侯方磊

（國家能源準(zhǔn)能集團(tuán)設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

在大型露天煤礦的生產(chǎn)作業(yè)中，電傳動(dòng)自卸卡車因其具有較強(qiáng)的可靠性和先進(jìn)性，已超過機(jī)械式卡車成為主力運(yùn)輸設(shè)備[1]。630E 型礦用自卸卡車是國家能源集團(tuán)準(zhǔn)能公司黑岱溝露天煤礦的主要運(yùn)煤設(shè)備，從20 世紀(jì)90 年代開始服役，至今已服役20余年，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，故障也逐年增多，其電動(dòng)輪換向器的環(huán)火故障是常見的故障。直流電動(dòng)輪發(fā)生環(huán)火故障，若處理不及時(shí)將會(huì)造成電動(dòng)輪大修，不但影響設(shè)備出動(dòng)率，還會(huì)增加維修成本。因此對(duì)直流電動(dòng)輪環(huán)火故障的分析具有重要意義。

1 環(huán)火故障特征及故障表現(xiàn)

1）環(huán)火的含義及特征。630 E 卡車直流電機(jī)外部有保護(hù)罩，但并未嚴(yán)格密封，由于露天礦粉塵煤塵大，粉塵煤塵易侵入電機(jī)內(nèi)部，加之碳刷高速磨損后碳粉可能部分留在換向器之間，在換向器表面正負(fù)電刷之間可能出現(xiàn)強(qiáng)烈的環(huán)形電弧而發(fā)生短路，同時(shí)伴有閃電與巨響，這種現(xiàn)象叫做環(huán)火，俗稱“放炮”[2]。

2）環(huán)火的故障表現(xiàn)。環(huán)火相當(dāng)于電樞繞組間直接短路，將產(chǎn)生極大的短路電流，電流的急劇增加將產(chǎn)生高溫，燒壞電樞繞組。而環(huán)火也具有極高溫度，容易燒蝕換向器表面與電刷，導(dǎo)致滑動(dòng)接觸不良，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起火災(zāi)，危及設(shè)備和人員安全。電動(dòng)輪轉(zhuǎn)子換向器發(fā)生環(huán)火故障后，電動(dòng)輪轉(zhuǎn)子換向器表面受強(qiáng)烈電弧燒蝕呈現(xiàn)不規(guī)則灼痕溝道，磨損嚴(yán)重。

2 故障原理分析

2.1 電磁理論分析

電流通入繞組元件時(shí)，會(huì)在元件的槽部、端部和齒頂形成漏磁通，漏磁通隨著電流變化而變化。換向元件感生到漏磁通變化而產(chǎn)生的電動(dòng)勢，即為電抗電動(dòng)勢。由電磁感應(yīng)定律可知，換向后電流方向變化，產(chǎn)生的電抗電動(dòng)勢的方向與其電流變化后的方向相反，它阻礙電流的變化，對(duì)換向不利。外磁場旋轉(zhuǎn)時(shí)與換向元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)在換向元件中感生的電動(dòng)勢，稱為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢，其方向由外磁場的極性與電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向共同決定，當(dāng)電流方向與電抗電動(dòng)勢方向相反時(shí)，將加速電流的變化，有利于換向；而與電抗電動(dòng)勢方向相同時(shí)，會(huì)阻礙電流變化，不利于換向[4]。

電抗電動(dòng)勢方向與線圈換向前的電流方向一致，阻礙電流的換向。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)換向元件回路內(nèi)的合成電動(dòng)勢為電抗電動(dòng)勢與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢之和。換向過程中換向元件中的電流i 的變化情況，按合成電動(dòng)勢e 的不同，分為3 種：直線換向、延遲換向、超越換向。i=i1+ik，i1為直線換向電流，ik為附加換向電流。直線換向時(shí)合成電動(dòng)勢e=0，ik=0，i=i1，電流按直線規(guī)律變化。延遲換向時(shí)e＞0，ik＞0，電流改變方向的時(shí)刻比直線換向的遲。超越換向恰好相反：電流i 改變方向的時(shí)刻比直線換向的早。換向火花與換向元件回路中的電磁變化過程有密切關(guān)系[4]。

