直流電機(jī)電刷異常磨耗的淺析

摘要：闡明電刷在電機(jī)運(yùn)行中的作用，通過分析電刷磨損的分類以及電刷在銅質(zhì)換向器上運(yùn)行中磨耗的相關(guān)因素，強(qiáng)調(diào)直流電機(jī)日常維護(hù)時對電刷磨損量檢測的必要性。

關(guān)鍵詞：電刷;作用;磨損;維護(hù)

1電刷的作用

直流電機(jī)的運(yùn)行主要是通過換向器和電刷對電樞繞組電流的換向來實(shí)現(xiàn)，直流電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行離不開電刷的支撐，因此電刷是直流電機(jī)重要的組成部分。電刷主要用來連接定子磁場繞組和電樞繞組的配件，是導(dǎo)入導(dǎo)出電流的滑動接觸件，起到了過渡和中轉(zhuǎn)的作用。

直流電動機(jī)是利用定子繞組和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同來實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，進(jìn)而把直流電變成交流電，其工作原理與電樞繞組相似。定子磁極一勵磁回路中鐵芯、線圈等導(dǎo)體在氣隙及漏電流作用下形成了具有特殊功能的“反電動勢”。它可以將鐵心內(nèi)產(chǎn)生渦流損失掉以減小對電機(jī)損耗;而當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到一定值時就會使磁場減弱，從而讓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來。（1）直流電機(jī)工作原理：在電機(jī)啟動時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場通過主磁極向周圍空間傳輸能量;當(dāng)轉(zhuǎn)角增大到一定程度后產(chǎn)生電磁力矩作用下使繞組中的電流變大從而形成電刷等效線圈，并帶動負(fù)載上一瞬間內(nèi)機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能給電動機(jī)提供驅(qū)動力，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。（2）定子部分：電機(jī)座采用耐磨不銹鋼制成。工作時銅線與電動機(jī)接觸形成鐵芯，易磨損;轉(zhuǎn)子由內(nèi)層合金焊成并焊接在端部以增加強(qiáng)度和剛度來提高可靠性及壽命;外接了耐油橡膠或鋁制材料構(gòu)成外殼保護(hù)層使其能正常使用，電機(jī)在工作時轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生磁場，通過電磁感應(yīng)來帶動繞組轉(zhuǎn)動從而達(dá)到對電樞構(gòu)成電流回路中的電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動;（3）定子及轉(zhuǎn)軸：當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時會發(fā)生轉(zhuǎn)速變化情況下而形成的。因此可以將轉(zhuǎn)子分成兩個部分分別是轉(zhuǎn)軸和傳動機(jī)構(gòu)。

2?電刷磨耗的定義

電刷是電機(jī)的滑動接觸部件，電刷和轉(zhuǎn)換器保持接觸面積，并且一起進(jìn)行移動。在移動的過程中產(chǎn)生了摩擦現(xiàn)象，因?yàn)槟Σ炼茐牧穗娝⑴c轉(zhuǎn)換器的接觸面。在這個摩擦的過程當(dāng)中，電刷與轉(zhuǎn)換器的顆粒從而脫落，這樣就發(fā)生了損耗。在實(shí)際的情況當(dāng)中，將電刷與轉(zhuǎn)換器發(fā)生摩擦并且損壞，這種情況叫做電刷的磨耗。但是由于不同材質(zhì)的電刷與轉(zhuǎn)換器，從而導(dǎo)致了不同的摩擦情況，磨耗情況也不同。但是在實(shí)際的情況下，電刷的磨損相比較轉(zhuǎn)換器更為突出。

