一种铁路电机用电刷及其制备方法与流程

本发明涉及一种铁路电机用电刷及其制备方法，属于电刷加工
技术领域：
。
背景技术：
电机电刷是铁路牵引电机、工业电机、电动机或发电机等旋转机械的固定部分和转动部分之间传递能量或信号的装置。又称碳刷。碳刷是由电刷毛坯经过后期加工配置多种辅件制成，外型多数是方形，镶在金属支架上，然后用弹簧把它紧压在转轴上，碳刷上端引出导线。碳刷大小不一。碳刷作为一种滑动接触件，在许多电气设备中得到广泛的应用。现有技术中，电刷生产分为毛坯生产和毛坯加工。毛坯生产一般采用碳、石墨粉体、炭黑为基料，并以树脂或沥青为粘接材料，经混合、磨粉、成型、固化及石墨化来制造电刷毛坯，毛坯加工要经过很多工序才能完成，后面附有流程图。电机用电刷不仅要有良好的导电性,而且要具有良好的换向性和润滑性。为满足电刷的上述特性,采用电刷毛坯适量浸渍的方法,是一有效途径，目前人们常常采用无醇酚醛树脂作为浸渍剂来改善电刷的性能.电刷的导线连接习惯上有焊接，铆接和粉末填塞三种。其中以金属粉末填塞应用最为广泛。所谓填塞法就是将刷体钻锥形孔或螺纹孔，导线塞进孔中，然后以电解金属粉末捣实于导线与孔壁之间，形成一种机械与电气的连接。这个方法沿用已经几十年，至今仍是电刷加工的主要方法，目前填塞孔使用的都是锥形孔，钻头是普通的高速钢。而现有电刷生产工艺存在如下问题：1.电阻率、硬度、抗折强度、体积密度是决定电刷性能的主要指标，由于电阻率、硬度和抗折强度它们受体积密度的影响是相反的，同时又不是线性关系，所以目前生产出电刷的电阻率、硬度，抗折强度很难达到理想数值，总是不尽如人意，同时还有一个致命的缺点：性能分散性非常大。2.由于现有电刷配方中材料较复杂，尤其是炭黑和石墨粉的粒度较细，松装体积密度较小，比表面积较大，而其他的材料真比重较大，所以它们很难混合均匀。3.压制是关键过程，为了保证电刷性能的一致性，压制体积密度必须控制在很小的范围内，但是应用现有的压力控制法，控制起来非常困难，因为压力会随着温度、油量、压力表自身的精度、寿命还有压机本身的问题而变化。4.焙烧过程就是生坯在填充料保护下，(隔绝空气)进行高温热处理，使沥青焦化的工艺过程称为焙烧。主要是沥青中挥发份的排除，在这期间，制品要经过软化、焦化过程，软化时，很易变形，废品率极高。5.现有的装炉方式，会导致出炉后的制品间分散性很大，因为炉内不同点温度会有区别，而且装炉时制品难免会有对不齐的问题存在，这样就使得不同位置的电阻不同，通电时，不同位置的制品通过的电流会有所不同，也就是不同位置的制品温度会有所区别，进而导致制品间产生分散性6.目前人们常常采用无醇酚醛树脂作为浸渍剂来改善电刷的性能.但是,由于受酚醛树脂本身性能的限制,浸渍后的电刷只能在非氧化酸性介质及一些弱碱性介质中使用。然而,随着电刷市场的蓬勃发展,对电刷的需要量日益增大,其环境介质也有所变更,大多为碳酸钾、氨水、氨气等物质在这种情况下,若用酚醛树脂浸渍电刷往往经受不了碱性介质的浸泡,从而大大缩短了电刷的使用寿命。7.填塞所用的金属粉末通常是电解铜粉，这是为了利用它们的低电阻和受压力产生塑性形变的特点。这种方法比焊接和铆接法简便可靠，也能适应一般负荷的电机使用要求。由于现代电机尤其是大中型直流电机的电流密度往往设计较高，有时额定负荷达16a/cm2以上，冲击负荷可超过20a/cm2。铁路牵引电机、轧钢电机的过负荷冲击十分频繁。在这样的工作情况下常常在电刷的连接处发生过热而导致铆接铜管的膨胀和金属粉末的氧化与收缩，接触电阻增大。电阻的增大又进一步引起过热，如此循环恶化，直至导线连接失效。近年来，在导线连接上发生的事故占的比例不少，它已成为电机运行中的主要麻烦。究其原因，都是由于金属与石墨的胀缩相差悬殊和金属的永久变形所引起的。这些现象目前虽然不十分普遍，但不得不引起电刷制造厂家的严重注意。8.目前填塞孔使用的都是锥形孔，钻头是普通的高速钢。