田苗　龍素華　劉強

　　摘　要：文章在產品設計不存在缺陷及零組件加工精度可保證設計要求的前提下，僅對有刷式航空直流電機總裝和試驗方面的四點工藝問題進行剖析。所涉及的分析可涵蓋所有有刷式直流電機，理論闡述僅以直流發(fā)電機為例。
　　關鍵詞：直流電機；工藝；刷盒校正；精磨；軸承裝配；調整

　　0　引言
　　在電機裝配過程中的刷盒校正工作是有刷式直流電機一道的工序，其主要目的是使電刷與換向器接觸時，處于設計要求的角度偏差范圍之內，以保證電刷和換向器的相對位置精度。
　　1　刷盒的校正
　　1.1機理
　　每種直流電機都以不同的設計指標來實現(xiàn)較理想的性能，對于物理中性線和幾何中性線尤其關鍵。保證物理中性線的兩個重要指標都在電樞上，一個是換向器上換向片對軸線的偏斜量，另一個是換向器的定位。而決定產品幾何中性線的兩個因素都在產品定子上，即磁極定位孔的位置度以及磁極加工裝配的精確程度。除這些尺寸外，換向極幾何尺寸的設計也會在電機運行過程中對磁場畸變的改善起著舉足輕重的作用。另外電刷裝于端蓋上的相對位置的精確性以及端蓋與定子固定后的相對位置等因素也會影響到產品運行時物理中性線和幾何中性線的偏移程度。
　　從電機理論上講，對于直流電機，整機的各項指標均與換向有著密切的聯(lián)系，特別是發(fā)電機的激磁電流，其大小取決于磁場的強弱即主磁通的豐富程度。首先應明確的是直流發(fā)電機在低轉速、輕載狀態(tài)下工作時，磁場不飽和電樞反應的程度不大，物理中性線和幾何中性線偏離不多，主磁通也較豐富，系統(tǒng)自我調節(jié)較好，電機工作穩(wěn)定。但直流發(fā)電機在高轉速、滿負載狀態(tài)下工作時，磁場趨于飽和或已經飽和，電樞反應的程度也加深。主磁通量比低轉速時少的多，主磁極磁勢也相應很小，但電樞磁勢取決于線負荷，因此其合成磁場的分布嚴重畸變，使得電機運行時的物理中性線遠離幾何中性線，導致電刷下?lián)Q向元件的電勢增大，不但激磁電流會增大，還會使換向惡化?？梢娢锢碇行跃€和幾何中性線偏離越多，越不利于產品工作。校正刷盒的工作就是針對電刷裝于端蓋上的相對位置的精確性進行控制。
　　1.2現(xiàn)行的工藝狀況
　　我們現(xiàn)行的校正刷盒工藝一般情況下是使用專用的夾具來完成，夾具中心是模擬的電機換向器。操作時先將刷盒預裝在電機的端蓋或定子上不固緊，然后整體定位安裝在夾具上，再用與夾具配套使用的導尺穿過刷盒使其相對位置固定之后再將刷盒固緊，此時導尺便是未來電刷的模擬件。專用夾具上刷盒的準確定位和精確的導尺尺寸是保證校正精度的前提。
　　1.3存在問題
　　對于成熟的老產品，專用夾具和導尺經過長期使用，其關鍵尺寸必定會產生磨損，如定位角度增大、定位寬度減小等將直接影響到校正精度。對于新研制的直流產品，若工藝員對校正工序的認知不足，所定制的專用夾具結構不完善、精度不高，甚至不采用工裝，對工藝資料不做要求，抑或漏掉校正工序等必將對產品的整機性能產生不良影響。
　　1.4改進意見
　　將校正工序的專用夾具納入量具的管理范疇，對其進行定期檢定以保證其關鍵尺寸的精度。對相關人員進行深入培訓，提高其理論水平和操作水平。
　　2　電刷的磨合
　　2.1機理
