礦用自卸卡車發(fā)電機(jī)集電環(huán)故障分析

蔡 曉，王 鑫，丁 新，黨亞男，張江濤，張曉強(qiáng)，李 廬

中車永濟(jì)電機(jī)有限公司 山西永濟(jì) 044502

G TA22 同步主發(fā)電機(jī)作為平朔安太堡露天煤礦運(yùn)輸卡車的動(dòng)力源，在卡車電傳動(dòng)系統(tǒng)中承擔(dān)著整車主電源的供給，一旦發(fā)生問(wèn)題，卡車就無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。小松 730E 卡車運(yùn)行工況惡劣，且 GTA22 集電環(huán)經(jīng)常出現(xiàn)開路故障，影響行車安全及卡車出勤率，造成生產(chǎn)中斷，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。

1 礦用自卸卡車電傳動(dòng)系統(tǒng)

露天煤礦 730E 自卸卡車電傳動(dòng)系統(tǒng)由 1 臺(tái)柴油機(jī)、1 臺(tái) GTA22 主發(fā)電機(jī)、2 臺(tái) GE788 電動(dòng)輪直流電動(dòng)機(jī)及控制單元組成，如圖1 所示。柴油機(jī)帶動(dòng)主發(fā)電機(jī)，為電動(dòng)機(jī)電樞提供電源。同時(shí)，通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)，諧波繞組將發(fā)出的電分別給主發(fā)電機(jī)自身和電動(dòng)輪直流電動(dòng)機(jī)定子提供勵(lì)磁電流。主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流及電動(dòng)輪直流電動(dòng)機(jī)定子勵(lì)磁電流的大小，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)輪電動(dòng)機(jī)和主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流整流電路的可控硅導(dǎo)通角改變，進(jìn)而調(diào)節(jié)電動(dòng)輪卡車轉(zhuǎn)速，使其按設(shè)定速度行走[1-3]。

圖1 整車電傳動(dòng)系統(tǒng)Fig.1 Vehicle electric drive system

主發(fā)電機(jī)是自卸卡車的核心部件，一旦出現(xiàn)故障，直接導(dǎo)致卡車因無(wú)法供電而停滯。主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的集電環(huán)高速旋轉(zhuǎn)，是主發(fā)電機(jī)最薄弱的部位，其可靠性直接影響主發(fā)電機(jī)質(zhì)量。

2 集電環(huán)開路故障及原因分析

2.1 集電環(huán)開路故障

GTA22 主發(fā)電機(jī)是小松 630E、730E 卡車的主要電源。2020～2022 年共有 80 余臺(tái) GTA22 集電環(huán)因開路故障進(jìn)行返廠修理，集電環(huán)開路是集電環(huán)的典型故障。正常狀態(tài)下，集電環(huán)通過(guò)電刷引出 2 根線，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流由集電環(huán)引線通過(guò)電刷流入集電環(huán)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子磁極線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。集電環(huán)開路故障表現(xiàn)為集電環(huán)與轉(zhuǎn)子磁極線圈的扁銅連線燒斷，如圖2 所示。因轉(zhuǎn)子集電環(huán)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題造成返廠修理，其運(yùn)輸、材料費(fèi)用及修理工時(shí)等成本較高，每臺(tái)需要 2 萬(wàn)元。

圖2 集電環(huán)故障Fig.2 Fault of collecting ring

自卸卡車作業(yè)環(huán)境為露天煤礦，工況惡劣、道路崎嶇不平，運(yùn)行過(guò)程中顛簸較大、粉塵較多。現(xiàn)有的集電環(huán)結(jié)構(gòu)材料可靠性低，無(wú)法滿足露天礦惡劣工況下的作業(yè)需求[4-6]。

2.2 原因分析

集電環(huán)扁銅連線燒斷的原因是導(dǎo)電環(huán)松動(dòng)。扁銅連線一端焊在導(dǎo)電環(huán)上，另一端連接轉(zhuǎn)子磁極線圈，當(dāng)導(dǎo)電環(huán)松動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致扁銅連線發(fā)生相對(duì)移動(dòng)而燒損斷裂。