3?電刷磨耗的分類

電刷的磨損是必然且無法避免的，電刷磨損的分類是按不同條件分類的，在實(shí)際情況當(dāng)中會對電刷進(jìn)行預(yù)期磨損情況，從而將電刷的磨損分成正常磨損和異常磨損兩種。在實(shí)際情況當(dāng)中，還會根據(jù)轉(zhuǎn)換器和電刷的接觸面的特性對電刷磨損的影響，從而將電刷的磨損分為機(jī)械磨損和氣性磨損兩種。并且在實(shí)際的電機(jī)運(yùn)行過程當(dāng)中，氧化膜出現(xiàn)在滑動接觸的面上，但是會隨著時間的推移而不斷的形成和消耗。除了這些以外，還有其他因素對電刷的磨損產(chǎn)生了各種影響。像電流、在摩擦過程中產(chǎn)生的熱量、氧化膜等多種在生產(chǎn)中的變化。電刷磨損按照電特性分：?無電流影響的機(jī)械磨損、因?yàn)橥姉l件造成的機(jī)械磨損以及電弧直接損耗的電刷材料等幾種。

4?電刷異常磨耗的因素

4.1換向器表面的的因素

評定換向器表面質(zhì)量四大要素：表面粗糙度、圓周跳動量、直徑誤差?和下刻弧度。

表面粗糙度：如果換向器的表面過于粗糙，電機(jī)的電刷在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會嚴(yán)重磨損，產(chǎn)生刮擦粉末，堆積在換向器槽內(nèi)產(chǎn)生電機(jī)短路，從而加快了電機(jī)自身壽命的損耗。

圓周跳動量：電機(jī)在運(yùn)行過程中，電刷會沿著這一段電箱圓周轉(zhuǎn)動的距離跳動。因?yàn)殡娝⒃谶@個過程當(dāng)中會以非?？斓乃俣刃D(zhuǎn)，在電刷盒中會跟隨轉(zhuǎn)動而來回移動。在這個時候，電刷彈簧的壓力較低，電刷跳動高，在這個過程中會讓電刷和轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)生電火花。損壞接觸面之間的水膜，加快電刷的損壞，再情況嚴(yán)重時會燒電機(jī)。?如果相鄰部件之間的跳動很大，不斷沖擊電刷會加速電刷的磨損甚至碎裂。

直徑誤差：換向器表面直徑前后誤差過大，即出現(xiàn)失圓現(xiàn)象。電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，由于換向器表面失圓，就會出現(xiàn)跳動量過大，出現(xiàn)火花現(xiàn)象，加快了電刷的磨耗。

下刻弧度：按照工藝要求，換向器每片的表面須有一定的弧度。每片的換向器表面有尖銳的棱角，電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程，如果尖銳的棱角直接接觸碳刷，就會出現(xiàn)啃碳刷的現(xiàn)象，不能形成良好的接觸面，加劇碳刷的磨耗。

4.2電刷理化特性因素

電刷的理化性能主要包括硬度、電阻率和雜質(zhì)。

電刷耐磨性的標(biāo)志特點(diǎn)是電刷的硬度，電刷的硬度在較高的情況下是非常容易磨損電機(jī)的。但是在硬度小的情況下，電刷自身也容易損壞。所以在實(shí)際情況下，一般都是根據(jù)實(shí)際用途而選擇電刷的硬度。在實(shí)際的用途當(dāng)中有著不同類型的電力，本臺機(jī)器需要不同硬度的碳刷。而在一般情況下，毛刷的硬度測算是由肖氏硬度計所計算的。電刷電阻的標(biāo)志是電刷的電阻率。而在一般情況下電阻率的變化范圍很小，并且一般根據(jù)電阻率的大小，來進(jìn)行電刷應(yīng)用范圍的分類。根據(jù)以上的情況，如果電刷是高電阻，低硬度電刷密度小，會有較大磨損。電刷另外一個指標(biāo)是灰分雜質(zhì)，它是用來描述電刷的耐磨性。它有含有少量的細(xì)微灰分，它是增強(qiáng)耐磨性能的物質(zhì)。但是其中也含有少量的硬質(zhì)磨料顆粒，對電機(jī)和電刷的損耗也是非常的大。

