供電而停滯。主發電機轉子上的集電環高速旋轉，是主發電機最薄弱的部位，其可靠性直接影響主發電機質量。

2 集電環開路故障及原因分析

2.1 集電環開路故障

GTA22 主發電機是小松 630E、730E 卡車的主要電源。2020～2022 年共有 80 余臺 GTA22 集電環因開路故障進行返廠修理，集電環開路是集電環的典型故障。正常狀態下，集電環通過電刷引出 2 根線，轉子勵磁電流由集電環引線通過電刷流入集電環，經過轉子磁極線圈產生磁場。集電環開路故障表現為集電環與轉子磁極線圈的扁銅連線燒斷，如圖2 所示。因轉子集電環出現質量問題造成返廠修理，其運輸、材料費用及修理工時等成本較高，每臺需要 2 萬元。

圖2 集電環故障Fig.2 Fault of collecting ring

自卸卡車作業環境為露天煤礦，工況惡劣、道路崎嶇不平，運行過程中顛簸較大、粉塵較多。現有的集電環結構材料可靠性低，無法滿足露天礦惡劣工況下的作業需求[4-6]。

2.2 原因分析

集電環扁銅連線燒斷的原因是導電環松動。扁銅連線一端焊在導電環上，另一端連接轉子磁極線圈，當導電環松動時，會導致扁銅連線發生相對移動而燒損斷裂。

2.2.1 結構分析

該發電機是美國 GE 公司產品，集電環結構如圖3 所示，包括底座、2 個導電環、2 根連線、絕緣與綁扎固定材料等。底座材料為 45 鋼，與轉軸熱裝過盈配合，導電環與底座通過絕緣材料介質過盈裝配到一起。在運行過程中，導電環與電刷之間通過滑動接觸保證導通，2 根連線分別焊接在 2 個導電環槽內。其結構存在如下缺陷。

圖3 集電環結構Fig.3 Structure of collecting ring

(1) 引出線連接方式：導電環的 2 根連線采用 3根扁銅線并聯，與導電環連接位置加銅套固定，釬焊加熱連線，軟化原固定材質銅套，存在二次虛焊和假焊的可能性。

(2) 導電環焊線槽結構：導電環與引出線接觸部位為直角，轉子運行過程中導電環持續發熱，一旦導電環發生輕微松動，連線與導電環直角接觸易損傷引出線。

(3) 導電環與下側固定絕緣材質接觸面積偏小，通過增大過盈量提高裝配強度，增加裝配難度。

(4) 導電環無散熱槽，轉子運行過程中導電環的散熱能力差。

2.2.2 材料分析

(1) 絕緣材料 導電環松動主要集中在絕緣材料部位，絕緣材料為無緯帶，具體型號為電工用樹脂浸漬玻璃纖維網狀無緯綁扎帶 (2851)，其性能參數如表1 所列。

表1 網狀無緯綁扎帶性能參數Tab.1 Performance parameters of meshed unidirectional binding tape

由表1 可看出，該材料的熱塑性能較好，而耐溫性能較差，溫度較高會碳化失效。導電環熱套固定在絕緣材料上，絕緣材料高溫碳化缺失，會使導電環松動，連線焊在導電環上，進而導致連線斷裂。導電環的側面打滿固定連線的無緯帶，影響散熱，在導電環上熱量集中，高熱膨脹會減小與絕緣層的過盈量，破壞原過盈配合結構，造成導電環松動。因此，絕緣材料材質偏軟、耐溫性能差、高溫下碳化失效是影響集電環壽命的主要因素。

(2) 導電環材料 導電環材質為 Q235-A，剛度不足，容易發生變形。

3 方案措施

針對以上問題，對集電環的結構、材料及裝配工藝方法進行改進，并進行力學對比試驗及模擬工況負載試驗。

3.1 結構改進

(1) 改進引出線連接方式：連線改為釬焊點焊直接固定方式，減少銅套過渡焊接的中間環節和焊點，減少虛焊，便于質量控制。

(2) 改進導電環焊線槽結構：線槽兩端倒角R3，避免導電環過熱松動引起機械變形，產生斷裂，降低故障率。

(3) 增大導電環寬度，使之與底座間配合面增大，從而增大摩擦力。同時，增大散熱面積，降低集電環的工作溫度，減小熱膨脹量。導電環導電面積增加，電流密度降低，進而降低導電環溫度。

(4) 導電環兩側增加散熱槽，提高轉子運行過程中導電環的散熱能力。

3.2 材料及工藝改進

通過分析與試驗，證明網狀無緯帶作為絕緣材料性能偏弱，且遇熱容易發生形變，不能很好滿足集電環的性能要求。經過分析和對比，采用新型聚酰亞胺多膠粉云母帶 5464-1S (200 級) 配合絕緣膠的方案替代無緯帶。

工藝上，采用與機加工方向一致的加壓纏繞方式，邊纏繞邊加絕緣膠 (聚酰亞胺 YJ66 膠液)，增加一體化程度，保證絕緣性能及機械強度，如圖4 所示。

圖4 改進后絕緣層材料及繞制工藝Fig.4 Improved insulation material and its winding process

集電環側面不制作絕緣，減輕集電環裝配的質量，同時增強散熱性能。導電環材質由 Q235-A 改為 45 鋼，提高剛度，保證導電環徑向跳動量符合標準。改進前后集電環結構如圖5、6 所示。

圖5 改進前后集電環結構Fig.5 Structure of collecting ring before and after improvement

圖6 改進前后集電環裝配實物Fig.6 Collecting ring assembly before and after improvement

3.3 試驗驗證及實施效果

(1) 對結構性能進行對比試驗 對改進方案進行樣件試做，通過設計工裝，制作樣品，進行軸向及徑向壓力試驗，驗證方案的可靠性 (見圖7)。試驗結果如表2 所列，改進前軸向脫出力為 3.18 t，改進后軸向脫出力為 8.90 t，提高約 180%；改進前徑向脫出力為 1.50 t，改進后徑向脫出力為 3.65 t，提高約143%。

表2 力學試驗數據對比Tab.2 Data comparison of mechanical test

圖7 力學試驗Fig.7 Mechanical test

(2) 短路溫升檢測試驗 負載試驗模擬工況運行，監測樣品情況。試驗結果顯示，額定輸出功率情況下，優化后的結構比原結構溫度低 10～15 ℃。

4 結語

針對礦用卡車交流發電機 GTA22 集電環開路問題，從結構、材料、工藝等方面分析，對集電環裝配進行優化改進。該新型結構已裝配 60 余臺，截止到 2022 年 12 月，未發生集電環裝配開路故障，產品故障率為零，達到了低于 2% 的故障率目標。將此結構應用于 GTA22、GTA41 同系列發電機，如 830E、930E、MT4400、SF33900 等非公路自卸卡車發電機，為公司占領國內外礦用卡車發電機維修市場奠定扎實的基礎，經濟效益顯著。