對SS4B機(jī)車牽引電機(jī)碳刷異常磨耗故障的幾點(diǎn)探討

洪 利

國能包神鐵路集團(tuán)機(jī)務(wù)分公司質(zhì)量管理部 陜西 榆林 719316

鐵路運(yùn)輸是當(dāng)前非常有效率的陸上交通方式,在我國,鐵路運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢為環(huán)保、便捷、低耗、安全、大運(yùn)量、中長距離,故在交通運(yùn)輸中發(fā)揮著重要作用,在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著重要地位。在我國交通運(yùn)輸中,鐵路運(yùn)輸量已經(jīng)超過了公路與航空運(yùn)輸總量。近幾年,鐵路運(yùn)輸發(fā)展速度較快,鐵道部提出了客車高速、舒適,貨車重載、快捷新舉措,列車相關(guān)部件故障隨著列車的重載、提速有明顯升高趨勢,給列車安全運(yùn)行造成了很大的壓力。2008年冰凍自然災(zāi)害導(dǎo)致京廣線湖南段運(yùn)輸中斷、膠濟(jì)鐵路特大交通事故,2011年溫州動車追尾事件等對我國的經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展造成了嚴(yán)重的影響,因此,對機(jī)車牽引電機(jī)碳刷異常磨耗故障情況進(jìn)行分析并尋找相關(guān)解決方法非常重要。

一、機(jī)車牽引電機(jī)的特點(diǎn)

第一,電機(jī)外形尺寸嚴(yán)格控制。當(dāng)前機(jī)車的牽引電動機(jī)一般是懸掛在車體下,車體容易受到動輪直徑、軌距的影響與限制,且轉(zhuǎn)向架上還有其他部件,這些均會對電動機(jī)安裝尺寸造成限制。因此,要提高功率,減小外形就需要對材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

第二,振動、沖擊較大。鋼軌有接縫,變道時(shí)有道岔,但是機(jī)車通過軌縫、道岔時(shí),會因?yàn)樽矒舳a(chǎn)生較大的動力,牽引電動機(jī)作為動力系統(tǒng)將需要承受較大的沖擊與振動[1]。

第三,使用環(huán)境較為惡劣。牽引電機(jī)安裝在車體下會直接暴露在空氣中,會受到沙、塵、雨、雪的直接影響。我國地域遼闊,季節(jié)變化、溫濕度變化較大,且會隨著地域、時(shí)間發(fā)生變化,因此,電動機(jī)會受到明顯的變化。這會使電機(jī)絕緣部分容易受污、受潮,會對絕緣性能造成直接下降,使用壽命也會顯著下降。因此,對牽引電機(jī)的結(jié)構(gòu)、絕緣材料均有較高的防潮要求,不僅要散熱好,還要通風(fēng)好。

第四,換向困難。當(dāng)機(jī)車每次進(jìn)出車站時(shí)牽引電機(jī)都需要經(jīng)過制動、停止、啟動過程,此時(shí)的牽引電動機(jī)電流會達(dá)到兩倍額定電流。當(dāng)機(jī)車以＞100公里/小時(shí)的速度運(yùn)行時(shí)會對電機(jī)磁場減弱,進(jìn)而會使氣隙磁場畸變提高。機(jī)車在長大坡道上運(yùn)行時(shí)電動機(jī)將長時(shí)間處于過電流狀態(tài)；電網(wǎng)電壓波動也會導(dǎo)致電動機(jī)電壓不穩(wěn)定,這些情況均會導(dǎo)致牽引電動機(jī)換向困難。同時(shí),脈流牽引電機(jī)電流為脈動電流,除了直流分量外還有一定的交流分量,電磁交流分量存在會使電機(jī)換向變得更加困難,導(dǎo)致?lián)Q向火花明顯增大。

第五,各個(gè)電機(jī)承受負(fù)載分配不均勻。在同一個(gè)機(jī)車上一般會有多臺牽引電機(jī),它們會共同作用以便促進(jìn)機(jī)車運(yùn)行。各電機(jī)是并聯(lián)關(guān)系,車輪與鋼軌間黏著作用會使各電機(jī)相互耦合。但是,各牽引電機(jī)特性之間會存在差異,車輪直徑也有輕微差異,并且個(gè)別輪對偶爾會才發(fā)生“滑行”、“空轉(zhuǎn)”,這些均會導(dǎo)致各個(gè)電機(jī)承受負(fù)載分配不均勻,牽引力不一致,無法將作用充分發(fā)揮。