4.3電刷壓力的因素

在一定情況下，電刷的壓力的重要因素是電刷的磨損程度。電刷壓力決定了電刷的機(jī)械磨損和電器磨損的情況。在一般情況下，接觸面的壓力較小從而會因?yàn)闄C(jī)械不穩(wěn)定性而使得出現(xiàn)電流腐蝕的情況，電氣性的磨損被提高。在實(shí)際情況當(dāng)中，接觸面的壓力會越來越大，機(jī)械將會變得更加穩(wěn)定。但是電刷的機(jī)械性磨損和電壓的機(jī)器的磨損卻越來越大，使得二者成正比。電刷和電氣性磨損與電刷壓力成反比。如圖?2。根據(jù)圖示曲線可知，電?刷壓力的選擇要適當(dāng)，既不能過高也不能過低。并且在電機(jī)維護(hù)的過程當(dāng)中，需要進(jìn)行壓力測量，尤其是個別異常磨損的電刷彈簧。并且能夠及時根據(jù)檢查情況進(jìn)行更換，保障電刷的磨損程度，減少損傷轉(zhuǎn)換器的接觸面。

4.4電氣因數(shù)

電機(jī)在運(yùn)行過程中由于電流過高、電刷與換向器表面電火花等級過大、中性位偏差過大等都會造成電刷的加快磨耗。在實(shí)際情況當(dāng)中正刷和負(fù)刷在電機(jī)中的工作有很大的不同，并且對于不同性質(zhì)的電刷也有著不同的磨損程度。

電化石墨電刷和銅質(zhì)換向器的滑動接觸中，電流由電刷向轉(zhuǎn)換器的正刷，電流由換向器向電刷是負(fù)刷，這兩種存在著很大的區(qū)別，兩種方式各有特點(diǎn)。像在一條道路上運(yùn)作時，在實(shí)際情況當(dāng)中負(fù)的磨損量慧遠(yuǎn)大于正刷。并且還在電機(jī)運(yùn)作的過程當(dāng)中，通過電流的流動，電刷上形成氧化膜。正刷在一定程度上，能夠保護(hù)機(jī)械不受磨損，受磨損度較少。并且在實(shí)際情況下會有一定的限制，正刷與電流密度的基本無關(guān)。但是因?yàn)樨?fù)刷具有電氣性，所以在上面會吸附銅離子，這樣會增加機(jī)械的磨損量。

在實(shí)際情況當(dāng)中，電流的密度如果大于電刷所能承受的邊界，這將會增加電刷的磨損，從而出現(xiàn)了磨損異常的現(xiàn)象。在實(shí)際情況當(dāng)中，有著不同材料的電刷，電刷也有著不同的性質(zhì)。但是這些性質(zhì)會隨著電流密度的改變。電刷與轉(zhuǎn)換器的接觸面積溫度增加后，磨損的情況也會明顯增加。所以在運(yùn)行的過程當(dāng)中，一定要采用適當(dāng)?shù)碾娏髅芏?，從而減少電刷的磨損情況。

在電機(jī)的實(shí)際使用情況當(dāng)中，電刷與轉(zhuǎn)換器的表面接觸面會有著不同等級的電火花，但是當(dāng)電火花的等級過大時會燒壞接觸面的表面。在這個過程當(dāng)中難以形成有用的的接觸水膜，并且電火花等級越高會加速電刷的損壞，這又加快了電刷在這個過程當(dāng)中的磨耗。

4.5環(huán)境因數(shù)

