基于故障樹分析的主輔發電機滑環燒損質量改進

秦轉麗 陽詠梅

摘要：利用故障樹分析法，找出了造成主輔發電機滑環燒損的主要原因，制定了改進措施，成功解決了滑環燒損問題，充分發揮了故障樹分析法在解決產品質量問題中的作用。

關鍵詞：故障樹分析;主輔發電機;滑環燒損

0 引言

我公司從國外技術引進了一款大功率內燃機車主輔發電機，該發電機由主發電機和輔助發電機組成，通過機械連接在同一個發電機機體內部，主輔發電機電氣上是相互獨立的?；h是主輔發電機中的關鍵部件，其可靠性至關重要，若滑環燒損無法使用，將直接導致機車機破故障。

1 故障概況

該電機配套用于和諧型內燃機車，機車運行于東北地區，為重載貨運機車。機車自上線運行以來，主輔發電機陸續發生了批量滑環燒損故障，共計56次，其中3次造成了機破故障。故障部位多發生在最外側兩個滑環上，滑環燒損如圖1所示。故障初期，采用機車入庫在線更換滑環的方式維持應用。

2 滑環結構

電機在技術轉化時，采用了技術引進時的原有設計結構，僅部分材料進行了國產化替代?；h結構如圖2所示，每個銅環嵌入各自的絕緣材料內，組成單個滑環，4個滑環按順序安裝在滑環座上，并用滑環壓緊螺栓固定，每個滑環通過導電螺栓引出接線柱，用以勵磁電流的輸入。最外側兩個滑環配套輔發電機，內側兩個滑環配套主發電機。

3 故障樹定性分析

3.1 ? ?故障樹

故障樹是一種特殊的倒立樹狀的邏輯因果關系圖。故障樹分析（Fault Tree Analysis，FTA）是以一個不希望發生的產品故障事件或災難性危險即頂事件作為分析對象，通過由上而下的嚴格的按層次的故障因果邏輯分析，逐層找出導致故障事件的必要而充分的直接原因，畫出故障樹，最終找出導致頂事件發生的所有可能原因和原因組合。故障樹分析的優勢有：（1）發現薄弱環節，改進設計，提高產品可靠性;（2）它是一種事故調查的有效手段，可為故障歸零提供依據;（3）它是一種圖形演繹方法，比較直觀。

3.2 ? ?建立故障樹

以滑環燒損為頂事件，建立故障樹。本分析不考慮用戶維護方面的因素，不考慮人為因素和環境因素，僅從設計角度分析?；h燒損故障樹如圖3所示。

3.3 ? ?求最小割集

（1）故障樹定性分析的任務之一就是要尋找故障樹的全部最小割集。本文采用上行法求最小割集，具體步驟如下：M4=X6+X7+X8;M2=X4+M4+X9;M3=X5+X6+X7;M1=X1+X2+

X3+M3;T=M1+M2。

（2）經計算，求得滑環燒損的最小割集為：{X1}{X2}{X3}{X4}{X5}{X6}{X7}{X8}{X9}，且底事件X6、X7在割集中出現了兩次。

（3）最小割集定性比較原則。求得全部最小割集后，按以下原則進行定性比較，以便將定性比較的結果應用于提示改進設計的方向，指導故障診斷。根據每個最小割集所含底事件數目（階數）排序，在各個底事件發生概率比較小，且差別相對不大的條件下：

1）階數越小的最小割集越重要;

2）在低階最小割集中出現的底事件比高階最小割集中的底事件重要;

3）在最小割集階數相同的條件下，在不同最小割集中重復出現的次數越多的底事件越重要。

（4）結論：根據以上原則，底事件均為一階割集，任何一個底事件的發生都可能導致頂事件的發生，底事件X6、X7在割集中出現了兩次，故底事件銅環與絕緣熱脹冷縮差異大、導電螺栓與銅環接觸不良這兩個原因最重要，應首要解決;其他問題也應予以關注和解決。

4 原因排查和制定改進措施

上述故障樹定性分析，為解決滑環燒損故障指明了方向。筆者將逐一對上述故障原因進行排查并制定改進措施，具體如下：

4.1 ? ?銅環選材不當

銅環采用技術引進規定的材料牌號，且在國外有多年運用經驗，無證據證明選材不當，故在此不做深究。

4.2 ? ?滑環表面散熱不良

若滑環表面散熱不良，長期熱量積聚，易引起滑環表面高溫變色，進而影響到與電刷的接觸，久而久之會發生滑環燒損故障?；h表面根據電機旋轉方向設計有相應的螺旋槽，利于排除碳粉，也增加了滑環表面的散熱面積。螺旋槽尺寸、數量和方向均與廠內同類電機相同，符合要求。

