电动轮汽车主发电机集电环异常磨损分析及处理措施

严 强

(江西铜业集团公司德兴铜矿， 江西 德兴市 334224)

电动轮汽车主发电机集电环异常磨损分析及处理措施

严 强

(江西铜业集团公司德兴铜矿， 江西 德兴市 334224)

针对德兴铜矿830E电动轮汽车GTA41主发电机运行中出现的集电环、碳刷异常磨损情况进行了深入的成因分析，阐述了几类异常情况的检修处理方法，提出了GTA41主发电机维护保养改善措施，为快速判断和检修该类型主发电机异常情况提供了借鉴。

电动轮汽车；主发电机；集电环；碳刷；磨损

0 引 言

德兴铜矿830E电动轮汽车标配的5GTA41主发电机有两种作用，其中三相主绕组输出的电提供给两台GEB25交流牵引电动机使用，第三绕组输出的电提供给发电机自身励磁使用(见图1)。

内外两圈集电环(滑环)是主发电机的重要部件，新车出厂时的发电机，靠近发动机端集电环为正极集电环，另一圈为负极集电环。集电环过度磨损，会使碳刷与集电环磨面接触不良，使之温升过快、集电环与云母环间产生位移(见图2)，导致发电机励磁绕组开路，对电动轮汽车运行造成安全隐患，增加了维修成本。

图1 主发电机

图2 集电环(滑环)

1 5GTA41主发电机碳刷磨损异常原因

常见的5GTA41主发电机碳刷磨损异常的原因有以下几种：

(1) 压簧压力。各点位的压簧压力不均，需要调整压簧压力，保持各点位碳刷的压力均衡适中。压力过小，碳刷和集电环磨面接触不良，容易引起电弧，使电气磨损增大；压力过大，碳刷磨面的硬粒对集电环磨面刮割严重，又会使机械磨损增加。

(2) 碳刷材质。不同标号的碳刷成分构造不同，自磨损率也不同，需将自磨损率控制在15%以内；选择同种标号的碳刷可以有效控制碳刷自磨损率的不均。实践中最好是使用同一厂家标号统一的碳刷。

(3) 碳刷架的影响。碳刷架调整装配不当，造成碳刷与集电环之间是点或线接触，而不是面接触；需要重新调整刷握，使之与集电环保持平行。另外刷盒变形导致碳刷在发电机运行时卡阻，会导致磨面接触不良产生火花，需要打磨或更换刷盒。

(4) 集电环磨面的影响。发电机在运行时，集电环的磨面上会形成一层碳和金属的氧化膜。氧化膜有极佳的润滑性能，因为这层氧化膜的存在，改变了碳刷与集电环磨面的特性，有效减少了磨擦系数，降低了磨面磨损，延长了使用寿命。集电环表面的光洁度越高，其摩擦系数越小，碳刷的磨损率就越低，当集电环磨面有凹凸不平时，除排查形成原因外，还需对集电环进行打磨处理，实践中采用与碳刷大小一致的油石安装到刷盒内，空载运行发电机。另外集电环失圆造成碳刷与集电环磨面接触不良也会造成碳刷磨损异常，处理方式与集电环的凹凸不平一样，严重时需要对集电环进行光刀处理。

(5) 控制系统异常或励磁绕组损伤。需要定期检查830E电动轮汽车闭环负反馈系统回路和绕组绝缘电阻直流电阻值。通常在1000 h整车电气维护保养时下载控制电脑板内统计数据，查阅分析牵引和电制动工况下的主发电机第三绕组电流和励磁电流有无异常，并及时处理。

(6) 机械损伤的影响。发电机轴承缺油或轴承损伤，转子动平衡异常，发动机磨损过大等机械因素，也会造成碳刷及集电环磨面磨损异常。

(7) 电流方向的影响。正极碳刷流过的电流要比负极碳刷流过的电流大，因而正极碳刷磨损要比负极碳刷磨损大。

2 电流方向对集电环和碳刷的影响分析

某台830E电动轮汽车在使用3200 h时主发电机出现碳刷磨损异常，发现系混用了不同标号的碳刷(偏软的41A330412P1/R318和偏硬的41A330412P2/ R320)造成，更换了全部6只新碳刷。并对其他同型车也进行了检查，未发现不同标号碳刷混用现象。改正后大约使用2000 h(累计5000～6000 h)时，10台830E电动轮汽车5GTA41又陆续出现了碳刷磨损不一致，清除集电环附着的碳粉，并按标准程序安装了新碳刷后，仅运行500～1000 h就发现集电环内环或外环磨面中间磨出较深的一圈凹槽。对此现象进行分析，排除其他各种因素后，对调了两根励磁电缆接线，打磨了集电环磨面。跟踪观察了5500～6000 h左右才又出现碳刷磨损异常。