在實(shí)際情況中發(fā)現(xiàn)電刷容易發(fā)生磨損會因?yàn)闇囟茸兊停瑥亩档土丝諝庵械乃值鹊囊幌盗蟹磻?yīng)發(fā)生磨損。當(dāng)絕對濕度為?3?～?5?g?/?m3?時，電刷易發(fā)生異常磨損，當(dāng)絕對濕度小于3?g/m3?時，甚至導(dǎo)致電刷粉化磨損[2]，在短時間內(nèi)電刷的磨損量會以特別快的速度增加，嚴(yán)重的情況下會造成運(yùn)行事故。所以，根據(jù)實(shí)際情況，直流電機(jī)在日常維護(hù)的過程當(dāng)中，盡量保證有合適的溫度及濕度中運(yùn)行電機(jī)。并且也符合換向器氧化膜的維護(hù)條件。

5電刷異常磨損的影響

（1）軸承潤滑不良。電刷的摩擦速度隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時間延長而逐漸增加，因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速不在規(guī)定范圍內(nèi)時就會造成磨損。a.滾子間隙太小或過小都不利于滾動體和滑動接觸件運(yùn)動正常進(jìn)行;b、滾珠絲度過大或者偏磨等因素也可能使其變形過大從而導(dǎo)致磨損加快甚至燒壞;c：潤滑油溫度過高或太熱則易引起電刷產(chǎn)生形變，刮刀及機(jī)座夾緊不當(dāng)而加速損壞等等。由于電刷在長時間的工作，摩擦襯板會發(fā)生變形，而接觸壓力下降，造成磨損。當(dāng)滾珠、節(jié)流絲桿和閥門等部件產(chǎn)生過大間隙時就有可能使接觸面出現(xiàn)裂痕或者燒損現(xiàn)象;其次是滑套與密封圈之間也存在一定縫隙或孔洞從而導(dǎo)致局部過熱甚至破壞失效;再次是軸承潤滑不足引起的漏油問題。滾珠、飛輪和主軸的工作條件差，摩擦是磨損不可缺少的重要原因之一。如果滾子鏈條過熱，就會造成接觸壓力不平衡而產(chǎn)生異常磨蝕;在運(yùn)轉(zhuǎn)中由于工件表面粗糙不平整導(dǎo)致竄油或夾雜物刮傷等現(xiàn)象引起滾動體劇烈振動而使之容易產(chǎn)生裂紋。刷子的摩擦是電刷在低速旋轉(zhuǎn)時，由于高速沖擊，而產(chǎn)生的。當(dāng)轉(zhuǎn)速較高、電壓波動大等外部因素作用下或內(nèi)部機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)故障或者異常磨損情況下會導(dǎo)致軸承溫度急劇升高和燒壞，從而引起滾動體表面快速變薄甚至破裂形成裂紋。

（2）刷卡時發(fā)塵、飛濺。在電刷運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的粉沫，它們可以隨氣流進(jìn)入，并使電動機(jī)發(fā)熱而引起磨損甚至燒壞等現(xiàn)象;還有一些顆粒狀碎屑與鐵屑粘附于軸承上形成磨粒和氧化皮生成堵塞傳動鏈從而引發(fā)異常振動或咬合以及跑跳動。在電刷的日常使用中，會出現(xiàn)一些異常情況，這些問題主要是：首先是沒有按照規(guī)定開鎖止動;其次就是刮擦劑破損或是磨損嚴(yán)重等原因?qū)е碌拿}沖電流過大產(chǎn)生了一定影響造成掉座、松脫以及堵塞端口現(xiàn)象發(fā)生。電刷的主要功用是換向，當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時，會產(chǎn)生一個反向沖擊，這樣就使摩擦面與原來相對靜止不動接觸。但這種情況下又往往導(dǎo)致火花間隙過飽和。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于局部壓力過大而造成表面出現(xiàn)裂紋。這些問題可能使得電樞繞組和轉(zhuǎn)子之間發(fā)生振動從而引起跳閘現(xiàn)象或卡死等故障。刷卡時，會產(chǎn)生一定的摩擦角。當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時會有一部分動能轉(zhuǎn)換為熱能從而使?jié)櫥蜏囟壬?同時還會出現(xiàn)熱量傳遞損失、粘度變化以及局部溫升等現(xiàn)象而引起軸承工作條件惡化和軸向變形加劇;在負(fù)荷較大狀態(tài)下還可能由于供液不足導(dǎo)致軸承燒壞或者損壞。

