630E矿用卡车电动轮电刷异常磨损原因分析及解决方案

陈虎东

（神华准格尔能源有限责任公司 设备维修中心，内蒙古 薛家湾 010300）

630E矿用卡车电动轮电刷异常磨损原因分析及解决方案

陈虎东

（神华准格尔能源有限责任公司 设备维修中心，内蒙古 薛家湾 010300）

为达到降低630E卡车电动轮故障率，提高电动轮使用寿命的目的，通过对电机换向过程中电刷磨损的各项因素进行分析，对造成电动轮电刷异常磨损主要原因进行了研究。归纳出了造成上述故障的主要因素，并针对性地提出了相应的维护措施。

电动轮；电刷；异常磨损；换向；措施

0 引 言

630E矿用自卸卡车是神华准能集团公司黑岱沟露天煤矿的主要运输设备，承担着全部运煤任务和部分岩石土方运输任务。随着630E卡车运行时间的增长，卡车电动轮故障率逐年递增，故障类型呈复杂化、多样化态势，而电动轮电刷异常磨损故障约占故障总数的60%。电动轮故障已成为近年来制约卡车正常运行的主要因素，造成了极大的维修和成本压力。目前，关于630E卡车电动轮故障的研究多集中于电动轮故障总体分析及相应维护措施、机架、行星减速机构、卡车控制系统、电机散热等，而对电刷异常磨损这方面研究报道较少。通过对电机换向、电刷磨损的主要因素及过程进行分类分析，研究了电动轮换向火花、电刷磨损、电动轮电刷异常磨损故障等对上述故障的影响并提出相应的措施，为630E卡车电动轮的大修及维护提供理论和技术依据。

1 630E卡车电动轮工作原理

单台630E矿用卡车包括2台电动轮，是卡车主要的驱动部件。电动轮型号为GE776S，包括电机部分和减速机部分。电动轮电机部分为励直流叠绕式有刷直流电动机，最大电压2 500 V，最大电流800 A，额定功率562.6 kW。

630E卡车在驱动时，由柴油发动机与三项交流发电机耦合提供动力源，发电机主绕组输出经整流后为电动轮电枢供电，副绕组输出为电动轮的主磁极提供励磁电流，同时由卡车的主发电机励磁屏以及轮马达磁场励磁屏对上述电磁回路进行控制，实现电动轮的励磁电流调速和调压调速，电机输出传动轮边减速机构实现驱动；在制动时，电机制动方式为能耗制动，通过制动接触器，电动轮运转的机械能经电阻栅转换为热能消耗。

2 直流电机的换向及电刷磨损

电机的换向是一个复杂的物理和电化学过程，整个换向的过程也就是碳刷的磨损过程，换向火花是直流电机换向不良的最明显的标志，轻微的火花不会对电机运行造成危害，但有害火花会破坏电刷和换向器的滑动接触，烧伤电刷接触面和换向器氧化膜，使两者磨损剧增，造成换向恶性循环，构成对直流电机运行的威胁。

一般认为电刷的磨损分为2大类，即机械磨损和电蚀磨损。机械磨损为电刷与换向器锑排的摩擦产生；电蚀磨损即电气磨损，是指电刷在通电状态下由于点接触产生的热放射离子导电而发生的电刷磨损。二者通常同时存在，相互影响。机械磨损会造成电蚀磨损的加剧，反之电蚀磨损亦会加强机械磨损。当通过电刷的电流较小时，机械磨损为主导磨损；而当电流较大，接触点处的实际电流密度就可能达到数千A/cm2，离子传导将起主要作用，即电蚀磨损为主导磨损，并随电流增加而不断加强。

2.1 机械磨损及其影响因素

机械磨损的大小主要取决于电刷与换向器表面的摩擦系数、电刷压力以及接触面积。众所周知，其大小与摩擦系数和电刷压力成正比，与接触面积成反比。

1）摩擦系数影响。换向器表面摩擦系数的大小取决于电刷和换向器表面的清洁度、光洁度、电刷电流密度、换向器表面温度、电机运行外部环境等方面因素。

当电机电刷和换向器表面光洁度、清洁度不足时，接触面摩擦系数增大，加剧电刷的机械磨损；当电刷平均电流密度过大或过小时，接触面的摩擦系数均会增大，一般认为电流密度为8.5～13.2 A/cm2为适度。结合接触面的氧化膜理论和查阅资料所得，当电刷电流密度过小时，换向器表面难以持续形成氧化膜，接触面失去氧化膜的润滑作用，摩擦系数相当于电刷与裸铜的摩擦系数，是存在氧化膜时的10倍；当电刷电流密度过大时，会由在电刷接触面产生较大火花甚至电弧，导致接触面氧化膜持续脱落，增加表面摩擦系数；摩擦系数与换向表面温度的关系（如图1所示）与其和电刷电流密度的关系类似，换向其表面温度为60℃～90℃为适度；电机运行外部环境影响主要是指空气湿度的影响，亦即能否持续生成氧化膜的问题。

