電刷再成型影響因素分析

李寧瑞， 康 超， 徐 進， 周璋鵬， 宋國云， 李玉明

（國網甘肅省電力公司檢修公司， 甘肅 蘭州 730070）

引言

電刷和滑環是調相機的重要組成部分，調相機工作時勵磁電流由電刷經過滑環流至轉子，調相機運行時由于電刷與調相機位置相對固定，滑環與電刷相對轉動，故滑環與電刷不斷摩擦，且電刷的磨損位置也不同。但新出廠的電刷成品形狀相同，不適合將新電刷直接放入調相機。新電刷更換后電刷與滑環接觸面積變小，在調相機運行時容易出現局部電流增大，導致局部溫度過高，發生火災，危害調相機的運行[1-2]。針對現有問題，對現階段電刷再加工設備及方法進行了研究，基于砂輪磨削加工的方法設計了一種電刷再加工裝置。

砂輪是電刷研磨裝置的核心組成部分，通過砂輪完成電刷表面的切除。國內外相關研究成果表明，材料成形由多個復雜因素決定。劉立飛[3]通過砂輪與零件磨削過程得到砂輪剩余高度數學模型。本文基于電刷再加工裝置對電刷研磨過程的影響因素進行研究，并通過實驗進行驗證，為后續的電刷再加工提供理論指導。

1 電刷再加工過程建模

電刷研磨裝置如圖1 所示，該裝置包括機械裝置和控制裝置兩部分。絲杠滑塊連桿機構與刷握、砂輪配套使用。整體采用導向槽框架結構，在研磨作業過程中，滾珠絲杠分別帶動刷握和砂輪旋轉[4]。

分析電刷再加工裝置，由其接觸形式可得，電刷再加工過程為滑動摩擦。由圖2 可知，電刷與砂輪接觸面發生粘著磨損。在電刷加工過程中，電刷在彈簧的作用下，其表面與砂輪發生滑動摩擦，隨著電刷不斷被磨削，在摩擦副的持續作用下形成磨屑。

根據J.F.Archard 提出的粘著磨損機理模型[5]，砂輪微凸塊與電刷相互接觸且電刷質地較軟，電刷在彈簧的壓力下，其接觸面存在法向載荷P，并發生塑性形變，假設在電刷加工時材料去除的半徑為r，故電刷所受法向載荷和在加工過程電刷磨削的總體積分別為：

式中：n 為接觸面微凸塊總數；σ 為材料屈服應力，N。

式中：V 為電刷磨削體積，mm3。

砂輪微凸塊與電刷相對位移為2r，電刷磨削率即為微凸塊在滑動摩擦單位距離內的去除電刷的總體積，在電刷加工時，電刷表面部分微凸塊與砂輪表面接觸，為提高結果的正確性，設實際接觸微凸塊數與微凸塊總數的比為λ。因此可得到電刷弧面成形的去除率為：

式中：λ 為去除系數，λ 是一個較為復雜的變量，與作業條件、砂輪粗糙度等眾多因素有關，其值有待進一步確定。

將（1）式代入（3）式可得：

通過式（4）可以看出，影響電刷弧面成形的去除率模型存在三個因素。故電刷去除率應根據電刷實際加工裝置來確定。

2 電刷研磨實驗

以電刷再加工裝置為實驗平臺，通過建立電刷去除模型的預測公式，得出去除率不僅和接觸載荷大小有關，還和砂輪的角速度以及摩擦系數等因素有關。為分析三個因素對電刷研磨精度的影響程度，采用三因素三水平正交實驗方法，分析壓緊彈簧彈性系數、驅動砂輪的步進電機脈沖頻率和砂紙粗糙度對電刷研磨精度的影響程度和主次順序。

實驗中采用型號為DP35 的電刷，電刷橫截面尺寸為38.1 mm×25.4 mm，實驗裝置通過壓緊彈簧調整接觸載荷大小，電刷固定在刷握模具中，壓緊彈簧通過電刷連接到刷握的接口上。實驗中，壓緊彈簧始終保持壓緊狀態，保證電刷和砂輪之間不會上下跳動。實驗中的參數設定參考研磨中電刷的真實工作狀態，正交實驗的因子水平表如表1 所示，實驗方案正交表如表2 所示（其中：K、k 分別為電刷再加工時材料去除率因素、水平及其均值。），實驗結果極差分析表如表3 所示。

表1 因素水平表

表2 實驗方案正交表

表3 極差分析表

通過極差分析表可知實驗結果為T2＞T3＞T1，因此因素2 也即因素B 對結果的影響最大，其次依次為因素3（因素C）、因素1（因素A）。此外，δ31＞δ11＞δ21，δ22＞δ12＞δ32，δ33＞δ23＞δ13，實驗以電刷研磨去除率為評判因素，為獲得較好的弧面成形效果，去除率越高越好，故得到對應水平因素的最優組合為A3B2C3，即砂輪步進電機脈沖頻率5 000 Hz、壓下彈簧彈性系數1 200 N/m、砂紙目數60 目。

3 結語

本文建立了電刷去除材料的去除率數學模型并獲得研磨次數的目標函數，通過電刷在加工裝置進行試驗，對電刷研磨影響因素進行分析，并對研磨次數的數學模型進行驗證，得到電刷磨削去除率對壓下彈簧彈性系數即載荷最敏感，砂紙目數次之，砂輪步進電機脈沖頻率即砂輪滑動速度最弱，并得到影響因素的最佳組合方案為砂輪步進電機脈沖頻率5 000 Hz、壓下彈簧彈性系數1 200 N/m、砂紙目數60 目。