直流電動機故障診斷及保養(yǎng)

梁 毅 孫 繼 董春強

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽621900)

直流電動機具有優(yōu)良的啟動和調(diào)速性能，且啟動轉(zhuǎn)矩大，能實現(xiàn)頻繁的快速啟動、反轉(zhuǎn)和制動，能在較寬范圍內(nèi)進行平滑的無級調(diào)速。因此，凡要求在寬廣范圍無級調(diào)速，或者要求較大的啟動轉(zhuǎn)矩的機械都采用直流電動機作為動力。小容量的直流電動機廣泛地用于自動控制系統(tǒng)中。直流電動機維護工作量大，故障率高。電動機的很多故障都由電刷和換向器這兩個部件引起。下面結(jié)合工作實際分析這兩個部件的故障原因及在運行保養(yǎng)中應(yīng)采取的措施。

1 換向器

換向器是直流電動機中的關(guān)鍵部件，是直流電動機的心臟，它的狀態(tài)好壞直接影響電動機的使用壽命。換向器狀態(tài)不好可能引起電動機換向不良，嚴(yán)重時會產(chǎn)生環(huán)火，放炮，造成電動機大修。下面分析一數(shù)控磨床的主軸電動機換向器故障。

例1 故障現(xiàn)象:一數(shù)控磨床的主軸電動機為帶測速反饋的永磁直流電動機，主軸速度高速調(diào)不上去。

診斷分析:主軸速度通過50 kΩ的電位器進行調(diào)節(jié)。速度調(diào)不上去的可能原因有:速度調(diào)節(jié)電位器故障，主軸驅(qū)動器故障，測速反饋故障，電動機故障等。靜態(tài)檢查該電位器，電位器阻值變化正常。主軸旋轉(zhuǎn)時，電樞電壓在0～38 V變化，電樞電壓達不到110 V。檢查主軸驅(qū)動器，沒發(fā)現(xiàn)異常，且脫開電動機模擬驅(qū)動器輸出電壓能達到110 V。根據(jù)直流伺服調(diào)速原理，斷開測速反饋，電動機應(yīng)該高速旋轉(zhuǎn)，即所謂的“飛車”，但電動機速度仍然上不去，因此排除電位器、驅(qū)動器、測速反饋故障，故障點定位在電動機本身。手摸電動機發(fā)燙，且轉(zhuǎn)動起來有輕微的振動。檢查電動機電刷粗糙且較短，而測速電動機電刷光滑。拆卸電動機后，電樞換向器有條狀環(huán)紋，粗糙，且表面發(fā)黑。測量電動機換向器片間電阻為1.3 Ω，但有6片換向器片間電阻為0.2 Ω，即短路狀態(tài);測速機換向器片間電阻均為3.6 Ω，正常。用砂紙對凹凸不平的換向器研磨，使其表面光滑，用清潔的壓縮空氣吹換向器，并用綢布蘸酒精擦拭，測量換向器片間電阻均為1.3 Ω。安裝電動機并更換電動機電刷后，速度調(diào)節(jié)正常，電樞電壓能在0～110 V實現(xiàn)平滑調(diào)速。因此故障原因就是電動機電刷長度不夠，換向器片間短路，引起主軸速度調(diào)不上去。

正常情況下，電動機運行時，電刷與換向器之間有淡藍色的火花產(chǎn)生，微弱而細密，電刷的接觸表面平滑光亮，換向器的表面形成一層紅褐色的氧化層薄膜。但拆卸電動機看到，電刷較短，電刷和換向器表面粗糙，換向器表面發(fā)黑，有灼痕。這是由于沒有定期清掃換向器表面和刷握內(nèi)的碳粉，集結(jié)的碳粉使電動機散熱條件變差，換向片短路;換向器和電刷磨損嚴(yán)重，未能及時更換電刷造成電刷壓力不足，致使電刷與換向器運行時產(chǎn)生黃紅色或紅綠色的不正常火花，使得電刷接觸表面凹凸不平，換向器表面發(fā)黑，出現(xiàn)灼痕。不光滑的換向器表面與粗糙的的電刷接觸，又使火花加劇，如不及時處理，會很快將換向器與電刷燒毀甚至燒毀電動機。據(jù)操作者反應(yīng)，該電動機多年沒進行保養(yǎng)，因此換向器表面粗糙的條狀紋路是電刷與換向器長期的不正常打火、灼燒造成。其實主軸速度在對應(yīng)的檔位一直在減小，只是操作者沒注意而已，直到主軸高速調(diào)不上去，才發(fā)現(xiàn)問題。