　　電刷磨合的目的是在換向器表面充分形成氧化膜。電機工作時，在電刷與換向片之間有一層主要由氧化亞銅和碳粉組成的氧化層，氧化亞銅是一種紅褐色半導體，能以空穴形式導電并具有單向導電特性，它受溫度影響很大。由于氧化亞銅的單向導電特性，在電機工作的過程中正、負電刷接觸壓降不同，其正、負電刷下的換向火花狀態(tài)也不盡相同。由于電刷與換向器的不斷摩擦，會破壞已生成的氧化亞銅薄膜。但由于電流通過時，溫度升高空氣中又有水分，將使銅很快被再次氧化。這種銅表面氧化膜的破壞和再生交替進行，維持了動態(tài)平衡。氧化膜電阻較大有利于換向，也有利于激磁電流的穩(wěn)定，同時這種氧化膜還起潤滑作用可以保護電刷，以維持電刷與換向器之間的正常壓降，而這也是我們在日常直流電機生產過程中要求電刷進行較長時間研磨的原因。此舉不僅可以使電刷與換向器充分貼合還能形成良好的氧化膜，盡可能減小電刷壓降。若此項工作不到位，不但會影響電機的換向，還會使其它參數(shù)發(fā)生偏差。
　　2.2現(xiàn)行的工藝狀況
　　一般情況下電刷的磨合分為粗磨和精磨兩個工步。粗磨是為了使電刷與換向器基本貼合，操作過程是將電刷的來料拉出基本符合要求的弧度，此工步一般靠與產品精度相同的工藝換向器及工藝刷盒來完成，操作方面不存在明顯問題。精磨是為了形成良好的氧化膜，需要給電機通直流電，使其工作在低速電動機工作狀態(tài)下，磨合的時間一般為2472小時，不同產品施加的直流電壓也不盡相同。在精磨過程中，電機表面需要通風冷卻，現(xiàn)行生產使用普通軸流風扇實現(xiàn)。
　　2.3存在問題
　　實踐證明，氧化膜的存在是電機良好換向的必要條件。這是因為氧化膜本身不僅具有一定的電阻，其表面還經常吸附著薄層的水份、氧氣、碳和石墨粉末，具有較好的潤滑作用，有利于減小電刷和換向器的磨損。而氧氣和水份是形成這一層氧化亞銅薄膜的必要條件。但因為自然氣候的變化，在高溫干燥的氣候條件下，磨合中成膜較困難。在限定的時間內換向器表面無法形成良好的氧化層，甚至有些電機因過熱而出現(xiàn)換向器嚴重變色的現(xiàn)象。
　　2.4改進意見
　　對精磨電刷廠房實施濕度控制，改善通風條件。
　　3　軸承的裝配
　　3.1軸承質量和裝配質量的重要性及我公司電機生產方面面臨的嚴峻形勢
　　一般情況下，電機兩端軸承安裝后的狀態(tài)是不同的，其中一端的外環(huán)被軸承蓋壓死，不能有任何方向的活動，而另一端的外環(huán)端面與軸承蓋止口端面有一定的間隙（也稱自由端），且軸承外環(huán)與軸承室為間隙配合，所以該軸承外環(huán)可以在軸向有一定量的活動空間，同時也可有在軸承室內微量旋轉的余地。這樣設計的原因有以下兩個方面：
　?。?）一端固定是為了限制轉子軸向過大的竄動量；
　　（2）另一端留一定的活動余量是為了解決轉子因運行產生熱量使其轉軸膨脹伸長帶來的一些問題。
　　若兩端軸承都被壓死，則會發(fā)生以下現(xiàn)象：
　?。?）軸承內、外環(huán)在軸向上的錯位量將可能達到極限，使軸承滾動體阻力加大，產生過熱和較高的噪聲、振動，嚴重時會造成軸承損壞；
　?。?）轉軸產生較大的撓度，嚴重時會造成定、轉子相擦而掃膛。
　　上述兩種情況都會導致整機因過流而燒毀。
　　軸承質量的好壞以及裝配是否符合要求，包括所使用潤滑脂質量的優(yōu)劣和用量都將直接影響一臺電機整機質量的水平。因軸承質量不合格或裝配質量未達到工藝要求所造成的電機質量問題，大部分能在出廠檢查時發(fā)現(xiàn)，但也有一部分會在用戶使用一段時間之后發(fā)生，此時若能及早發(fā)現(xiàn)，通過較簡單的處理或更換，對一般用戶來講可能損失還不會太大，但若未能及時發(fā)現(xiàn)，就會造成軸承嚴重損壞，導致運轉不靈直至定、轉子掃膛。若再加上無控制保護或保護失效，很快就會發(fā)生繞組過熱燒毀的重大事故，給用戶造成較大損失。所以對軸承使用前的檢查以及裝配工藝的確定和實施，是電機組裝中一個非常重要的環(huán)節(jié)。
