机电碳刷弹簧弹力测量装置创新设计

王帮艳，户建军

（襄阳航泰动力机器厂，湖北 襄阳 441002）

直流电机运行的可靠性很大程度上取决于电刷组件性能，而电刷组件中刷握架和电刷是恒量，变量为涡卷弹簧对电刷的压力。如果涡卷弹簧对电刷压力过大，将加剧电刷磨损速度和产生较大火花而引起事故，如果涡卷弹簧对电刷压力过小，将无法保持电刷电枢的恒定接触，工作可靠性降低[1]。因此，我们在模拟电刷组件工作状态的条件下，提供一种设计合理、使用便捷、工作效率高的电刷组件测量装置，确保涡卷弹簧测力准确可靠。

1 研究背景

在我单位的某新型发动机直流电机修理技术条件中有明确规定：直流电动机在故检时，需要在标准压紧位置测电刷涡卷弹簧压力，如果超出规定范围的产品，需作报废处理。承制厂是在单独的刷握架组件上测量弹簧力后再组合装配于前端盖组件上，并采用磁漆漆封，禁止对其拆卸。为此，作者曾到航空发动机电机承制单位进行技术调研，其给出的明确答复是无法在组合件上测量涡卷弹簧力，他们的测量方式为：采用弹簧秤将涡卷弹簧拉至规定的数值后，再用塞尺去测量与固定位置的间隙值。这种测量方法操作不方便，读数不直观，因此，我们必须立足于既有技术条件，模拟电刷组件工作状态，创新航空发动机电刷组件的故检及修理检测技术，提供一种设计合理、使用便捷、工作效率高且测量方便准确的电刷组件测量方法和装置，以确保新型航空发动机的修理质量和修理进度[2]。

2 研究方法

2.1 结构、材料分析

电刷组件将外部电流（励磁电流）通过碳刷而加到转动的转子上（输入电流），碳刷是电机传导电流的滑动接触体，和换向器配合来实现电机电流换向。为了保持碳刷与转动电枢的恒定接触，就需要由具备储能功能的涡卷弹簧来提供动能。为了确保电机的工作可靠性，涡卷弹簧采用60Si2MnA的合金弹簧钢带状材料，通过等温淬火加回火的热处理工艺后，该材料具有较高的强度和弹性极限，也具有较高的屈强比、较高的抗松弛能力和回火稳定性，特别是其疲劳寿命将显著提高。

2.2 判断标准

电刷使用性能良好的标志应该为：A.在换向器或集电环表面能较快形成一层均匀、适度和稳定的氧化薄膜；碳刷的使用寿命长，并且不磨损换向器或集电环；B.碳刷具有良好的换向和集流性能，使火花抑制在允许的范围内，并且能量损耗小；C.电刷运行时，不过热、噪音小、装配可靠、不破损；碳刷装入刷握架内要保证能够上下自如的移动，碳刷与刷握架内壁的间隙在0.05～0.15mm之间，以避免碳刷和刷握之中因间隙过大产生摆动；D.刷握架下边缘距电枢表面应该保持适当的距离，如距离过小，刷握架容易触伤换向器，距离过大，碳刷易振动而导致破损；E.施于同一台电机各碳刷的单位压力应力求均匀，以免电流分配不均，导致个别碳刷产生火花，对于转速较高的电机或振动条件下工作的电机，应适当提高单位压力来保证正常工作,通常碳刷单位压力过高，使碳刷的磨损加剧，单位压力过小，接触不稳定，容易出现机械火花[3]。

2.3 工作方式

电刷组件中刷握架和碳刷是恒量，变动量为涡卷弹簧对碳刷的压力，因此准确测量涡卷弹簧对碳刷的压力成为影响电刷组件工作可靠性的关键。涡卷弹簧为阿基米德螺旋线型（见图1），弹簧圈数多，变形角度大，主要特点是体积小、载荷大、变刚度，广泛应用于空间小、承受交变载荷的场合和减震装置。弹簧一端固定，另一端承受外加扭矩，在扭矩作用下弹簧材料产生弯曲弹性变形，其变形角的大小与扭矩成正比，在垂直于其轴向的平面内，形成扭转力矩，借以储存能量。目前通用的电刷弹簧测力采用弹簧秤人工操作，由于人工每次用力不易控制，造成测力时每一件电刷弹簧的拉动角度不一样，这就影响力的精度和准确性，另外还存在操作工人劳动强度大和工作效率低等问题。