2.2.1 結(jié)構(gòu)分析

該發(fā)電機(jī)是美國(guó) GE 公司產(chǎn)品，集電環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，包括底座、2 個(gè)導(dǎo)電環(huán)、2 根連線、絕緣與綁扎固定材料等。底座材料為 45 鋼，與轉(zhuǎn)軸熱裝過(guò)盈配合，導(dǎo)電環(huán)與底座通過(guò)絕緣材料介質(zhì)過(guò)盈裝配到一起。在運(yùn)行過(guò)程中，導(dǎo)電環(huán)與電刷之間通過(guò)滑動(dòng)接觸保證導(dǎo)通，2 根連線分別焊接在 2 個(gè)導(dǎo)電環(huán)槽內(nèi)。其結(jié)構(gòu)存在如下缺陷。

圖3 集電環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of collecting ring

(1) 引出線連接方式：導(dǎo)電環(huán)的 2 根連線采用 3根扁銅線并聯(lián)，與導(dǎo)電環(huán)連接位置加銅套固定，釬焊加熱連線，軟化原固定材質(zhì)銅套，存在二次虛焊和假焊的可能性。

(2) 導(dǎo)電環(huán)焊線槽結(jié)構(gòu)：導(dǎo)電環(huán)與引出線接觸部位為直角，轉(zhuǎn)子運(yùn)行過(guò)程中導(dǎo)電環(huán)持續(xù)發(fā)熱，一旦導(dǎo)電環(huán)發(fā)生輕微松動(dòng)，連線與導(dǎo)電環(huán)直角接觸易損傷引出線。

(3) 導(dǎo)電環(huán)與下側(cè)固定絕緣材質(zhì)接觸面積偏小，通過(guò)增大過(guò)盈量提高裝配強(qiáng)度，增加裝配難度。

(4) 導(dǎo)電環(huán)無(wú)散熱槽，轉(zhuǎn)子運(yùn)行過(guò)程中導(dǎo)電環(huán)的散熱能力差。

2.2.2 材料分析

(1) 絕緣材料 導(dǎo)電環(huán)松動(dòng)主要集中在絕緣材料部位，絕緣材料為無(wú)緯帶，具體型號(hào)為電工用樹脂浸漬玻璃纖維網(wǎng)狀無(wú)緯綁扎帶 (2851)，其性能參數(shù)如表1 所列。

表1 網(wǎng)狀無(wú)緯綁扎帶性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of meshed unidirectional binding tape

由表1 可看出，該材料的熱塑性能較好，而耐溫性能較差，溫度較高會(huì)碳化失效。導(dǎo)電環(huán)熱套固定在絕緣材料上，絕緣材料高溫碳化缺失，會(huì)使導(dǎo)電環(huán)松動(dòng)，連線焊在導(dǎo)電環(huán)上，進(jìn)而導(dǎo)致連線斷裂。導(dǎo)電環(huán)的側(cè)面打滿固定連線的無(wú)緯帶，影響散熱，在導(dǎo)電環(huán)上熱量集中，高熱膨脹會(huì)減小與絕緣層的過(guò)盈量，破壞原過(guò)盈配合結(jié)構(gòu)，造成導(dǎo)電環(huán)松動(dòng)。因此，絕緣材料材質(zhì)偏軟、耐溫性能差、高溫下碳化失效是影響集電環(huán)壽命的主要因素。

(2) 導(dǎo)電環(huán)材料 導(dǎo)電環(huán)材質(zhì)為 Q235-A，剛度不足，容易發(fā)生變形。

3 方案措施

針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)集電環(huán)的結(jié)構(gòu)、材料及裝配工藝方法進(jìn)行改進(jìn)，并進(jìn)行力學(xué)對(duì)比試驗(yàn)及模擬工況負(fù)載試驗(yàn)。

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

(1) 改進(jìn)引出線連接方式：連線改為釬焊點(diǎn)焊直接固定方式，減少銅套過(guò)渡焊接的中間環(huán)節(jié)和焊點(diǎn)，減少虛焊，便于質(zhì)量控制。