2 電刷

電刷裝置是將直流電引入或引出的裝置，它由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等零件組成。電刷為石墨制成的導(dǎo)電塊，置于刷握內(nèi)，其上壓以彈簧，以保證電刷與換向器表面有良好的接觸。正確地進行電刷質(zhì)量選擇和合理維護電刷運行是換向器維護的重要途徑。電刷的材質(zhì)和型號選擇不合理，過硬或過軟均會對換向器產(chǎn)生不良影響。電刷的選型不當(dāng)，會使電刷在運行中磨損異常。電刷壓力調(diào)整過大，使電刷和換向器之間的摩擦力增大，機械磨損加劇，產(chǎn)生比正常運行時較多的熱量不易散發(fā);壓力過小時，電刷與換向器接觸不良，易產(chǎn)生火花，嚴(yán)重時燒蝕換向器。下面分析一例電刷引起的直流電動機故障。

例2 故障現(xiàn)象:一直流伺服的數(shù)控車床主軸在旋轉(zhuǎn)時，其變速系統(tǒng)聲音異常，且主軸調(diào)速裝置的快速保險在加工工件時經(jīng)常燒斷。

診斷分析:根據(jù)現(xiàn)象觀察，可能有兩個原因:系統(tǒng)本身有問題(如:各傳動齒輪配合不好)，造成聲音異常，且增加了主軸電動機的負載;伺服系統(tǒng)有故障，造成電動機間歇性工作，電動機帶動變速系統(tǒng)產(chǎn)生加速、減速、加速…的工作過程，使變速系統(tǒng)的主軸齒輪與被動齒輪發(fā)生碰撞，產(chǎn)生不正常的聲音。同時，造成電動機在加工工件時負載不均衡。

基于以上兩種可能性，為分清原因，將主軸電動機與變速系統(tǒng)脫開。啟動主軸，測量測速反饋電壓信號為一脈動波形，而給定信號為一平穩(wěn)的高電平;且目測主軸電動機無明顯的停車現(xiàn)象，如圖1所示。根據(jù)這兩個波形判斷故障可能在測速電動機部分。檢查測速電動機，發(fā)現(xiàn)其電刷中有一個彈簧失效，電刷與換向器斷開。由此引起電刷減少，使測速機的發(fā)電性能變差，出現(xiàn)脈沖反饋電壓(在正常時，其測速反饋電壓為一平穩(wěn)的電壓波形)，當(dāng)測速反饋電壓突降為低電壓時，使調(diào)速系統(tǒng)的速度給定輸入與速度反饋之間的差值突然增大，經(jīng)調(diào)速裝置后，使主軸電動機突然加速;隨后，測速反饋又變?yōu)楦唠妷海藭r反饋電壓高于給定電壓值，經(jīng)調(diào)速裝置使主軸電動機減速，這樣就造成了主軸電動機的加速、減速…循環(huán)往復(fù)，使變速系統(tǒng)的主軸齒輪與被動齒輪發(fā)生碰撞，發(fā)出不正常的聲音且在加工過程中造成主軸電動機電樞電流的不均衡，使電流瞬間過大，燒斷保險。將電刷更換后，主軸聲音正常，且保險也不再頻繁燒斷。

上述兩例故障都反應(yīng)了直流電動機保養(yǎng)的重要性，只有合理地對其進行維護保養(yǎng)，才能確保電動機的正常工作性能。直流電動機的維護保養(yǎng)主要集中在電刷、換向器、軸承等元件。檢查步驟通常如下:

(1)必須在機床處于斷電的狀態(tài)下且電動機已經(jīng)完全冷卻的情況下進行檢查。

(2)取下橡膠刷帽，擰下刷蓋取出電刷。

(3)測量電刷長度，如FANUC直流伺服主軸電動機的電刷由10 mm磨損到小于5 mm時，必須更換同型號的新電刷。

(4)仔細檢查換向器和電刷的弧形接觸面是否有深溝或裂痕，以及電刷彈簧有無打火痕跡。如果換向器表面出現(xiàn)輕微的條紋或凹槽，則要采取研磨或拋光的方式進行處理。如果換向器表面不平整程度達到0.2 mm時應(yīng)進行車光。

(5)用不含水分的清潔壓縮空氣吹刷握孔和換向器表面，吹凈粘在刷孔壁上的電刷粉末。用綢布蘸酒精把換向片擦干凈，確保換向片不短路，片間阻值相同。

(6)重新裝上電刷，彈簧的安裝必須正確，確保電刷能在刷握內(nèi)自由移動。如果更換了新電刷，應(yīng)使電動機空運行磨合一段時間，以使電刷表面和換向器表面吻合。

3 結(jié)語

總之，直流電動機的故障率高，故障體現(xiàn)多種多樣，但故障主要集中在電刷、換向器、軸承等零部件，定期和合理地對這些零部件維護保養(yǎng)是正確運行直流電動機，迅速排除運行故障的關(guān)鍵。

［1］牛志斌.數(shù)控車床故障診斷與維修技巧［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［2］史詠梅.電氣設(shè)備安裝、試驗、檢修與運行維護實務(wù)全書［M/OL］.金版電子出版公司，2003.