　　我公司生產的X型號的直流發(fā)電機近年來交付數(shù)量較多，用戶需求驟增。隨著使用頻次的增加，該電機在使用過程中屢次發(fā)生掃膛故障，而最難分析的是電機已掃膛，且軸承全部解體，整機已面目全非的失效故障，往往以上幾種情況攙雜在一起，了無頭緒。有時是一因多果，有時是一果多因。通過對設計、工藝、生產過程等環(huán)節(jié)的復查結果來看，不能排除軸承質量和裝配方面存在的隱患。
　　3.2對潤滑脂添加量的要求
　　潤滑脂注入過多或過少都將對電機的運行產生不利影響。注入量過多時，軸承運轉阻力增大，將產生過多的熱量，使軸承溫度升高，機械損耗增加，當軸承溫度達到“滴點”（滴點是指潤滑脂從不流動向流動轉變時的溫度值）時，就將成為液體狀而從軸承的縫隙中流出，最終失去潤滑作用導致軸承損壞，甚至損壞電機；反之，注入量過少則會因潤滑不充分而造成滾子與軌道較快磨損，在運轉過程中先出現(xiàn)較大的噪聲，且軸承溫度較高，隨后噪聲進一步增大，溫度急劇升高直至損壞，嚴重時會導致軸承抱死或者定、轉子掃膛等。比較合適的油脂注入量應視軸承室空腔容積（將兩個軸承蓋與軸承安裝完畢后，其所包容的內部空間中空氣占有的部分）大小和所用軸承的極限轉速及電機工作轉速而定。一般情況下，所需的注油量根據(jù)產品的設計經過細致計算之后得出。
　　3.3經驗總結
　　3.3.1關于軸承游隙
　　軸承游隙的定義為一個套圈固定，另一個套圈不受載荷時，沿徑向或軸向從一個極限位置到另一個極限位置的移動量。按其移動方向，前者稱為徑向游隙，如圖1所示，后者稱為軸向游隙，如圖2所示。游隙是滾動軸承的重要指標，也是軸承應用中的一個重要參數(shù)。不同的軸承游隙對電機的運行會有不同的影響，其中影響的是振動和噪聲，另外是軸承發(fā)熱和不正常的損壞，所以應按規(guī)定裝配。

　　3.3.2深溝球軸承游隙的簡易測量方法
　　深溝球軸承的游隙可用專用的儀器進行測量，得到比較精確的數(shù)值。在條件不具備時，可使用簡易測量法，這種簡易測量法適用于個體差異較大的軸承的分析與對比。

　　3.3.2.1徑向游隙的簡易測量方法
　　（1）擠壓熔絲法
　　采用擠壓熔絲法可粗略測量徑向游隙。將一段熔斷器用熔絲（俗稱保險絲）插入兩個滾珠的空隙中并用手拿住，固定軸承內圈，轉動外圈，使熔斷絲壓入外圈與滾珠之間，擠壓之后取出熔絲，用外徑千分尺測量擠壓部分的厚度尺寸，該值即為該軸承的徑向游隙尺寸。擠壓熔絲法測量徑向游隙示意圖如圖3（a）所示。

　?。?）千分表測量位移法
　　首先將軸承的內圈壓在一個與水平面垂直的平板上，內圈的下面墊上一層薄片，使外圈與平板不接觸并靠其自身的重力下垂，輕輕旋動軸承外圈，使?jié)L珠與內圈和外圈溝道中心線接觸，見圖3（b）所示。在上述軸承的自由狀態(tài)下，用千分表的測頭對準軸承外圈外表面的上側面（圖中B方向）中部，調整好千分表的測量力之后，轉動表蓋使指針對準零位（使用數(shù)顯式千分表時將顯示值置零）。之后扶住外圈下端（圖中A端），并用適當?shù)牧ρ剌S承徑向（豎直向上）朝B端方向推，使球在A方向與內、外圈均密切接觸。記錄下千分表的讀數(shù)。該讀數(shù)值即為被測軸承在這一位置時的徑向游隙。最后將外圈轉動一定的角度再重復上述操作，得到幾個不同角度的徑向游隙值，取平均值作為最終結果。
　　3.3.2.2軸向游隙的簡易測量方法
