王幫艷，戶建軍

（襄陽(yáng)航泰動(dòng)力機(jī)器廠，湖北 襄陽(yáng) 441002）

直流電機(jī)運(yùn)行的可靠性很大程度上取決于電刷組件性能，而電刷組件中刷握架和電刷是恒量，變量為渦卷彈簧對(duì)電刷的壓力。如果渦卷彈簧對(duì)電刷壓力過大，將加劇電刷磨損速度和產(chǎn)生較大火花而引起事故，如果渦卷彈簧對(duì)電刷壓力過小，將無法保持電刷電樞的恒定接觸，工作可靠性降低[1]。因此，我們?cè)谀M電刷組件工作狀態(tài)的條件下，提供一種設(shè)計(jì)合理、使用便捷、工作效率高的電刷組件測(cè)量裝置，確保渦卷彈簧測(cè)力準(zhǔn)確可靠。

1 研究背景

在我單位的某新型發(fā)動(dòng)機(jī)直流電機(jī)修理技術(shù)條件中有明確規(guī)定：直流電動(dòng)機(jī)在故檢時(shí)，需要在標(biāo)準(zhǔn)壓緊位置測(cè)電刷渦卷彈簧壓力，如果超出規(guī)定范圍的產(chǎn)品，需作報(bào)廢處理。承制廠是在單獨(dú)的刷握架組件上測(cè)量彈簧力后再組合裝配于前端蓋組件上，并采用磁漆漆封，禁止對(duì)其拆卸。為此，作者曾到航空發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)承制單位進(jìn)行技術(shù)調(diào)研，其給出的明確答復(fù)是無法在組合件上測(cè)量渦卷彈簧力，他們的測(cè)量方式為：采用彈簧秤將渦卷彈簧拉至規(guī)定的數(shù)值后，再用塞尺去測(cè)量與固定位置的間隙值。這種測(cè)量方法操作不方便，讀數(shù)不直觀，因此，我們必須立足于既有技術(shù)條件，模擬電刷組件工作狀態(tài)，創(chuàng)新航空發(fā)動(dòng)機(jī)電刷組件的故檢及修理檢測(cè)技術(shù)，提供一種設(shè)計(jì)合理、使用便捷、工作效率高且測(cè)量方便準(zhǔn)確的電刷組件測(cè)量方法和裝置，以確保新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的修理質(zhì)量和修理進(jìn)度[2]。

2 研究方法

2.1 結(jié)構(gòu)、材料分析

電刷組件將外部電流（勵(lì)磁電流）通過碳刷而加到轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子上（輸入電流），碳刷是電機(jī)傳導(dǎo)電流的滑動(dòng)接觸體，和換向器配合來實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流換向。為了保持碳刷與轉(zhuǎn)動(dòng)電樞的恒定接觸，就需要由具備儲(chǔ)能功能的渦卷彈簧來提供動(dòng)能。為了確保電機(jī)的工作可靠性，渦卷彈簧采用60Si2MnA的合金彈簧鋼帶狀材料，通過等溫淬火加回火的熱處理工藝后，該材料具有較高的強(qiáng)度和彈性極限，也具有較高的屈強(qiáng)比、較高的抗松弛能力和回火穩(wěn)定性，特別是其疲勞壽命將顯著提高。

2.2 判斷標(biāo)準(zhǔn)

電刷使用性能良好的標(biāo)志應(yīng)該為：A.在換向器或集電環(huán)表面能較快形成一層均勻、適度和穩(wěn)定的氧化薄膜；碳刷的使用壽命長(zhǎng)，并且不磨損換向器或集電環(huán)；B.碳刷具有良好的換向和集流性能，使火花抑制在允許的范圍內(nèi)，并且能量損耗?。籆.電刷運(yùn)行時(shí)，不過熱、噪音小、裝配可靠、不破損；碳刷裝入刷握架內(nèi)要保證能夠上下自如的移動(dòng)，碳刷與刷握架內(nèi)壁的間隙在0.05～0.15mm之間，以避免碳刷和刷握之中因間隙過大產(chǎn)生擺動(dòng)；D.刷握架下邊緣距電樞表面應(yīng)該保持適當(dāng)?shù)木嚯x，如距離過小，刷握架容易觸傷換向器，距離過大，碳刷易振動(dòng)而導(dǎo)致破損；E.施于同一臺(tái)電機(jī)各碳刷的單位壓力應(yīng)力求均勻，以免電流分配不均，導(dǎo)致個(gè)別碳刷產(chǎn)生火花，對(duì)于轉(zhuǎn)速較高的電機(jī)或振動(dòng)條件下工作的電機(jī)，應(yīng)適當(dāng)提高單位壓力來保證正常工作,通常碳刷單位壓力過高，使碳刷的磨損加劇，單位壓力過小，接觸不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)機(jī)械火花[3]。