二、SS4B機(jī)車牽引電機(jī)碳刷異常磨耗的原因

第一,電氣性能。脈流牽引電機(jī)會受到電氣性能影響,比如牽引電動機(jī)經(jīng)常啟動、制動,這時(shí)的電流會達(dá)到額定電流兩倍；機(jī)車在長大坡道上運(yùn)行時(shí)電動機(jī)將長時(shí)間處于過電流狀態(tài)；當(dāng)機(jī)車高速運(yùn)行時(shí)會對電機(jī)磁場減弱,進(jìn)而會使氣隙磁場畸變提高；電網(wǎng)電壓波動也會導(dǎo)致電動機(jī)電壓不穩(wěn)定,這些均是導(dǎo)致電刷異常磨耗的重要原因。

第二,換向火花過大。換向火花過大說明換向器不夠穩(wěn)定,碳刷壓力也存在變化。換向火花過大會使換向器表面溫度迅速升高,此時(shí)換向器與碳刷的磨耗會明顯增加,最終會導(dǎo)致?lián)Q向器變形、電刷快速磨耗[2]。環(huán)火故障后的電刷情況見圖1。

圖1 環(huán)火故障后的電刷與刷握

第三,制動機(jī)車速度脈動。電機(jī)轉(zhuǎn)速頻繁、周期性大幅脈動、滑行抱死等會使電機(jī)換向器變形,長期以往會對電刷快速磨耗。

第四,換向器設(shè)計(jì)存在不足。如果換向器云母環(huán)壓力過大、鴿尾應(yīng)力過大、換向器軸向柔度匹配欠佳等均會使電機(jī)在運(yùn)行期間出現(xiàn)換向器變形慣性故障,這會加大電刷磨耗。

三、解決措施

第一,提高換向器機(jī)械穩(wěn)定性。(1)增大換向片鴿尾長度與高度,減小鴿尾應(yīng)力。(2)提高V形云母環(huán)受力面積,減小云母環(huán)應(yīng)力。(3)加長換向器螺栓,減小換向器螺栓光徑處直徑,以便提高換向器軸向柔度匹配情況。(4)改進(jìn)換向器材料：提高換向片梯排抗拉強(qiáng)度；使用進(jìn)口膠粘劑制作片間云母板。(5)改進(jìn)換向器工藝：提高換向器片裝壓力；在換向器螺栓上螺紋、套筒螺孔里螺紋均涂硅油,以便減小摩擦；使用力矩扳手二人同時(shí)對稱緊固換向器螺栓,按照順序緊固所有換向器螺栓；對換向器壓圈、換向片環(huán)、套筒平行度嚴(yán)格控制；選擇合適的壓裝模具等。

第二,改善電機(jī)換向火花。電機(jī)電刷異常磨耗故障改進(jìn)中可以對氣隙、電刷進(jìn)行改進(jìn)與調(diào)整,提高電機(jī)換向性能。(1)電機(jī)換向火花改進(jìn)：削角高改進(jìn)為6mm、換向極極靴寬改進(jìn)為19mm；近極靴端換向極極身寬改進(jìn)為36mm。(2)改善電機(jī)換向性能,改善電機(jī)運(yùn)用期間的黑片現(xiàn)象；增寬電機(jī)換向無火花區(qū)；減小換向極氣隙值,增大換向極磁場強(qiáng)度。

綜上所述,牽引電機(jī)是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電力機(jī)車重要設(shè)備,由于惡劣的工作條件,特殊的結(jié)構(gòu)組成,導(dǎo)致其在電力機(jī)車交流傳動中容易發(fā)生故障,這對機(jī)車的安全運(yùn)行會產(chǎn)生影響,一旦發(fā)生故障可能會導(dǎo)致大事故,進(jìn)而對我國經(jīng)濟(jì)與社會產(chǎn)生影響。因此,對機(jī)車牽引電機(jī)碳刷異常磨耗故障進(jìn)行分析與研究,尋找有效解決方法非常重要。