（3）刮板與滾筒之間發(fā)生滑動。滾動阻力主要是由軸承內(nèi)外圈、潤滑脂層和外槽等雜物所產(chǎn)生的摩擦而形成;同時也有可能是因?yàn)闈L動角大于15°或者公數(shù)相一致導(dǎo)致磨損結(jié)果出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中，從而使滑動速度加快或加劇。軸承潤滑不良：電刷的軸向間隙過大，會造成摩擦面在滾動接觸面，上產(chǎn)生較大滑動，從而加速磨損。當(dāng)轉(zhuǎn)速過低時可能導(dǎo)致錐度下降和齒形變差。供油提前角選擇不當(dāng)：由于電機(jī)啟動初期無合理的進(jìn)給政策等原因，使電機(jī)快速運(yùn)轉(zhuǎn)電流增大、轉(zhuǎn)矩降低及電阻增加;軸承潤滑不足或失效也是引起電刷異常磨損重要因素之一;另外電動機(jī)起動時間長短不一還會影響加速器壽命。

（4）滾筒沖擊磨損。當(dāng)電刷進(jìn)入正常工作狀態(tài)時，會產(chǎn)生較大的軸向和周向滑動，使之形成大范圍正弦振動。而在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)異常情況導(dǎo)致了滾珠、鐵絲等零件的異常磨蝕現(xiàn)象發(fā)生;同時還會有尖點(diǎn)銅粉顆粒物堵塞軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)從而引發(fā)副活塞與油面之間劇烈摩擦甚至燒壞潤滑材料引起嚴(yán)重磨損。由于轉(zhuǎn)子在循環(huán)中不斷地承受摩擦和熱效應(yīng)壓力。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時，潤滑油會流進(jìn)滾動表面并形成高溫區(qū);而隨著時間延長產(chǎn)生很大熱量導(dǎo)致零件變形或損壞嚴(yán)重;同時還會加劇零部件磨損程度以及壽命縮短率，從而引起較大振動和噪音污染、降低產(chǎn)品質(zhì)量的不良現(xiàn)象發(fā)生等情況。通過上述現(xiàn)象分析，可以得出電刷的磨損主要原因是圓錐滾子和旋轉(zhuǎn)副之間存在著一定大小的摩擦。當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，潤滑油會在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中出現(xiàn)抖動。而當(dāng)速度比較低或者有轉(zhuǎn)矩形成后又發(fā)生甩勁變形導(dǎo)致顆粒間滑移或崩解;而隨著時間逐漸推移到相對靜止?fàn)顟B(tài)時達(dá)到了新水平，則又由于滾動阻力變大引起微粒直徑減小、徑向尺寸增大和表面粗糙度增加等現(xiàn)象產(chǎn)生。

結(jié)論

總結(jié)上文所得電刷的磨損特性與換向器表面的質(zhì)量狀態(tài)、換向是否良好、電氣因素、電刷壓力、運(yùn)行環(huán)境因數(shù)關(guān)系緊密。并且在實(shí)際的電機(jī)日常維修當(dāng)中，應(yīng)該及時對電刷的磨損量進(jìn)行檢查，并且做好及時更換的記錄。在電刷出現(xiàn)異常磨損時要及時檢查電機(jī)運(yùn)行情況，這就需要結(jié)合電刷壓力?、電流密度?、正負(fù)刷磨損差異及換向正?；瘲l件等確認(rèn)電機(jī)運(yùn)行情況。在電機(jī)出現(xiàn)問題時，可參考電刷磨損量記錄，排查與其相關(guān)的各項因素，幫助查找原因。

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作者簡介：鐘俊吉?（1993—??），?男，漢族，四川成都人，本科，助理工程師，研究方向：機(jī)車電機(jī)檢修。