2.3 工作方式

電刷組件中刷握架和碳刷是恒量，變動(dòng)量為渦卷彈簧對(duì)碳刷的壓力，因此準(zhǔn)確測(cè)量渦卷彈簧對(duì)碳刷的壓力成為影響電刷組件工作可靠性的關(guān)鍵。渦卷彈簧為阿基米德螺旋線型（見圖1），彈簧圈數(shù)多，變形角度大，主要特點(diǎn)是體積小、載荷大、變剛度，廣泛應(yīng)用于空間小、承受交變載荷的場(chǎng)合和減震裝置。彈簧一端固定，另一端承受外加扭矩，在扭矩作用下彈簧材料產(chǎn)生彎曲彈性變形，其變形角的大小與扭矩成正比，在垂直于其軸向的平面內(nèi)，形成扭轉(zhuǎn)力矩，借以儲(chǔ)存能量。目前通用的電刷彈簧測(cè)力采用彈簧秤人工操作，由于人工每次用力不易控制，造成測(cè)力時(shí)每一件電刷彈簧的拉動(dòng)角度不一樣，這就影響力的精度和準(zhǔn)確性，另外還存在操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度大和工作效率低等問題。

圖1 渦卷彈簧

2.4 方案制定

為解決新機(jī)試修過程中的技術(shù)瓶頸，保障飛行訓(xùn)練需求，縮短武器裝備在廠大修時(shí)間，通過對(duì)電刷組件的工作原理及渦卷彈簧彈力的測(cè)量方法進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一套測(cè)量裝置，通過標(biāo)定合格的定量值砝碼和電指示燈配合，能夠保證每一次測(cè)量時(shí)電刷彈簧的扭轉(zhuǎn)角度相同，從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確性和一致性，采用指示燈能夠直觀地顯示電刷彈簧在所要求的位置時(shí)，對(duì)碳刷產(chǎn)生的壓力是否在規(guī)定的范圍，而且是在模擬工作狀態(tài)下的測(cè)量值，減少了使用過程中的變量，確保其工作穩(wěn)定性[4]。

3 設(shè)計(jì)渦卷彈簧彈力測(cè)量裝置

擬定技術(shù)難點(diǎn)，構(gòu)思設(shè)計(jì)方案：克服行業(yè)內(nèi)渦卷彈簧電刷組件模擬工作狀態(tài)下張力測(cè)量不便的技術(shù)難題，提供一種設(shè)計(jì)合理、使用方便、工作效率高、直觀且測(cè)量方便準(zhǔn)確的電刷彈簧測(cè)力裝置。針對(duì)方案的技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)電刷彈簧測(cè)力裝置進(jìn)行逐一分解細(xì)化。

（1）傳統(tǒng)的測(cè)量方法是在單獨(dú)的刷握架組件上進(jìn)行測(cè)量，僅需將刷握架固定，采用彈簧秤檢測(cè)碳刷壓臂壓力在規(guī)定范圍內(nèi)，再用塞尺去檢測(cè)0.5mm間隙即可。采用這種方法在禁止拆卸的前端蓋組合件中無法施行，并且測(cè)量不準(zhǔn)確，因此，新設(shè)計(jì)的渦卷彈簧測(cè)量裝置必須克服測(cè)量時(shí)定位、施力等方面的約束。

