張淼

（ 銳奇控股股份有限公司，上海 201612 ）

電鉆電刷壽命縮短的原因分析及對策

張淼

（ 銳奇控股股份有限公司，上海 201612 ）

以某重型電鉆為例，通過其電刷及換向部件存在的不良現(xiàn)象與裝配缺陷，結(jié)合開發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)例，從電機(jī)參數(shù)，刷握定位，材料以及安裝設(shè)備調(diào)試等方向提出相應(yīng)的解決方案。試驗(yàn)顯示，經(jīng)改進(jìn)后的工具使用壽命有較大提升。

電鉆；電刷；換向器；換向器線速度；變負(fù)載

0 引言

電鉆是一種設(shè)計(jì)用于在諸如金屬、塑料、木材等多種材料間鉆孔的工具，在建筑和裝飾等工業(yè)領(lǐng)域以及日常家庭作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合電動(dòng)工具制造企業(yè)開發(fā)設(shè)計(jì)過程中的相關(guān)案例，對電鉆的電刷部分進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的改善方案。

1 概述

電鉆按輸出功率和額定轉(zhuǎn)矩不同可分為三種類型：A型普通電鉆，主要用于普通鋼材鉆孔；B型（重型）電鉆，主要用于優(yōu)質(zhì)鋼材及各種鋼材的鉆孔，具有較高的鉆削生產(chǎn)率；C型（輕型）電鉆，主要用于有色金屬、鑄鐵和塑料等材料的鉆孔。

本文所述電鉆是B型電鉆中的一種，功率為580W，轉(zhuǎn)速為2900r/min，齒輪傳動(dòng)為一級傳動(dòng)，大齒輪齒數(shù)為43、材料為40Cr、模數(shù)為1mm，齒面經(jīng)高頻熱處理，為硬齒面；小齒輪齒數(shù)為4、材料為35CrMo，齒面同樣經(jīng)高頻熱處理，同為硬齒面。電鉆夾持能力為1mm～10mm。

2 失效形式

依據(jù)開發(fā)流程的測試大綱中變負(fù)載測試，要求第一副電刷壽命≥120h，整機(jī)壽命≥250h。在實(shí)測過程中發(fā)現(xiàn)，第一副電刷壽命過短，僅為35h左右，無法滿足整機(jī)的性能要求和開發(fā)目標(biāo)。對失效后的電鉆樣機(jī)進(jìn)行拆機(jī)分析后顯示，換向器表面磨損嚴(yán)重，每隔一片換向片出現(xiàn)燒灼現(xiàn)象，且呈現(xiàn)規(guī)律排列。另外，表面沒有形成良好的氧化膜，碳刷磨損不均勻，一只磨損嚴(yán)重，另一只磨損一半，失效形式見圖1。

圖1 電刷失效形式

3 缺陷分析

3.1 工作條件

將電鉆夾持安裝在負(fù)載測試臺上，夾持位置為機(jī)身部分，上下夾持塊保持V形，在V形夾持塊與機(jī)身中間墊襯橡膠塊，確保電鉆輸出軸與測試臺聯(lián)接頭同軸。經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試后，按測試大綱規(guī)定的測試程序進(jìn)行變負(fù)載測試，如圖2所示。

圖2 變負(fù)載測試

理論上，電機(jī)換向性能差，整機(jī)裝配尺寸調(diào)整不到位，碳刷材料選用不當(dāng)，整機(jī)安裝后運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，負(fù)載電流過大等因素均可造成電刷壽命縮短現(xiàn)象。

3.2 電機(jī)換向

從失效樣機(jī)的電機(jī)換向器表面磨損狀態(tài)可以看出，電機(jī)換向并不理想，由此造成負(fù)載測試過程中換向火花較大，未能在換向器表面形成較好的氧化膜，由于氧化膜缺失使得電機(jī)換向更趨向惡劣，電刷急劇磨損，使用壽命迅速下降。

3.3 裝配尺寸

對電刷磨損較快的刷架在機(jī)殼中的定位部分進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)，定位部分尺寸未能達(dá)到圖紙中規(guī)定的要求，使刷架距離換向器的實(shí)際距離增大，電刷在刷架中的伸出部分加長，造成工具運(yùn)轉(zhuǎn)中存在碳刷晃動(dòng)現(xiàn)象，致使兩只電刷磨損不平衡；另外，電刷與換向器的中心不對稱，也致使電刷磨損加劇。

3.4 材料分析

對所使用的電刷進(jìn)行物理性能測試，其性能特性見表1。

表1 電刷物理性能

3.5 安裝工作臺

對電鉆與負(fù)載測試工作臺的聯(lián)接方式進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)橡膠聯(lián)接頭存在磨損，致使工具在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)欠缺穩(wěn)定。

