630E礦用卡車電動輪常見故障分析

侯方磊

（國家能源準能集團設備維修中心，內蒙古鄂爾多斯 010300）

在大型露天煤礦的生產作業中，電傳動自卸卡車因其具有較強的可靠性和先進性，已超過機械式卡車成為主力運輸設備[1]。630E 型礦用自卸卡車是國家能源集團準能公司黑岱溝露天煤礦的主要運煤設備，從20 世紀90 年代開始服役，至今已服役20余年，隨著運行時間的增長，故障也逐年增多，其電動輪換向器的環火故障是常見的故障。直流電動輪發生環火故障，若處理不及時將會造成電動輪大修，不但影響設備出動率，還會增加維修成本。因此對直流電動輪環火故障的分析具有重要意義。

1 環火故障特征及故障表現

1）環火的含義及特征。630 E 卡車直流電機外部有保護罩，但并未嚴格密封，由于露天礦粉塵煤塵大，粉塵煤塵易侵入電機內部，加之碳刷高速磨損后碳粉可能部分留在換向器之間，在換向器表面正負電刷之間可能出現強烈的環形電弧而發生短路，同時伴有閃電與巨響，這種現象叫做環火，俗稱“放炮”[2]。

2）環火的故障表現。環火相當于電樞繞組間直接短路，將產生極大的短路電流，電流的急劇增加將產生高溫，燒壞電樞繞組。而環火也具有極高溫度，容易燒蝕換向器表面與電刷，導致滑動接觸不良，嚴重時會引起火災，危及設備和人員安全。電動輪轉子換向器發生環火故障后，電動輪轉子換向器表面受強烈電弧燒蝕呈現不規則灼痕溝道，磨損嚴重。

2 故障原理分析

2.1 電磁理論分析

電流通入繞組元件時，會在元件的槽部、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生的電動勢，即為電抗電動勢。由電磁感應定律可知，換向后電流方向變化，產生的電抗電動勢的方向與其電流變化后的方向相反，它阻礙電流的變化，對換向不利。外磁場旋轉時與換向元件相對運動在換向元件中感生的電動勢，稱為旋轉電動勢，其方向由外磁場的極性與電機的旋轉方向共同決定，當電流方向與電抗電動勢方向相反時，將加速電流的變化，有利于換向；而與電抗電動勢方向相同時，會阻礙電流變化，不利于換向[4]。

電抗電動勢方向與線圈換向前的電流方向一致，阻礙電流的換向。在穩態運行時換向元件回路內的合成電動勢為電抗電動勢與旋轉電動勢之和。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。直線換向時合成電動勢e=0，ik=0，i=i1，電流按直線規律變化。延遲換向時e＞0，ik＞0，電流改變方向的時刻比直線換向的遲。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系[4]。

2.2 環火原因分析

通常，直線換向時電刷下不易產生火花；超越換向時前刷邊可能出現火花；延遲換向時后刷邊常出現火花。特別是當換向完成瞬間，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入的支路所應有的電流，回路中將留有剩余換向電流。因而在換向元件回路斷開時，尚需釋放出相應的電磁能量，當ik′較大，該能量達到一定限度時，將在后刷邊出現火花，這一剩余換向電流由電抗電動勢造成，應在設計及換向調整時予以補償。

當電機承受強力的沖擊負載或出現瞬時短路故障時，換向將處于嚴重延遲狀態，電弧被機械地拉長，當電弧被拉長到一定的長度到達某換向片時，若該換向片與電刷間的電位差小于保持該長度電弧持續燃燒的電弧電壓，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，接著將更易產生電弧，因為要重新燃弧需要的電弧電壓值將隨之降低，從而使電弧有繼續被拉長的可能；另一方面，短路導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，換向片與電刷磨損產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生電位差或小電弧放電。若小電弧繼續放電并擴展，短弧將變為長弧。在一定條件下，電刷火花與電位差火花匯集在一起，發展成環火。

3 環火故障的維修工藝

3.1 換向器維修步驟

目前維修人員對發生環火故障的換向器主要采取的維修過程有以下幾個步驟：

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

2）下刻云母槽，并進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－換向片之間的滑動電接觸性能。

4）人工對碳刷－換向器進行磨合。這一過程可以很好地將摩擦側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，為大電流傳輸奠定基礎。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 現有維修過程存在的不足

1）對換向器進行車床機加工，會使換向器外圓直徑減小，再次安裝碳刷時，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，增大了運行時碳刷的振動幅度，使得在使用中摩擦側材料的加劇磨損。

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械特性。原有換向器的接觸表面是經過特殊處理的，其表面硬度、耐磨性、抗氧化性、電阻率、等優異性能被全部破壞，表面上看，維修后的換向器煥然一新，實際上，其滑動電接觸性能已經大打折扣。表現為表面銅材料軟化，耐磨性降低，光潔度下降。

3）車床機加工時留下的微細紋理造成換向器接觸表面粗糙度增大，并在其中會存有碳粉，加劇換向器的污染。換向器表面粗糙是造成電動輪環火故障的重要原因，該項占電動輪環火故障總數的77%，如果把該原因解決，環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、光潔度被嚴重破壞，嚴重影響其滑動電接觸性能，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合，來提高換向器的滑動電接觸性能。

4.1 常規工藝

常規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。經過銅鈍化處理后，可以有效的保護銅件表面不容易氧化長斑，甚至出現銅綠現象。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，大大提高了滑動電接觸性能。

4.2 鍍層工藝

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

1）鍍金工藝。鍍金工藝的優點是具有良好的導電性能、可焊接性能、穩定的化學性能、低電阻的接觸性等，所以在初期的工業生產中廣泛應用。隨著科技的發展和要求，對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定，還是一種良好的的電接點鍍層工藝，成本方面相對鍍金低，但其也存在不足：①工藝消耗時間長、鍍層完畢后較薄、產生的內應力大、容易開裂；②其綜合作用可能產生氫的還原。

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

4）新型材料。除了傳統工藝，納米碳管增強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秀，能夠滿足電接觸材料綜合性能的要求[8]。

5 結語

630E 卡車電動輪環火故障嚴重影響設備出動率，所以對環火故障的科學修復至關重要。通過對環火故障的理論分析，結合現場維修情況，分析了現有修復工藝存在的不足，并提出了換向器表面處理工藝，為科學維修電動輪卡車、有效提高設備出動率提供科學依據。