（2）為了克服測(cè)量不直觀、操作不便捷的技術(shù)難題，設(shè)計(jì)時(shí)模擬電刷組件的工作狀態(tài)及碳刷的導(dǎo)電特征，將極限狀態(tài)的彈力值通過低壓電源指示燈直觀地顯現(xiàn)出來，原理為：a.工藝碳刷、電極棒形成通路，連接24V電源及電源開關(guān)、指示燈；b.使用時(shí)先添加已標(biāo)定合格的下極限值的砝碼，此時(shí)指示燈亮，繼續(xù)添加砝碼，使工藝電刷與電極棒脫開，指示燈滅，零件即為合格；c.如果施加下極限值的砝碼時(shí)指示燈滅或者添加砝碼一直到上極限值時(shí)指示燈仍亮，零件即為不合格。采用了能夠?qū)щ姷狞S銅材料制作工藝碳刷，其外四方的尺寸與碳刷一致，與刷握架方孔的配合間隙保持為0.05mm～0.1mm，既保證能夠上下自如的移動(dòng)，又不至于測(cè)量時(shí)發(fā)生偏斜；其長(zhǎng)度尺寸保證在刷握架安裝位置上平面的0.5mm處，與技術(shù)條件要求一致（見圖2）。

圖2 彈力測(cè)量裝置

（3）為保證測(cè)量時(shí)施加砝碼的重力不受刷握架的干涉，根據(jù)絕緣模壓電刷環(huán)組件與刷握架方孔60°的角度位置關(guān)系，設(shè)計(jì)定位座保持測(cè)量時(shí)安裝位置的唯一性，且工藝碳刷安裝孔的軸線與施力砝碼中心一致。

（4）為保證測(cè)量裝置的穩(wěn)定性和精確度，基座采用球墨鑄鐵材料，精加工各安裝面和基準(zhǔn)孔，電極棒與基座聯(lián)接部分采用電膠木隔離，防止基座導(dǎo)電。

（5）電機(jī)試驗(yàn)，檢查電刷組件工作可靠性。將電機(jī)安裝到性能試驗(yàn)器上，連接好電機(jī)電源線，起動(dòng)電機(jī)，調(diào)節(jié)直流電源電壓為28.5V，調(diào)節(jié)力矩至額定轉(zhuǎn)矩0.147N.m，工作30分鐘后，檢查電機(jī)額定電流不大于10A，額定轉(zhuǎn)速為6300～6900r/min，拆下電機(jī)防護(hù)罩，在額定狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，檢查換向器火花等級(jí)應(yīng)不超過規(guī)定級(jí)別。

4 測(cè)量裝置的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）該裝置解決了行業(yè)內(nèi)渦卷彈簧電刷組件的組合修理及測(cè)量技術(shù)難題，將極限狀態(tài)的彈力通過低壓電源指示燈直觀地顯現(xiàn)出來，彌補(bǔ)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)修理故檢技術(shù)上的空白。

（2）積極開展工藝研究，從航空修理深修精修的角度，注重分解細(xì)節(jié)、修理的要點(diǎn)、裝配的手段、實(shí)驗(yàn)的參數(shù)等，合理利用資源，修舊如新，確保電刷組件的工作可靠性。

（3）電刷組件包含有絕緣膠木、銅合金、合金彈簧鋼、石墨等材質(zhì)，通過測(cè)量研究，能有效保證這些材料的再利用，為推動(dòng)裝備可持續(xù)發(fā)展提供了新途徑，在節(jié)能環(huán)保方面做出較大貢獻(xiàn)。

（4）相比于國(guó)內(nèi)同行業(yè)的其他渦卷彈簧檢測(cè)方法和手段，該裝置在不允許拆卸刷握架的條件下，模擬其工作狀態(tài)下檢測(cè)渦卷彈簧壓力，測(cè)量精確，工作效率高。

5 結(jié)語

相比于國(guó)內(nèi)同行業(yè)渦卷彈簧的檢測(cè)方法和手段，本研究通過對(duì)電刷組件功能模式及故障機(jī)理加以分析，設(shè)計(jì)專用測(cè)量裝置，根據(jù)電刷組件的工作狀態(tài)及碳刷的導(dǎo)電特征，將極限狀態(tài)的彈力通過低壓電源指示燈直觀地顯現(xiàn)出來。克服傳統(tǒng)測(cè)量方法中操作不方便，讀數(shù)不直觀，且容易產(chǎn)生誤判的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，模擬其工作狀態(tài)下檢測(cè)渦卷彈簧壓力，測(cè)量精確、工作效率高。組合式電刷渦卷彈簧測(cè)力方法及測(cè)力裝置的設(shè)計(jì)思路，可以推廣應(yīng)用于航空、汽車、機(jī)床設(shè)備等機(jī)電行業(yè)。