励磁电流通过集电环磨面时，存在电气磨损和机械磨损。运行中的主发电机其接触面不断变化，电流密度大，电弧放电，集电环温升快，特别是集电环中间温度更高，励磁电流由碳刷流入流出集电环表面，碳刷和集电环由于电流方向不同会出现极性差别。在电弧密集和高温作用下，会使集电环的中间磨面局部熔化、脱落，形成金属蒸汽，碳刷受氧化腐蚀而脱落，这就是典型的电气磨损，称为“正极蒸发”；负极受高温作用和正离子撞击而发射电子，使负极磨面也遭受破坏，称为“负极粉化”。

当主发电机励磁回路没有电流时，碳刷磨面上的粗硬粒子易嵌入滑环表面，引起较大的机械磨损，甚至引起摩擦振动。受到正极蒸发和负极粉化的影响，当流过电流时，碳刷表面的粗硬粒子被炸裂、粉化，沾在表面，减小摩擦，使机械磨损减小，并使碳刷运行十分平静。所以，在正常电流情况下，电流对减小机械磨损还有好处。但是，如果电流密度过大，则正极蒸发严重，会使电气磨损加剧。而电气磨损加剧后，使集电环磨面粗糙化，碳刷磨面附着金属粉，又会增加机械损耗，所以通过碳刷的电流密度应有一个限度。

当电流由碳刷流入集电环时，碳刷为正极，集电环为负极，碳刷磨面发生正极蒸发，碳粒、石墨离子迁移到集电环磨面，碳刷电气磨损大、机械磨损小，集电环的电气磨损和机械磨损都小。

当电流由集电环流入碳刷时，碳刷为负极，集电环为正极，碳刷磨面发生负极粉化，并附着碳粒、石墨，集电环呈润滑、光泽的碳金属氧化膜状态。集电环磨面发生正极蒸发，大量金属蒸发，使金属粒子容易以类似于电镀方式的离子状态移动附着在碳刷磨面，使得集电环磨面磨损加剧，出现条痕。这种情况下，碳刷电气磨损小、机械磨损大，集电环的电气磨损、机械磨损都大。 因为正集电环电流由碳刷流向集电环，碳刷正极性，集电环负极性，故正集电环磨损小；反之，当碳刷为负极时，负集电环磨损大。

3 检测维护措施

综合以上分析，实践中为了使集电环磨损均匀，并形成良好的运行性能，对于5GTA41主发电机检修维护采取了以下措施：

(1) 德兴铜矿830E电动轮汽车标配的QSK60发动机下机大修是18000 h左右，发电机轴承使用寿命是25000 h左右，综合生产和维修成本考虑，正常运行的主发电机18000 h与发动机同步下机检修，更换轴承并测试绕组的电气性能，检测并处理集电环的同心度与光洁度。

(2) 每运行4000～5000 h调整励磁极性，在电气控制柜内对调两根进出励磁电缆接线。同时对轴承润滑脂进行补充或更换，并测试轴承性能。

(3) 集电环氧化膜的形成是需要与碳刷进行一定时间磨合的，为了保护集电环磨面氧化膜，出现碳刷磨损异常时，如无必要不建议将全部碳刷换新。正常的碳刷使用寿命在2500～3000 h，每运行200 h，检查碳刷与整流子磨面磨损情况，1000 h检查压簧压力。

(4) 安装新碳刷前须将碳刷磨面预磨成与集电环磨面相配合的弧度。安装完磨好弧度的碳刷后空载运行发电机0.5 h(为了减少发动机积碳，建议转速控制在750～1950 r/min间变化，不要恒定在某一转速，特别是低怠速)，发动机计时24 h内该辆电动轮汽车装载作业控制在85%载重范围内，24 h后恢复正常100%装载作业。

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严 强(1977-)，男，江西广丰人，助理工程师，主要从事金属矿山开采电气设备维护维修工作,Email：609000058@qq.com。