2.2 環(huán)火原因分析

通常，直線換向時(shí)電刷下不易產(chǎn)生火花；超越換向時(shí)前刷邊可能出現(xiàn)火花；延遲換向時(shí)后刷邊常出現(xiàn)火花。特別是當(dāng)換向完成瞬間，由于電刷和與其即將脫離接觸的換向片之間的接觸電阻值實(shí)際上并不趨于無窮大，換向元件中的電流還來不及變化到將要進(jìn)入的支路所應(yīng)有的電流，回路中將留有剩余換向電流。因而在換向元件回路斷開時(shí)，尚需釋放出相應(yīng)的電磁能量，當(dāng)ik′較大，該能量達(dá)到一定限度時(shí)，將在后刷邊出現(xiàn)火花，這一剩余換向電流由電抗電動(dòng)勢造成，應(yīng)在設(shè)計(jì)及換向調(diào)整時(shí)予以補(bǔ)償。

當(dāng)電機(jī)承受強(qiáng)力的沖擊負(fù)載或出現(xiàn)瞬時(shí)短路故障時(shí)，換向?qū)⑻幱趪?yán)重延遲狀態(tài)，電弧被機(jī)械地拉長，當(dāng)電弧被拉長到一定的長度到達(dá)某換向片時(shí)，若該換向片與電刷間的電位差小于保持該長度電弧持續(xù)燃燒的電弧電壓，則電弧將熄滅；但若一次熄弧后，由于附近空氣中存在被電離的離子，接著將更易產(chǎn)生電弧，因?yàn)橐匦氯蓟⌒枰碾娀‰妷褐祵㈦S之降低，從而使電弧有繼續(xù)被拉長的可能；另一方面，短路導(dǎo)致電樞電流快速上升，換向片間電壓的最大值也將明顯加大[5]。此時(shí)，換向片與電刷磨損產(chǎn)生的金屬粉末或碳粉存在于空氣中，某些換向片間也可能產(chǎn)生電位差或小電弧放電。若小電弧繼續(xù)放電并擴(kuò)展，短弧將變?yōu)殚L弧。在一定條件下，電刷火花與電位差火花匯集在一起，發(fā)展成環(huán)火。

3 環(huán)火故障的維修工藝

3.1 換向器維修步驟

目前維修人員對(duì)發(fā)生環(huán)火故障的換向器主要采取的維修過程有以下幾個(gè)步驟：

1）先將換向器進(jìn)行粗車機(jī)加工，去掉被電弧燒蝕的換向器表層材料、碳粉、氧化物、污染物。經(jīng)過粗車機(jī)加工后，換向器表面重新露出純銅材質(zhì)，增加了潔凈程度。

2）下刻云母槽，并進(jìn)行橫向倒角和端部倒角。這一過程使得換向器之間的絕緣程度大大增加，周邊倒角的換向器去掉了車加工造成的鋒利邊沿，有利于提高碳刷的壽命，減小碳粉的損耗和黏滯概率。

3）最后再次精車機(jī)加工換向器，并處理毛刺。這一過程大大提高了換向器的表面光潔度，提高了碳刷－換向片之間的滑動(dòng)電接觸性能。

4）人工對(duì)碳刷－換向器進(jìn)行磨合。這一過程可以很好地將摩擦側(cè)的接觸間隙降到最低，將碳刷接觸面與換向器的外圓曲率保持一致，為大電流傳輸?shù)於ɑA(chǔ)。加工前后換向器示意圖如圖1。

圖1 加工前后換向器示意圖

3.2 現(xiàn)有維修過程存在的不足

1）對(duì)換向器進(jìn)行車床機(jī)加工，會(huì)使換向器外圓直徑減小，再次安裝碳刷時(shí)，碳刷與換向片之間的接觸壓力變小，接觸面與刷握之間的距離變大，增大了運(yùn)行時(shí)碳刷的振動(dòng)幅度，使得在使用中摩擦側(cè)材料的加劇磨損。

2）將換向器原有的電接觸表面處理層去除，完全失去原有的表面機(jī)械特性。原有換向器的接觸表面是經(jīng)過特殊處理的，其表面硬度、耐磨性、抗氧化性、電阻率、等優(yōu)異性能被全部破壞，表面上看，維修后的換向器煥然一新，實(shí)際上，其滑動(dòng)電接觸性能已經(jīng)大打折扣。表現(xiàn)為表面銅材料軟化，耐磨性降低，光潔度下降。