　　首先將軸承的內圈壓在一個平臺上，內圈的下面墊上一層薄片，使外圈在靠自身重力的作用下自然下沉不與平臺接觸，用千分表在外圈端面中心圓處在整個圓周上每相隔90°測量一點數(shù)值并做好記錄，測量時千分表對軸承的壓力應盡可能小，以防止另一端翹起，見圖3（c）所示。其次將軸承外圈整體向上拉起并保持穩(wěn)定，用上述方法按照要求測量同4個點的數(shù)值，然后計算每點兩次測量值之差，取其值的平均值作為被測軸承軸向游隙的最終結果。
　　3.3.3生產過程中的控制要點
　　3.3.3.1組裝現(xiàn)場的要求
　　在組裝現(xiàn)場，可用手感法簡單檢查軸承游隙是否合適。手握軸承前后晃動或兩手托起軸承上下左右晃動，不應有明顯的撞擊聲，這種簡易的方法可對軸承的加油量進行感性判斷，以此杜絕漏加油問題出現(xiàn)。
　　3.3.3.2裝配時的關鍵工藝要求
　?。?）對工裝、設備等的要求
　　進行軸承裝配所使用的壓床（或壓力機）必須完好，具有設備管理方面的證明標志。支座、壓頭等工裝必須完好，符合工具管理的相關要求，不允許使用有缺陷的工裝或任意取用其它工裝。支座、壓頭應保證軸承壓入軸承室內時軸承的外環(huán)受力與軸承壓入轉子軸頸上時軸承的內環(huán)受力。
　?。?）對裝配用料的要求
　　用于軸承壓裝過程中的潤滑脂必須為專用潤滑脂，單獨鎖存，與其它油脂嚴格區(qū)分。每次使用之前確認油脂的使用期限應在油脂規(guī)定的范圍之內且沒有被其它物質污染。用于涂潤滑脂的畫筆也應與其它畫筆區(qū)分，嚴禁與涂漆、涂油的畫筆混合使用，不同牌號的潤滑脂也應使用不同的畫筆。對于新產品的生產，與軸承裝配有關的定子、轉子、端蓋、軸承等零組件必須具有合格證。對于大修或故障等外場返回產品，必須確認待裝配零組件的配套性。
　?。?）對裝配環(huán)境的要求
　　在裝配現(xiàn)場，特別是壓床（或壓力機）的壓頭部位及周邊應清潔到位，不允許有鐵屑、木渣、刷毛等任何雜物。另外工裝、設備、工作臺、工作車等也應無油污、溶劑等物質。
　　（4）操作要求
　　首先在轉子的軸頸部位、軸承室的內壁上均勻涂一層工藝資料要求的潤滑脂，在壓裝時壓床給壓頭次施壓時應輕觸，找正后再均勻施壓壓裝。一般情況下應分3或4次壓完，不允許一次完成，每壓下一個行程，抬起壓床的壓頭將轉子輕轉約1/41/2圈之后再次施壓。嚴禁用榔頭或其它物體直接敲擊軸承。最后對于軸承外環(huán)和軸承室配合關系為間隙配合的產品，嚴禁使用任何壓裝工具或敲擊，應手按即入或呈自由狀態(tài)裝入，否則應停止裝配。
　　4　工作點的調整
　　4.1機理
　　有刷式直流電機工作點的調整，其中心目的是在電機工作時，幾何中性線和物理中性線之間的偏移達到最小，從而限度減少加載狀態(tài)下的電樞反映，使各項性能參數(shù)達到值。對于發(fā)電機來說，在負載工作時，主極前極尖（即電樞旋轉時首先遇到的極尖）的磁場被削弱，后極尖的磁場被加強。物理中性線將順著電樞旋轉方向從幾何中性線前移動一個角度，如圖4（a）所示的角。此角度越大，說明電樞反應越強烈，去磁作用越強，主磁通越弱，激磁電流水平越高。因此盡可能減小這個角度就成為我們改善產品性能的主要考慮。一般情況下，可通過調節(jié)電刷與換向器的相對位置來實現(xiàn)降低激磁電流水平的目的。