4 解決方案

4.1 電機(jī)繞線參數(shù)優(yōu)化

被測電機(jī)的繞線參數(shù)為：

轉(zhuǎn)子銅線線徑：φ0.32mm，匝數(shù)：26，偏槽0°；定子銅線線徑：φ0.425mm，匝數(shù)：190。

通過測試報(bào)告的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)電機(jī)的溫升還有較大余量，故對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，更改后的電機(jī)參數(shù)為：

轉(zhuǎn)子銅線線徑：φ0.32mm，匝數(shù)：27，通過對電機(jī)進(jìn)行偏槽3.75°以改善換向性能，減小火花；定子銅線線徑：φ0.425mm，匝數(shù)：208。

通過改變轉(zhuǎn)子、定子的繞線參數(shù)以提高安匝比，達(dá)到改善電機(jī)換向性能、提高電刷使用壽命的目的。通過改變電機(jī)繞線參數(shù)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)速下降的同時(shí)減小電機(jī)振動(dòng)，電刷與換向器的接觸趨于良好，轉(zhuǎn)速降低促使換向器線速度下降，同時(shí)降低了電刷的機(jī)械磨損。

該方法雖有效提高了電刷的使用壽命，但是電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降導(dǎo)致整機(jī)輸出轉(zhuǎn)速同比下降，影響了整機(jī)的切削性能。為保持整機(jī)的切削效率維持不變，將齒輪齒數(shù)比由45：4修正為43：4，以保證輸出轉(zhuǎn)速不變。

4.2 刷握定位校正

電鉆機(jī)殼通常采用尼龍等工程塑料制成，該種材料通過注塑加工一次成型后或可存在輕微變形現(xiàn)象。通過測量發(fā)現(xiàn)，電刷磨損較快一端刷握的定位不穩(wěn)定，且安裝位置在注塑變形后的尺寸未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，造成電刷在工具運(yùn)轉(zhuǎn)過程中相對換向器的位置存在擺動(dòng)，運(yùn)行不平穩(wěn)導(dǎo)致電刷磨損增大。通過對機(jī)殼模具進(jìn)澆口及注塑成型工藝的修改，促使兩邊電刷對換向器的位置統(tǒng)一，減小安裝尺寸使刷握的安裝位置固定，確保電刷在換向時(shí)電流穩(wěn)定。

4.3 電刷材料更改

電刷的性能及工作狀態(tài)對換向及火花影響較大。同一種牌號的電刷在不同的電機(jī)上使用效果并不相同，其實(shí)際壽命有較大的差異性。因此，換向困難的電機(jī)所采用的電刷往往需要經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行后才能最后確定，這與工具本身的功率、轉(zhuǎn)速以及電刷所需的電流密度有極大關(guān)系，涉及到電刷材料與電機(jī)的匹配性。

通用測試，最終選用的材料為MP946D，其物理特性見表2，通過電阻率的增大以及密度的增加，使電機(jī)換向及電刷耐磨性得到有效提高。

表2 電刷物理性能

4.4 工作臺調(diào)整

在測試安裝過程中對電鉆的輸出軸與負(fù)載測試工作臺的聯(lián)接軸進(jìn)行調(diào)整，確保兩軸同心，可排除電鉆在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于輸入端與輸出端產(chǎn)生振動(dòng)造成火花加劇的不良現(xiàn)象。

通過上述調(diào)整，工具整機(jī)的負(fù)載壽命獲得較大提升，運(yùn)轉(zhuǎn)后的換向器表面見圖3。

圖3 碳刷表面比較

5 結(jié)語

通過電機(jī)參數(shù)的調(diào)整，刷握定位改進(jìn)，電刷材料更換以及安裝設(shè)備的調(diào)試，被測工具電刷壽命有較大幅度提升，第一副電刷壽命由35h提升至120h，工具整機(jī)使用壽命由90h提升至260h，充分滿足設(shè)計(jì)要求。

[1]GB3883.6-2012手持式電動(dòng)工具的安全第二部分：電鉆和沖擊電鉆的專用要求[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.2007.

[2]胡巖，武建文，李德成.小型電動(dòng)機(jī)現(xiàn)代實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]GB/T 5580-2007電鉆[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

Analysis and Countermeasures on Shortened Life of Carbon Brush for Drills

Zhang Miao

( Shanghai Ken Holding Co., Ltd., Shanghai, 201612, China )

Set a heavy drill as an example, this paper puts forward the corresponding solutions from the aspect of parameters of the motor, brush positioning, materials and installation of equipment debugging through brush and commutation components faults and its assembly defects. The test results show that the service life of the improved tool is greatly promoted.

Drill; Brush; Commutators; Linear velocity of commutator; Variable load

TM05

A

1674-2796（2017）01-0010-03

2016-08-10

張淼（1969—），男，大學(xué)本科，工程師，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方向研究。