(2) 改進(jìn)導(dǎo)電環(huán)焊線槽結(jié)構(gòu)：線槽兩端倒角R3，避免導(dǎo)電環(huán)過(guò)熱松動(dòng)引起機(jī)械變形，產(chǎn)生斷裂，降低故障率。

(3) 增大導(dǎo)電環(huán)寬度，使之與底座間配合面增大，從而增大摩擦力。同時(shí)，增大散熱面積，降低集電環(huán)的工作溫度，減小熱膨脹量。導(dǎo)電環(huán)導(dǎo)電面積增加，電流密度降低，進(jìn)而降低導(dǎo)電環(huán)溫度。

(4) 導(dǎo)電環(huán)兩側(cè)增加散熱槽，提高轉(zhuǎn)子運(yùn)行過(guò)程中導(dǎo)電環(huán)的散熱能力。

3.2 材料及工藝改進(jìn)

通過(guò)分析與試驗(yàn)，證明網(wǎng)狀無(wú)緯帶作為絕緣材料性能偏弱，且遇熱容易發(fā)生形變，不能很好滿足集電環(huán)的性能要求。經(jīng)過(guò)分析和對(duì)比，采用新型聚酰亞胺多膠粉云母帶 5464-1S (200 級(jí)) 配合絕緣膠的方案替代無(wú)緯帶。

工藝上，采用與機(jī)加工方向一致的加壓纏繞方式，邊纏繞邊加絕緣膠 (聚酰亞胺 YJ66 膠液)，增加一體化程度，保證絕緣性能及機(jī)械強(qiáng)度，如圖4 所示。

圖4 改進(jìn)后絕緣層材料及繞制工藝Fig.4 Improved insulation material and its winding process

集電環(huán)側(cè)面不制作絕緣，減輕集電環(huán)裝配的質(zhì)量，同時(shí)增強(qiáng)散熱性能。導(dǎo)電環(huán)材質(zhì)由 Q235-A 改為 45 鋼，提高剛度，保證導(dǎo)電環(huán)徑向跳動(dòng)量符合標(biāo)準(zhǔn)。改進(jìn)前后集電環(huán)結(jié)構(gòu)如圖5、6 所示。

圖5 改進(jìn)前后集電環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of collecting ring before and after improvement

圖6 改進(jìn)前后集電環(huán)裝配實(shí)物Fig.6 Collecting ring assembly before and after improvement

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證及實(shí)施效果

(1) 對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn) 對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行樣件試做，通過(guò)設(shè)計(jì)工裝，制作樣品，進(jìn)行軸向及徑向壓力試驗(yàn)，驗(yàn)證方案的可靠性 (見圖7)。試驗(yàn)結(jié)果如表2 所列，改進(jìn)前軸向脫出力為 3.18 t，改進(jìn)后軸向脫出力為 8.90 t，提高約 180%；改進(jìn)前徑向脫出力為 1.50 t，改進(jìn)后徑向脫出力為 3.65 t，提高約143%。

表2 力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.2 Data comparison of mechanical test

圖7 力學(xué)試驗(yàn)Fig.7 Mechanical test

(2) 短路溫升檢測(cè)試驗(yàn) 負(fù)載試驗(yàn)?zāi)M工況運(yùn)行，監(jiān)測(cè)樣品情況。試驗(yàn)結(jié)果顯示，額定輸出功率情況下，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)比原結(jié)構(gòu)溫度低 10～15 ℃。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)礦用卡車交流發(fā)電機(jī) GTA22 集電環(huán)開路問(wèn)題，從結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面分析，對(duì)集電環(huán)裝配進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。該新型結(jié)構(gòu)已裝配 60 余臺(tái)，截止到 2022 年 12 月，未發(fā)生集電環(huán)裝配開路故障，產(chǎn)品故障率為零，達(dá)到了低于 2% 的故障率目標(biāo)。將此結(jié)構(gòu)應(yīng)用于 GTA22、GTA41 同系列發(fā)電機(jī)，如 830E、930E、MT4400、SF33900 等非公路自卸卡車發(fā)電機(jī)，為公司占領(lǐng)國(guó)內(nèi)外礦用卡車發(fā)電機(jī)維修市場(chǎng)奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。