　　在調整激磁電流的同時，需兼顧換向火花。移動電刷，使換向元件置于主極磁場下，這時換向元件將切割由主極磁勢和電樞反應磁勢共同產生的氣隙磁感應強度，產生感應電勢。當該感應電勢的大小和方向合適，使其抵消電抗電勢便達到了改善換向的目的。參照圖4（a），直流電機計及交軸電樞反應之后，物理中性線偏轉了角，因此若將電刷位置偏轉角（與電樞旋轉方向相同），那么換向元件處在物理中性線位置，不存在切割電勢。如果電刷偏轉超過角，使換向元件所處的氣隙磁場極性和幾何中性線位置的磁場極性相反，就可產生與電抗電勢方向相反的切割電勢，達到上述目的。根據(jù)物理中性線偏轉方向分析，為改善換向，直流發(fā)電機的電刷應順電樞旋轉方向偏轉，而直流電動機則按逆電樞旋轉方向偏轉電刷。為取得的整機參數(shù)，在調整激磁電流的同時需兼顧換向火花。
　　4.2現(xiàn)行的工藝狀況及存在問題
　　在日常生產過程中，操作者只要求做調整，但不知為什么調整？有些操作者知道為什么調整，但不知如何調整？還有一些操作者對調整的機理和方法都較清楚，但不能熟練操作。特別是批生產進行調整的直流電機，如果相關工藝人員及試驗工對調整工作的機理、意義、目的、方法、技巧等不能充分認知和掌握，勢必造成整機的電性能無法處于狀態(tài)。這就需要針對不同產品的參數(shù)、性能、操作人員進行一系列強化培訓，以期獲取的產品參數(shù)。
　　5　結語
　　在某教練機12kW主電源直流發(fā)電機研制初期，該產品曾出現(xiàn)過幾次激磁電流超標、調節(jié)特性不佳、換向火花不穩(wěn)定等發(fā)電機性能問題，當時采取的改進措施是將該產品換向器端端蓋的固定孔從圓形改為條形孔，如圖5所示，其它直流發(fā)電機的換向器端端蓋多數(shù)為可調型，用以調節(jié)電刷和換向器的相對位置，獲得理想的換向和激磁電流水平。在發(fā)電狀態(tài)下，按逆電樞旋轉方向調節(jié)電刷使激磁電流水平降低的機理在于：使直軸電樞反應呈現(xiàn)助磁作用，如圖4（b）所示，從而增加有效磁通，使激磁電流水平下降。應注意不同產品的特性需求，每次的調節(jié)量不宜過大，以12mm為宜。電動機狀態(tài)下，順電樞旋轉方向調電刷，直軸電樞反應呈現(xiàn)助磁作用，如圖4（c）所示。電動機狀態(tài)下，逆電樞旋轉方向調電刷，直軸電樞反應呈現(xiàn)去磁作用，如圖4（d）所示。

　　參考文獻
　　[1]方日杰.電機制造工藝學[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.
　　[2]劉迪吉.航空電機學[M].北京：國防工業(yè)出版社，1986.
　　[3]湯蘊.電機理論與運行[M].北京：水利電力出版社，1983.
　　[4]王恒，李陳康.基于雙單片機的無刷直流電機調速系統(tǒng)的設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2015，5（12）：47-50.
　　[5]趙坤，張偉.積分分離PID算法在直流電機中的研究應用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2016，6（2）：65-66.
　　[6]羅兆良.航空直流發(fā)電機型式試驗節(jié)能探索[J].航空制造技術，1985（9）：30-32.
　　[7]陳祥甫.直流電機換向器整體性和機械強度工藝分析與改進[J].航空制造技術，1996（1）：37-39.
　　[8]劉曼蘭.永磁直流電機故障在線監(jiān)測與智能診斷的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2007.

來源：《物聯(lián)網(wǎng)技術》2016年12期