跑步機用碳刷的制備與性能研究

佟立國

（哈爾濱電碳廠，哈爾濱 150025）

0 前言

碳刷是電動機固定部分和旋轉(zhuǎn)部分之間傳遞能量的裝置，主要作用是將外部電流通過碳刷而加到轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子上，跑步機用碳刷是跑步機電動機關(guān)鍵件之一，碳刷與整流子之間的摩擦是跑步機產(chǎn)生噪音的主要根源，因此，碳刷的性能變化，對跑步機的降噪有顯著影響。

1 實驗

1.1 原材料的準備

石墨粉采用瑞士特密高（TIMCAL）公司產(chǎn)的T150型人造石墨粉為基料，同時加入天然石墨粉與二硫化鉬粉，粒度為3-5μm。

1.2 粘結(jié)劑的制備

粘結(jié)劑采用E20型環(huán)氧樹脂，采用丙酮溶劑稀釋，同時加入酚醛樹脂做改性及固化劑，E20直接采用液體樹脂，酚醛樹脂采用山東圣泉生產(chǎn)的普通型酚醛樹脂，采用酒精溶解后按2:8比例加入環(huán)氧樹脂中，調(diào)配均勻。

1.3 造孔劑的選擇

采用碳酸氫氨作為造孔劑，在混合粉末加入粘結(jié)劑后，加熱破碎成有一定塑性的壓粉，這時按比例加入碳酸氫銨造孔劑。

1.4 工藝過程

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

1.5 性能測試與表征：

使用電阻測試儀測試電阻，得到碳刷電阻率，用天平稱重，螺旋千分尺測量尺寸，計算出體積密度，用萬能拉力試驗機測碳刷抗折強度，利用金相顯微鏡觀察碳刷表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 原材料的選擇分析

2.1.1 固體材料的選擇分析

特密高公司生產(chǎn)的TIMREX*T系列都是合成石墨，主要成分為人造石墨，具有獨特的孔狀結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的摩擦性能，其獨特的孔狀結(jié)構(gòu)可以提高碳刷的電阻率，使碳刷抗火花能力大大提高，同時多孔結(jié)構(gòu)使碳刷吸聲能力有所提高，在運行過程中有效的減小運行噪音。同時通過石墨粉的加入，提高碳刷整體的潤滑性能，在整流子表面形成良好的氧化膜，在提高使用壽命的同時也能降低噪音，二硫化鉬作為一種固體潤滑劑，與石墨粉一起降低碳刷的摩擦系數(shù)，降低材料的磨損性能。

2.1.2 粘結(jié)劑的選擇

在制備樣品時，固體材料與粘結(jié)劑（樹脂溶液）的質(zhì)量比固定，通過調(diào)節(jié)其中稀釋劑的多少來控制樣品中的樹脂含量，稀釋劑含量越高碳刷中樹脂含量越低，用不同含量樹脂制備的碳刷的性能如下：

表2 碳刷性能Table 2 carbon brush performance

當樹脂含量提高到60%，電阻率達到最大值2983μΩm，抗火花能力較好，體積密度達到最低1.33g/cm3，吸震性較好，開口氣孔率達到39%，降噪性能較好。

2.1.3 吸聲降噪性能

碳刷與整流子之間的摩擦是跑步機產(chǎn)生噪音的主要根源，聲波在傳播過程中遇到各種固體材料時，一部分聲能被反射，一部分聲能進入到材料內(nèi)部被吸收，還有很少一部分聲能透射到另一側(cè)。通常將入射聲能Ei和反射聲能Er的差值與入射聲Ei之比值稱為吸聲系數(shù)，記為α，即

吸聲系數(shù)α的取值在0～1之間。當α=0時，表示聲能全部反射，材料不吸聲；α=1時表示材料吸收全部聲能，沒有反射。吸聲系數(shù)α的值越大，表明材料 （或結(jié)構(gòu)）的吸聲性能越好。一般地，α在0.2以上的材料被稱為吸聲材料，α在0.5以上的材料就是理想的吸聲材料。吸聲系數(shù)α的值與入射聲波的頻率有關(guān)，同一材料對不同頻率的聲波，其吸聲系數(shù)有不同的值[1]。

