电刷再成型影响因素分析

李宁瑞， 康 超， 徐 进， 周璋鹏， 宋国云， 李玉明

（国网甘肃省电力公司检修公司， 甘肃 兰州 730070）

引言

电刷和滑环是调相机的重要组成部分，调相机工作时励磁电流由电刷经过滑环流至转子，调相机运行时由于电刷与调相机位置相对固定，滑环与电刷相对转动，故滑环与电刷不断摩擦，且电刷的磨损位置也不同。但新出厂的电刷成品形状相同，不适合将新电刷直接放入调相机。新电刷更换后电刷与滑环接触面积变小，在调相机运行时容易出现局部电流增大，导致局部温度过高，发生火灾，危害调相机的运行[1-2]。针对现有问题，对现阶段电刷再加工设备及方法进行了研究，基于砂轮磨削加工的方法设计了一种电刷再加工装置。

砂轮是电刷研磨装置的核心组成部分，通过砂轮完成电刷表面的切除。国内外相关研究成果表明，材料成形由多个复杂因素决定。刘立飞[3]通过砂轮与零件磨削过程得到砂轮剩余高度数学模型。本文基于电刷再加工装置对电刷研磨过程的影响因素进行研究，并通过实验进行验证，为后续的电刷再加工提供理论指导。

1 电刷再加工过程建模

电刷研磨装置如图1 所示，该装置包括机械装置和控制装置两部分。丝杠滑块连杆机构与刷握、砂轮配套使用。整体采用导向槽框架结构，在研磨作业过程中，滚珠丝杠分别带动刷握和砂轮旋转[4]。

分析电刷再加工装置，由其接触形式可得，电刷再加工过程为滑动摩擦。由图2 可知，电刷与砂轮接触面发生粘着磨损。在电刷加工过程中，电刷在弹簧的作用下，其表面与砂轮发生滑动摩擦，随着电刷不断被磨削，在摩擦副的持续作用下形成磨屑。

根据J.F.Archard 提出的粘着磨损机理模型[5]，砂轮微凸块与电刷相互接触且电刷质地较软，电刷在弹簧的压力下，其接触面存在法向载荷P，并发生塑性形变，假设在电刷加工时材料去除的半径为r，故电刷所受法向载荷和在加工过程电刷磨削的总体积分别为：

式中：n 为接触面微凸块总数；σ 为材料屈服应力，N。

式中：V 为电刷磨削体积，mm3。

砂轮微凸块与电刷相对位移为2r，电刷磨削率即为微凸块在滑动摩擦单位距离内的去除电刷的总体积，在电刷加工时，电刷表面部分微凸块与砂轮表面接触，为提高结果的正确性，设实际接触微凸块数与微凸块总数的比为λ。因此可得到电刷弧面成形的去除率为：

式中：λ 为去除系数，λ 是一个较为复杂的变量，与作业条件、砂轮粗糙度等众多因素有关，其值有待进一步确定。

将（1）式代入（3）式可得：

通过式（4）可以看出，影响电刷弧面成形的去除率模型存在三个因素。故电刷去除率应根据电刷实际加工装置来确定。

2 电刷研磨实验

以电刷再加工装置为实验平台，通过建立电刷去除模型的预测公式，得出去除率不仅和接触载荷大小有关，还和砂轮的角速度以及摩擦系数等因素有关。为分析三个因素对电刷研磨精度的影响程度，采用三因素三水平正交实验方法，分析压紧弹簧弹性系数、驱动砂轮的步进电机脉冲频率和砂纸粗糙度对电刷研磨精度的影响程度和主次顺序。

实验中采用型号为DP35 的电刷，电刷横截面尺寸为38.1 mm×25.4 mm，实验装置通过压紧弹簧调整接触载荷大小，电刷固定在刷握模具中，压紧弹簧通过电刷连接到刷握的接口上。实验中，压紧弹簧始终保持压紧状态，保证电刷和砂轮之间不会上下跳动。实验中的参数设定参考研磨中电刷的真实工作状态，正交实验的因子水平表如表1 所示，实验方案正交表如表2 所示（其中：K、k 分别为电刷再加工时材料去除率因素、水平及其均值。），实验结果极差分析表如表3 所示。

表1 因素水平表

表2 实验方案正交表

表3 极差分析表

通过极差分析表可知实验结果为T2＞T3＞T1，因此因素2 也即因素B 对结果的影响最大，其次依次为因素3（因素C）、因素1（因素A）。此外，δ31＞δ11＞δ21，δ22＞δ12＞δ32，δ33＞δ23＞δ13，实验以电刷研磨去除率为评判因素，为获得较好的弧面成形效果，去除率越高越好，故得到对应水平因素的最优组合为A3B2C3，即砂轮步进电机脉冲频率5 000 Hz、压下弹簧弹性系数1 200 N/m、砂纸目数60 目。

3 结语

本文建立了电刷去除材料的去除率数学模型并获得研磨次数的目标函数，通过电刷在加工装置进行试验，对电刷研磨影响因素进行分析，并对研磨次数的数学模型进行验证，得到电刷磨削去除率对压下弹簧弹性系数即载荷最敏感，砂纸目数次之，砂轮步进电机脉冲频率即砂轮滑动速度最弱，并得到影响因素的最佳组合方案为砂轮步进电机脉冲频率5 000 Hz、压下弹簧弹性系数1 200 N/m、砂纸目数60 目。