图1 涡卷弹簧

2.4 方案制定

为解决新机试修过程中的技术瓶颈，保障飞行训练需求，缩短武器装备在厂大修时间，通过对电刷组件的工作原理及涡卷弹簧弹力的测量方法进行研究，设计一套测量装置，通过标定合格的定量值砝码和电指示灯配合，能够保证每一次测量时电刷弹簧的扭转角度相同，从而保证测量的准确性和一致性，采用指示灯能够直观地显示电刷弹簧在所要求的位置时，对碳刷产生的压力是否在规定的范围，而且是在模拟工作状态下的测量值，减少了使用过程中的变量，确保其工作稳定性[4]。

3 设计涡卷弹簧弹力测量装置

拟定技术难点，构思设计方案：克服行业内涡卷弹簧电刷组件模拟工作状态下张力测量不便的技术难题，提供一种设计合理、使用方便、工作效率高、直观且测量方便准确的电刷弹簧测力装置。针对方案的技术难点，对电刷弹簧测力装置进行逐一分解细化。

（1）传统的测量方法是在单独的刷握架组件上进行测量，仅需将刷握架固定，采用弹簧秤检测碳刷压臂压力在规定范围内，再用塞尺去检测0.5mm间隙即可。采用这种方法在禁止拆卸的前端盖组合件中无法施行，并且测量不准确，因此，新设计的涡卷弹簧测量装置必须克服测量时定位、施力等方面的约束。

（2）为了克服测量不直观、操作不便捷的技术难题，设计时模拟电刷组件的工作状态及碳刷的导电特征，将极限状态的弹力值通过低压电源指示灯直观地显现出来，原理为：a.工艺碳刷、电极棒形成通路，连接24V电源及电源开关、指示灯；b.使用时先添加已标定合格的下极限值的砝码，此时指示灯亮，继续添加砝码，使工艺电刷与电极棒脱开，指示灯灭，零件即为合格；c.如果施加下极限值的砝码时指示灯灭或者添加砝码一直到上极限值时指示灯仍亮，零件即为不合格。采用了能够导电的黄铜材料制作工艺碳刷，其外四方的尺寸与碳刷一致，与刷握架方孔的配合间隙保持为0.05mm～0.1mm，既保证能够上下自如的移动，又不至于测量时发生偏斜；其长度尺寸保证在刷握架安装位置上平面的0.5mm处，与技术条件要求一致（见图2）。

图2 弹力测量装置

（3）为保证测量时施加砝码的重力不受刷握架的干涉，根据绝缘模压电刷环组件与刷握架方孔60°的角度位置关系，设计定位座保持测量时安装位置的唯一性，且工艺碳刷安装孔的轴线与施力砝码中心一致。

（4）为保证测量装置的稳定性和精确度，基座采用球墨铸铁材料，精加工各安装面和基准孔，电极棒与基座联接部分采用电胶木隔离，防止基座导电。

（5）电机试验，检查电刷组件工作可靠性。将电机安装到性能试验器上，连接好电机电源线，起动电机，调节直流电源电压为28.5V，调节力矩至额定转矩0.147N.m，工作30分钟后，检查电机额定电流不大于10A，额定转速为6300～6900r/min，拆下电机防护罩，在额定状态下运转，检查换向器火花等级应不超过规定级别。

4 测量装置的创新点

（1）该装置解决了行业内涡卷弹簧电刷组件的组合修理及测量技术难题，将极限状态的弹力通过低压电源指示灯直观地显现出来，弥补了航空发动机电机修理故检技术上的空白。

（2）积极开展工艺研究，从航空修理深修精修的角度，注重分解细节、修理的要点、装配的手段、实验的参数等，合理利用资源，修旧如新，确保电刷组件的工作可靠性。

（3）电刷组件包含有绝缘胶木、铜合金、合金弹簧钢、石墨等材质，通过测量研究，能有效保证这些材料的再利用，为推动装备可持续发展提供了新途径，在节能环保方面做出较大贡献。

（4）相比于国内同行业的其他涡卷弹簧检测方法和手段，该装置在不允许拆卸刷握架的条件下，模拟其工作状态下检测涡卷弹簧压力，测量精确，工作效率高。

5 结语

相比于国内同行业涡卷弹簧的检测方法和手段，本研究通过对电刷组件功能模式及故障机理加以分析，设计专用测量装置，根据电刷组件的工作状态及碳刷的导电特征，将极限状态的弹力通过低压电源指示灯直观地显现出来。克服传统测量方法中操作不方便，读数不直观，且容易产生误判的技术风险，模拟其工作状态下检测涡卷弹簧压力，测量精确、工作效率高。组合式电刷涡卷弹簧测力方法及测力装置的设计思路，可以推广应用于航空、汽车、机床设备等机电行业。