4.3 ? ?配套電刷電密超標

燒損銅環上所流過的電流為輔發勵磁電流70 A。每個銅環配2個電刷，電刷截面積為1.81 cm2，計算電刷電密為19.28 A/cm2，技術引進資料顯示許用電密為10.8 A/cm2，已超出使用范圍，顯然不符合要求。

改進措施：加大電刷截面積或增加電刷數量或更換承受電密高的電刷。為方便起見，選用和主發電機一樣的大電刷，截面積為4.03 cm2，材質不變，數量不變。大電刷計算電密為8.68 A/cm2，小于許用電密10.8 A/cm2，滿足設計要求。

4.4 ? ?銅環松動

4.4.1 ? ?滑環壓緊螺栓緊固力矩偏小

滑環壓緊螺栓的目的是將4個銅環與絕緣緊固在一起，使之成為一個整體。螺栓為3/8英寸，技術引進圖紙緊固力矩為9.5～10.8 Nm。

改進措施：經螺栓緊固力矩計算，此緊固力矩確實偏小，應調整為25～28 Nm。

4.4.2 ? ?銅環與絕緣熱脹冷縮差異大

該滑環絕緣材料為藍色BMC（F級），絕緣材料和銅環整體模壓而成，模壓澆注式絕緣結構。若銅環和絕緣材料的導熱系數相差太大，有可能會因熱脹冷縮、熱塑性變形而造成滑環松動。復測螺栓緊固情況，發現3/8英寸緊固螺栓還可輕松擰動3/4圈，這印證了螺栓緊固力矩偏小的問題。

改進措施：更換絕緣材料，改進設計結構。絕緣材料改為高強度層壓玻璃布板，滑環座表面用絕緣材料繞包并熱固化，銅環熱套在該表面，并提高整體真空壓力浸漆的要求，提高滑環一體性。

4.4.3 ? ?導電螺栓與銅環接觸松動

導電螺栓的材料為銅棒，作用是一端與銅環連接，另一端螺柱引出到銅環外端面，與勵磁連線建立連接。與銅環連接的一端為直齒，直齒與銅環孔之間為過盈配合，憑設計經驗可能存在接觸不良的情況。

改進措施：改為傳統的有多年運用經驗的導電螺栓與銅環之間的螺紋連接結構較為可靠。

4.5 ? ?轉軸軸頭外徑跳動量大

滑環裝配套在轉軸軸頭上，若轉軸軸頭外徑跳動量大，那么滑環外徑跳動量大。圖紙要求轉軸外徑跳動量為0.025 mm，實際復測均符合要求。

4.6 ? ?滑環表面粗糙度超標

滑環表面粗糙度圖紙要求為Ra3.2，檢測符合圖紙要求，且手感光滑光亮。

4.7 ? ?轉軸與滑環座內徑配合間隙大

轉軸軸頭外徑？準116.865 -0.025 ? ?0 ?mm，滑環座內徑？準116.8650 +0.025 mm，計算得間隙配合為0～0.05 mm。這個配合數值是基于滑環裝配整體可以在線拉拔更換而定。但據多年的設計經驗，一般取過渡到過盈配合為宜。

改進措施：將轉軸軸頭外徑調整為？準116.885-0.025 0 mm，計算得配合間隙0.03 mm至過盈0.02 mm。

5 實施改進措施

改進后的滑環結構如圖4所示。準備充足的備件到各路局或維修段，待機車回庫檢修時，拆卸原有滑環，更換上新滑環，同時將輔發配套的電刷更換為大截面電刷，此過程耗費大量的售后服務費用和時間，需陸續分步分批次更換。自批量更換以來，至今未發生過滑環燒損故障，改進措施非常有效。

6 結語

在主輔發電機滑環質量改進過程中，采用了故障樹分析法，對滑環燒損故障進行了所有可能的原因分析，并進行了故障排查，制定出了改進措施和方案，成功消除了滑環燒損故障。改進后的滑環結構已推廣至該系列其他電機上。故障樹分析法為實際工程應用中的故障分析提供了參考，可避免盲目分析，對提高產品質量有著深遠影響。

[參考文獻]

[1] 李良巧.可靠性工程師手冊[M].2版.北京：中國人民大學出版社，2019.

[2] 曾聲奎，趙廷弟，張建國，等.系統靠性設計分析教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.

收稿日期：2020-05-06

作者簡介：秦轉麗（1979—），女，陜西合陽人，高級工程師，研究方向：發電機設計、可靠性技術推廣和應用。