3）車床機(jī)加工時(shí)留下的微細(xì)紋理造成換向器接觸表面粗糙度增大，并在其中會(huì)存有碳粉，加劇換向器的污染。換向器表面粗糙是造成電動(dòng)輪環(huán)火故障的重要原因，該項(xiàng)占電動(dòng)輪環(huán)火故障總數(shù)的77%，如果把該原因解決，環(huán)火故障就能夠大大降低[6]。

4 換向器表面處理工藝

換向器在維修后，接觸表面原有的高硬度、耐磨性、光潔度被嚴(yán)重破壞，嚴(yán)重影響其滑動(dòng)電接觸性能，為了盡量避免這種不良影響，就需要用到多種不同的銅表面處理工藝相結(jié)合，來提高換向器的滑動(dòng)電接觸性能。

4.1 常規(guī)工藝

常規(guī)的銅換向器表面處理主要包括清洗、鈍化、陽極氧化等手段。銅光亮清洗是最基本的方法，該方法以恢復(fù)銅的光亮色澤為目的，徹底消除銅表面的污漬、油漬、金屬粉末、碳粉等臟污。銅鈍化的作用主要是防氧化，抗腐蝕。經(jīng)過銅鈍化處理后，可以有效的保護(hù)銅件表面不容易氧化長斑，甚至出現(xiàn)銅綠現(xiàn)象。陽極氧化是將銅件作為陽極，利用電解的方式在其表面生成氧化物薄膜，提高了表面的抗腐蝕性及耐磨性，大大提高了滑動(dòng)電接觸性能。

4.2 鍍層工藝

為增強(qiáng)銅基底表面的性能，通常使用電鍍和化學(xué)鍍方法，在銅基底上涂覆金屬鍍層。該涂層增強(qiáng)了銅的耐腐蝕性、耐熱性、硬度、導(dǎo)電性；降低磨損率、減小摩擦系數(shù)。常用的工藝主要有以下幾種：

1）鍍金工藝。鍍金工藝的優(yōu)點(diǎn)是具有良好的導(dǎo)電性能、可焊接性能、穩(wěn)定的化學(xué)性能、低電阻的接觸性等，所以在初期的工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展和要求，對(duì)鍍金層提出來更高的要求包括可靠的電性能、鍍層硬度、耐磨性等。早期的鍍層硬度低、耐磨性差、成本高、生產(chǎn)過程有毒，所以有一定局限性。

2）鍍鈀工藝。鈀鍍層在高溫、高濕、硫化氫含量較高的空氣中性能穩(wěn)定，還是一種良好的的電接點(diǎn)鍍層工藝，成本方面相對(duì)鍍金低，但其也存在不足：①工藝消耗時(shí)間長、鍍層完畢后較薄、產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大、容易開裂；②其綜合作用可能產(chǎn)生氫的還原。

3）化學(xué)鍍鎳-磷工藝的特點(diǎn)。此工藝鍍層厚度均勻性、耐蝕性、耐磨性、磁性、熱電阻穩(wěn)定性、自潤滑性、耐高溫氧化性、可熱硬化性等諸多優(yōu)異的性能[7]。

4）新型材料。除了傳統(tǒng)工藝，納米碳管增強(qiáng)銅基電接觸材料也是很好的新型換向器材料，納米碳管分散均勻、布氏硬度為78.3 HBS、電阻率為2.08×10-6Ω·cm，抗熔焊及抗氧化性能都非常優(yōu)秀，能夠滿足電接觸材料綜合性能的要求[8]。

5 結(jié)語

630E 卡車電動(dòng)輪環(huán)火故障嚴(yán)重影響設(shè)備出動(dòng)率，所以對(duì)環(huán)火故障的科學(xué)修復(fù)至關(guān)重要。通過對(duì)環(huán)火故障的理論分析，結(jié)合現(xiàn)場維修情況，分析了現(xiàn)有修復(fù)工藝存在的不足，并提出了換向器表面處理工藝，為科學(xué)維修電動(dòng)輪卡車、有效提高設(shè)備出動(dòng)率提供科學(xué)依據(jù)。