2）电刷压力和接触面积影响。影响电刷压力的因素包括刷簧压力，电刷布置所处的圆周与电枢的同轴度。电刷压力过大，会加剧机械磨损；另电刷布置所处的圆周与电枢存在偏心，也会增加电枢旋转时电刷的压力，而且会造成电刷接触面不稳定，加剧机械磨损。

图1 摩擦系数与换向器表面温度

2.2 电蚀磨损及其影响因素

电蚀磨损的大小主要取决于电刷压力、平均电刷电流密度，励磁回路完好性的影响。

1）电刷压力影响。如图2所示，电刷压力过大会加剧电刷机械磨损，反之电刷压力太低，则会增加电刷与换向器表面的空气隙，依据点接触与离子导电理论，相应地在接触点断开的瞬间就会加剧火花和电弧的产生，从而加剧电蚀磨损。

图2 电刷压力与电刷磨损

2）平均电刷电流密度影响。电流密度为8.5～13.2 A/cm2为适度，当电刷电流密度过大时，会由在电刷接触面产生较大火花甚至电弧，加剧电刷接触面点接触离子导电作用，从而加剧电刷电蚀磨损，如当电流密度为15 A/cm2时，点接触的实际电流密度可达数千A/cm2，接触点出现白热现象。电流密度的大小主要受电枢电流、电刷接触面积的影响，正比于电枢电流，反比于电刷接触面积。

电流密度（A/cm2）=电枢电流（A）÷（电刷总数 ×0.5×电刷表面积（cm2））

当电机过流时，在换向时会增大换向火花等级产生电弧，导致电刷异常磨损并出现换向器高温现象；另外当电刷接触面积不足时，也会造成点接触实际电流密度增加。

3）励磁回路的完好性影响。直流电机经典换向理论表明附加换向电流是造成延迟换向和超越换向，进而产生火花或者电弧加剧电蚀磨损的根本原因，而抵消附加换向电流的主要电磁元件为换向极，因此保证电磁回路中换向极的完好尤为重要。

3 630E卡车电动轮电刷异常磨损故障及解决方案

近4年来，黑岱沟露天煤矿58台630E卡车年平均电动轮故障次数达182（台·次），其中电刷异常磨损故障约占故障总数的60%，为目前主要的电动轮故障。

3.1 故障现象

大多此类故障电动轮在使用1 000～1 500 h后，出现电刷异常磨损故障。电刷使用寿命仅为8～200 h，表现为电刷断裂、破碎、换向器表面磨损出现划痕、沟槽，大多伴有换向器高温现象，以致破坏换向器圆度，最终造成电动轮环火故障。

3.2 故障原因分析及应对措施

3.2.1 凸片、变形、片间云母高出、换向器失圆

多为电枢换向器的修理质量存在问题或者电枢老化引起，从而使电枢在旋转时接触面局部摩擦系数急剧增大，加剧机械磨损，电刷断裂、破碎，多会导致电动轮环火。针对此类故障，应在维修换向器时，严格按照相关技术标准操作，避免换向器锑排、云母紧锢力矩不足，发生松动，另外应加密检查使用时间长的换向器，必要时提前进行计划性更换。

3.2.2 换向器表面清洁、光洁度不足

电动轮制动漏油导致换向器表面污染，而未进行及时清理，导致电动轮换向时火花增大，电弧灼伤换向器，使接触面局部摩擦系数增大，处理不及时引起环火。应长期保持换向器表面清洁。

3.2.3 电刷压力太大或者太小，加剧刷架磨损

刷架老化或者维修时未对电刷压力逐个进行调整所致。因此，在维修电动轮后，务必按照参考值调整电刷压力，并保证各电刷压力基本一致；另外，应及时更换试用时间较长的刷架。

3.2.4 电刷接触面积不足

刷架布置与换向器存在偏心或电刷与换向器间隙大所致，另外换向极出现损坏也会导致接触面积不足，从而使电流密度增大，引起换向器高温，产生不良火花或者大电弧，多会导致电动轮环火故障；应在安装刷架时，严格按标准值执行，更换新电刷时要进行研磨。

3.2.5 过载或瞬时冲击载荷

过载一般由设备超载造成，瞬时冲击载荷一般由630E卡车直流回路故障或者控制回路引起，如主发电机出现故障、整流器故障及控制盘故障时，对电动轮造成冲击；另外司机不规范操作也是造成瞬间冲击载荷的一大原因，如在破碎站卸货时，司机操作不规范，直接由D档换位至R档，造成瞬间冲击载荷。

2016年初曾随630E卡车运行，对卡车装卸全程的电动轮电流进行了测定。测定结果显示，卡车的平均电枢电流为1 075 A，根据前文公式计算，电刷电流密度为16.45 A/cm2，大于一般直流电机理论的上限值13.2 A/cm2。应为电流密度过大加剧电蚀磨损，是630E电动轮电刷异常磨损的主要原因。而上述不规范操作造成的瞬间冲击电流高达1 850 A，远超电动轮适度电流范围。因此，在设备运行时，应控制载荷量，同时规范司机操作。

