對SS4B機車牽引電機碳刷異常磨耗故障的幾點探討

洪 利

國能包神鐵路集團機務分公司質量管理部 陜西 榆林 719316

鐵路運輸是當前非常有效率的陸上交通方式,在我國,鐵路運輸的優勢為環保、便捷、低耗、安全、大運量、中長距離,故在交通運輸中發揮著重要作用,在我國經濟發展中占據著重要地位。在我國交通運輸中,鐵路運輸量已經超過了公路與航空運輸總量。近幾年,鐵路運輸發展速度較快,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,給列車安全運行造成了很大的壓力。2008年冰凍自然災害導致京廣線湖南段運輸中斷、膠濟鐵路特大交通事故,2011年溫州動車追尾事件等對我國的經濟、社會發展造成了嚴重的影響,因此,對機車牽引電機碳刷異常磨耗故障情況進行分析并尋找相關解決方法非常重要。

一、機車牽引電機的特點

第一,電機外形尺寸嚴格控制。當前機車的牽引電動機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,且轉向架上還有其他部件,這些均會對電動機安裝尺寸造成限制。因此,要提高功率,減小外形就需要對材料與結構進行優化。

第二,振動、沖擊較大。鋼軌有接縫,變道時有道岔,但是機車通過軌縫、道岔時,會因為撞擊而產生較大的動力,牽引電動機作為動力系統將需要承受較大的沖擊與振動[1]。

第三,使用環境較為惡劣。牽引電機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,季節變化、溫濕度變化較大,且會隨著地域、時間發生變化,因此,電動機會受到明顯的變化。這會使電機絕緣部分容易受污、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,對牽引電機的結構、絕緣材料均有較高的防潮要求,不僅要散熱好,還要通風好。

第四,換向困難。當機車每次進出車站時牽引電機都需要經過制動、停止、啟動過程,此時的牽引電動機電流會達到兩倍額定電流。當機車以＞100公里/小時的速度運行時會對電機磁場減弱,進而會使氣隙磁場畸變提高。機車在長大坡道上運行時電動機將長時間處于過電流狀態；電網電壓波動也會導致電動機電壓不穩定,這些情況均會導致牽引電動機換向困難。同時,脈流牽引電機電流為脈動電流,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換向變得更加困難,導致換向火花明顯增大。

第五,各個電機承受負載分配不均勻。在同一個機車上一般會有多臺牽引電機,它們會共同作用以便促進機車運行。各電機是并聯關系,車輪與鋼軌間黏著作用會使各電機相互耦合。但是,各牽引電機特性之間會存在差異,車輪直徑也有輕微差異,并且個別輪對偶爾會才發生“滑行”、“空轉”,這些均會導致各個電機承受負載分配不均勻,牽引力不一致,無法將作用充分發揮。

二、SS4B機車牽引電機碳刷異常磨耗的原因

第一,電氣性能。脈流牽引電機會受到電氣性能影響,比如牽引電動機經常啟動、制動,這時的電流會達到額定電流兩倍；機車在長大坡道上運行時電動機將長時間處于過電流狀態；當機車高速運行時會對電機磁場減弱,進而會使氣隙磁場畸變提高；電網電壓波動也會導致電動機電壓不穩定,這些均是導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,此時換向器與碳刷的磨耗會明顯增加,最終會導致換向器變形、電刷快速磨耗[2]。環火故障后的電刷情況見圖1。

圖1 環火故障后的電刷與刷握

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

第四,換向器設計存在不足。如果換向器云母環壓力過大、鴿尾應力過大、換向器軸向柔度匹配欠佳等均會使電機在運行期間出現換向器變形慣性故障,這會加大電刷磨耗。

三、解決措施

第一,提高換向器機械穩定性。(1)增大換向片鴿尾長度與高度,減小鴿尾應力。(2)提高V形云母環受力面積,減小云母環應力。(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)改進換向器材料：提高換向片梯排抗拉強度；使用進口膠粘劑制作片間云母板。(5)改進換向器工藝：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、套筒平行度嚴格控制；選擇合適的壓裝模具等。

第二,改善電機換向火花。電機電刷異常磨耗故障改進中可以對氣隙、電刷進行改進與調整,提高電機換向性能。(1)電機換向火花改進：削角高改進為6mm、換向極極靴寬改進為19mm；近極靴端換向極極身寬改進為36mm。(2)改善電機換向性能,改善電機運用期間的黑片現象；增寬電機換向無火花區；減小換向極氣隙值,增大換向極磁場強度。

綜上所述,牽引電機是電能轉化為機械能的電力機車重要設備,由于惡劣的工作條件,特殊的結構組成,導致其在電力機車交流傳動中容易發生故障,這對機車的安全運行會產生影響,一旦發生故障可能會導致大事故,進而對我國經濟與社會產生影響。因此,對機車牽引電機碳刷異常磨耗故障進行分析與研究,尋找有效解決方法非常重要。