由于入射角度對吸聲系數(shù)有較大的影響，因此，規(guī)定了三種不同的吸聲系數(shù)。即：垂直入射吸聲系數(shù) （駐波管法吸聲系數(shù)），用α0表示，它多用于材料性質(zhì)的鑒定與研究；斜入射吸聲系數(shù)；無規(guī)入射吸聲系數(shù)αT 。

碳刷的吸聲性能不僅與材料本身的孔隙率、密度、厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而且與入射聲波的頻率、環(huán)境的溫度、濕度等因素有關(guān)。實驗表明，吸聲材料 (主要指多孔材料)對中、高頻聲吸收較好，而對低頻聲吸收性能較差，若采用共振吸聲結(jié)構(gòu)則可以改善低頻吸聲性能[2]。

多孔材料一直是主要的吸聲材料。在這些材料中，氣孔的狀態(tài)有兩種：一種是大部分氣孔成為單個閉合的孤立氣孔，沒有通氣性能;另一種氣孔相互連接成為連續(xù)氣泡。噪聲控制中所用的吸聲材料，是指有連續(xù)氣孔的材料。

多孔碳刷的結(jié)構(gòu)特征是在材料中具有許許多多貫通的微小間隙，因而具有一定的通氣性。吸聲材料的固體部分，在空間組成骨架 (筋絡(luò))，保持材料的形狀。在筋絡(luò)間有大量的空隙，筋絡(luò)的作用就是把較大的空隙分隔成許多微小的通路。當聲波入射到多孔材料表面時，可以進入細孔中去，引起孔隙內(nèi)的空氣和材料本身振動，空氣的摩擦和黏滯作用使振動能 (聲能)不斷轉(zhuǎn)化為熱能，從而使聲能衰減，消耗一部分聲能，即使有一部分聲能透過材料到達壁面，也會在反射時再次經(jīng)過吸聲材料，聲能又一次被吸收[3]。

RP-4碳刷開口氣孔率達到39%，具有良好的吸聲性能，對噪音抑制作用較好，減少電機在運行中碳刷與整流子之間摩擦產(chǎn)生的高頻噪音。

2.1.4 試驗性能

試驗方法：

在本廠電機試驗室內(nèi)進行。使用試驗室內(nèi)直流穩(wěn)壓電源供電。將兩只新加工的編號RP-4碳刷裝于電機中，在電機運行前，首先用分貝測量儀測量試驗室內(nèi)背景噪音，記錄其dB數(shù)值，作為試驗背景噪音數(shù)值。然后開機運行進行試驗。并用分貝儀分別測量垂直于電機兩端（其中一端為電機整流子端）、10cm、30cm、50cm、80cm、100cm處的噪音。試驗室內(nèi)背景噪音測量點距運行電機3米遠處。

測量結(jié)果記錄：

A、電機運行參數(shù)記錄

空載，電壓：179.5V;電流：0.37A；轉(zhuǎn)速：2774RPM。

注：開機5分鐘、開機2小時的運行參數(shù)無變化。

B、 不同地點，不同距離處的噪音測定值如表3

表3 噪音測試結(jié)果Table 3 Noise testing resaults

測 量時 間測量距離cm整流子端dB電機另一端dB試驗室背景噪音dB觀察及耳響情況開機2小時10 76 76同上電刷無火花，運行時聲音柔和，無雜音。30 70 70 50 67 66 80 65 62 100 63 62

從上述試驗實測結(jié)果可以看出：

從開機到2小時的試驗內(nèi)，電機運行平穩(wěn)，各項運行參數(shù)基本無變化，從開機到2小時的試驗內(nèi)，各處的噪音水平基本無變化，電刷無火花運行，聽聲音僅是單一的電刷與整流子的滑動摩擦聲，且聲音柔和，無雜音。

3 結(jié)論

1)隨著樹脂含量的增加，碳刷的體積密度降低，電阻率提高，氣孔率提高。

2)碳刷開口氣孔率高，形成多孔材料，吸聲降噪性能良好，能有效地降低碳刷與整流子之間滑動摩擦噪音。