对SS4B机车牵引电机碳刷异常磨耗故障的几点探讨

洪 利

国能包神铁路集团机务分公司质量管理部 陕西 榆林 719316

铁路运输是当前非常有效率的陆上交通方式,在我国,铁路运输的优势为环保、便捷、低耗、安全、大运量、中长距离,故在交通运输中发挥着重要作用,在我国经济发展中占据着重要地位。在我国交通运输中,铁路运输量已经超过了公路与航空运输总量。近几年,铁路运输发展速度较快,铁道部提出了客车高速、舒适,货车重载、快捷新举措,列车相关部件故障随着列车的重载、提速有明显升高趋势,给列车安全运行造成了很大的压力。2008年冰冻自然灾害导致京广线湖南段运输中断、胶济铁路特大交通事故,2011年温州动车追尾事件等对我国的经济、社会发展造成了严重的影响,因此,对机车牵引电机碳刷异常磨耗故障情况进行分析并寻找相关解决方法非常重要。

一、机车牵引电机的特点

第一,电机外形尺寸严格控制。当前机车的牵引电动机一般是悬挂在车体下,车体容易受到动轮直径、轨距的影响与限制,且转向架上还有其他部件,这些均会对电动机安装尺寸造成限制。因此,要提高功率,减小外形就需要对材料与结构进行优化。

第二,振动、冲击较大。钢轨有接缝,变道时有道岔,但是机车通过轨缝、道岔时,会因为撞击而产生较大的动力,牵引电动机作为动力系统将需要承受较大的冲击与振动[1]。

第三,使用环境较为恶劣。牵引电机安装在车体下会直接暴露在空气中,会受到沙、尘、雨、雪的直接影响。我国地域辽阔,季节变化、温湿度变化较大,且会随着地域、时间发生变化,因此,电动机会受到明显的变化。这会使电机绝缘部分容易受污、受潮,会对绝缘性能造成直接下降,使用寿命也会显著下降。因此,对牵引电机的结构、绝缘材料均有较高的防潮要求,不仅要散热好,还要通风好。

第四,换向困难。当机车每次进出车站时牵引电机都需要经过制动、停止、启动过程,此时的牵引电动机电流会达到两倍额定电流。当机车以＞100公里/小时的速度运行时会对电机磁场减弱,进而会使气隙磁场畸变提高。机车在长大坡道上运行时电动机将长时间处于过电流状态；电网电压波动也会导致电动机电压不稳定,这些情况均会导致牵引电动机换向困难。同时,脉流牵引电机电流为脉动电流,除了直流分量外还有一定的交流分量,电磁交流分量存在会使电机换向变得更加困难,导致换向火花明显增大。

第五,各个电机承受负载分配不均匀。在同一个机车上一般会有多台牵引电机,它们会共同作用以便促进机车运行。各电机是并联关系,车轮与钢轨间黏着作用会使各电机相互耦合。但是,各牵引电机特性之间会存在差异,车轮直径也有轻微差异,并且个别轮对偶尔会才发生“滑行”、“空转”,这些均会导致各个电机承受负载分配不均匀,牵引力不一致,无法将作用充分发挥。

二、SS4B机车牵引电机碳刷异常磨耗的原因

第一,电气性能。脉流牵引电机会受到电气性能影响,比如牵引电动机经常启动、制动,这时的电流会达到额定电流两倍；机车在长大坡道上运行时电动机将长时间处于过电流状态；当机车高速运行时会对电机磁场减弱,进而会使气隙磁场畸变提高；电网电压波动也会导致电动机电压不稳定,这些均是导致电刷异常磨耗的重要原因。

第二,换向火花过大。换向火花过大说明换向器不够稳定,碳刷压力也存在变化。换向火花过大会使换向器表面温度迅速升高,此时换向器与碳刷的磨耗会明显增加,最终会导致换向器变形、电刷快速磨耗[2]。环火故障后的电刷情况见图1。

图1 环火故障后的电刷与刷握

第三,制动机车速度脉动。电机转速频繁、周期性大幅脉动、滑行抱死等会使电机换向器变形,长期以往会对电刷快速磨耗。

第四,换向器设计存在不足。如果换向器云母环压力过大、鸽尾应力过大、换向器轴向柔度匹配欠佳等均会使电机在运行期间出现换向器变形惯性故障,这会加大电刷磨耗。

三、解决措施

第一,提高换向器机械稳定性。(1)增大换向片鸽尾长度与高度,减小鸽尾应力。(2)提高V形云母环受力面积,减小云母环应力。(3)加长换向器螺栓,减小换向器螺栓光径处直径,以便提高换向器轴向柔度匹配情况。(4)改进换向器材料：提高换向片梯排抗拉强度；使用进口胶粘剂制作片间云母板。(5)改进换向器工艺：提高换向器片装压力；在换向器螺栓上螺纹、套筒螺孔里螺纹均涂硅油,以便减小摩擦；使用力矩扳手二人同时对称紧固换向器螺栓,按照顺序紧固所有换向器螺栓；对换向器压圈、换向片环、套筒平行度严格控制；选择合适的压装模具等。

第二,改善电机换向火花。电机电刷异常磨耗故障改进中可以对气隙、电刷进行改进与调整,提高电机换向性能。(1)电机换向火花改进：削角高改进为6mm、换向极极靴宽改进为19mm；近极靴端换向极极身宽改进为36mm。(2)改善电机换向性能,改善电机运用期间的黑片现象；增宽电机换向无火花区；减小换向极气隙值,增大换向极磁场强度。

综上所述,牵引电机是电能转化为机械能的电力机车重要设备,由于恶劣的工作条件,特殊的结构组成,导致其在电力机车交流传动中容易发生故障,这对机车的安全运行会产生影响,一旦发生故障可能会导致大事故,进而对我国经济与社会产生影响。因此,对机车牵引电机碳刷异常磨耗故障进行分析与研究,寻找有效解决方法非常重要。