3.2.6 换向极损坏

多为换向极老化或者换向极维修不当引起，从而使换向时存在超前或者滞后换向，电刷前后刷边磨损不一致，导致电刷接触面积不足，电流密度增大，引起换向器高温，产生不良火花或者大电弧，多会导致电动轮环火故障。同理，应及时更换试用时间长的换向极，同时在维修时，严格按照标准执行。外部工作环境空气湿度太大或太小，换向器表面难以形成氧化膜

3.3 常见故障现象、原因及解决方案

常见630E卡车电动轮电刷故障现象，故障原因及解决方案可概括如下，在平时的维修和保养时，可参照执行。

3.3.1 电刷剧烈磨损故障原因及解决方案

现象1：电刷剧烈磨损

1）换向器凸片、变形；松开禁锢螺栓后，复位；

2）片间云母高出；重新下刻云母；

3）换向器表面清洁、光洁度不足，换向器失圆；清理、车削换向器，重新倒角；

4）电刷压力太大或者太小；调整压力或更换刷握，调整刷架位置，研磨碳刷，保证电刷与换向片垂直，刷握布置与换向器同心；

5）过载或者换向极损坏；控制卡车载荷，检查直流主回路及控制电路，检查磁路；

6）外部工作环境空气湿度太大或太小；根据工作环境，合理选择碳刷型号。

现象2：电刷断裂，火花大，接触面灼伤

1）刷架布置与换向器存在偏心；调整刷架位置，保证电刷与换向片垂直，刷握布置与换向器同心；

2）电刷与换向器间空气隙大；调整刷盒，保证距离换向器表面1.58～2.38 mm的间距；

3）刷盒磨损；更换刷盒。

现象3：前后刷边磨损不一致

1）刷盒变形；更换刷盒；

2）换向机故障，换向存在超越或者滞后；检查换向极，并进行维修。

现象4：电刷跳动，火花大

1）换向器凸片、变形；松开禁锢螺栓后，复位；

2）片间云母高出；重新下刻云母；

3）换向器表面清洁、光洁度不足，换向器失圆；清理、车削换向器，重新倒角；

4）电刷压力小；调整压力或更换刷握。

现象5：电刷或接触面过热

1）电刷压力过大；调整压力或更换弹簧；

2）过载，导致电流密度过大；控制卡车载荷，检查直流主回路及控制电路；

3）电刷之间压力不均，造成负载分配不均；更换不等高电刷，或调整电刷压力。

现象6：电刷卡死

1）刷盒变形；更换刷盒；

2）电刷硬度低，碳粉堆积卡死；选择硬度较高的碳刷；

3）刷簧损坏；更换刷簧。

现象7：刷盒烧毁

1）火花大或者环火；控制卡车载荷，检查直流主回路及控制电路，检查磁路；

2）电刷与换向器磨合不良，致电流密度过大；新更换电刷或换向器要跟踪磨合，安装前研磨碳刷。

3.3.2 630E电动轮相关维修标准

电刷压力4.54～5.44 kg；电刷与换向器间距1.58～2.38 mm；平均电枢电流适度范围555.39～862.49 A（据电流密度反算）；云母下刻深1.65 mm，沟槽宽度1.52 mm；换向器外径尺寸330.20～342.90 mm；电刷硬度：T900；换向器表面温度60℃～90℃；适度空气湿度：13℃时，相对湿度40%；24℃时，相对适度20%。

4 结语

630E卡车电动轮的磨损是一个复杂的物理和电化学过程，电刷异常磨损的故障原因也呈多样化、复杂化。但纵观引起该故障的根本原因，都是人为可控的甚至是可以避免的。只要在平时的维护工作中加强检查跟踪力度，规范实施检修，做好跟踪记录，定期实施计划性维修，规范操作，最大限度地保证630E卡车的各项运行参数与设计标准一致，定能减少电动轮故障的发生，大幅提高设备的可用率，从而为保障供给绿色煤炭能源提供有力支撑。

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Cause analysis and solution of 630E mining truck electric wheel brush abnormal wear

CHEN Hudong

(Equipment Repair Center,Shenhua Group Zhungeer Energy Co.,Ltd.,Ordos 010300,China)

In order to reduce the failure rate of 630E truck electric wheel and improve the service life of the electric wheel,the article analyzes the various factors of brush wear in the process of reversing motor,researches the main reasons of causing the electric wheel brush abnormal wear,summarizes the main factors of causing the failure and presents the corresponding maintenance measures.

electric wheel;brush;abnormal wear;reversing;measure

TD56

B

1671－9816（2017）11－0056－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.11.016

陈虎东.630E矿用卡车电动轮电刷异常磨损原因分析及解决方案［J］.露天采矿技术，2017，32（11）：56-59.

2017-06-10

陈虎东（1982—）男，工程师，学士，2004年7月毕业于内蒙古工业大学，现在神华准能设备维修中心生产技术部任主管工程师。

【责任编辑：张 夙】