此钻头的缺点是效率低，成本高，磨损快。钻头孔型尺寸误差大，锥形孔的锥度由于钻头的变化无法保证，从而造成脱出拉力不均，经常有掉辫现象发生，接触电阻也偏大。随着市场的日趋变化，此种填塞孔的脱出拉力及接触电阻已经满足不了市场的需求了。技术实现要素：为解决现有技术的不足，本发明提供了一种铁路电机用电刷及其制备方法，采用的技术方案如下：本发明的目的在于提供一种铁路电机用电刷，该铁路电机用电刷是通过两个阶段生产制备而成的，其中：一阶段生产是通过将炭黑、改质沥青和煤焦油加热混合后焙烧，焙烧完成后磨粉制得一阶段产物；其中以炭黑重量为100％计，改性沥青的重量为炭黑重量的40％-60％，煤焦油的重量为炭黑重量的40％-60％；二阶段是生产是通过将一阶段产物，炭黑，改质沥青和硫磺加热混合，经过轧辊、磨粉、压制、焙烧、石墨化、浸渍、精磨、钻孔和装配制得电刷；其中一阶段产物重量百分比为60％-80％，炭黑重量百分比为20％-40％，以一阶段产物和炭黑的总重量为100％计，改质沥青的重量为一阶段产物和炭黑总重量的30％-50％，硫磺的重量为一阶段产物和炭黑的总重量的5％-10％。优选地，所述一阶段生产中以炭黑重量为100％计，改性沥青的重量为炭黑重量的50％，煤焦油的重量为炭黑重量的50％；所述二阶段生产中一阶段产物重量百分比为70％，炭黑重量百分比为30％，以一阶段产物和炭黑的总重量为100％计，改质沥青的重量为一阶段产物和炭黑总重量的40％，硫磺的重量为一阶段产物和炭黑的总重量的7％。优选地，所述改质沥青的制备方法为：首先将中温沥青熬制成软化点为110℃-115℃的高温沥青，然后按照硫磺和高温沥青的质量比为1：3将硫磺搅入高温沥青中，搅拌均匀，冷却，砸碎，取样，将软化点小于100℃的沥青块磨成25目的粉即得改质沥青。本发明还提供了一种上述铁路电机用电刷的制备方法，该制备方法包括如下步骤：一阶段生产工艺：按照比例称取炭黑，改质沥青和煤焦油，将炭黑放入混合锅内，加热至60℃-80℃，加入改质沥青和煤焦油，开盖混合，继续加热至170℃-180℃，保温1.5小时后出锅，打料柱，装入焙烧炉内按照焙烧曲线焙烧，焙烧结束后降温，当温度低于200℃时出炉，然后进行磨粉，获得一阶段产物；二阶段生产工艺：1)混合：将炭黑、一阶段产物和硫磺按照配方比例称重，放入混合锅内混合，同时加热，当温度达到90℃时，加入改质沥青，开盖混合，继续加热，当温度达到170℃-180℃，保温1.5小时后出锅，轧辊得料片；2)磨粉：将料片磨成压粉，压粉中粒径为200μm的颗粒占压粉总体积50％-60％；3)压制：按照要求的压制规格和压制比重计算好重量，并且采用限高装置调整好所需的压制高度进行压制，获得压块；4)焙烧：将压块按照要求装入焙烧炉内，在压块周围放好填料用的冶金焦，封好炉门，点火，按照焙烧曲线进行升温，然后自然冷却降温，温度低于200℃时，出炉，获得焙烧制品；5)石墨化：将焙烧制品装入石墨化炉内，装入过程中使块与块之间紧密接触且对齐排列并摞成若干层，同时在排与排之间、层与层之间加入木炭粉，在制品周围装好石墨化电阻料，石墨化炉装好后连接铜排通电，按照石墨化曲线通电控制功率，完成后停电自然冷却，温度低于300℃出炉，制得电刷毛坯；6)浸渍：将电刷毛坯切割成电刷块，将电刷块浸渍到浸渍液中进行浸渍处理；所述浸渍液以糠醇单体为溶剂，以酚醛树脂和环氧树脂为溶质；7)精磨：将浸渍后的制品经过荒磨处理后进行精磨处理；8)钻孔：对精磨处理后的制品加工填塞孔；9)装配：将电刷辫填到钻好的填塞孔中，然后加入填塞粉，封口后压连接片，得到电刷；所述填塞粉由石墨粉和铜粉混合而成。优选地，一阶段生产工艺中焙烧曲线和二阶段生产工艺步骤4)所述焙烧曲线均按照如下程序进行：优选地，步骤5)所述石墨化曲线按照如下程序进行：优选地，二阶段生产工艺步骤4)所述的浸渍液中酚醛树脂和环氧树脂的质量比为6:4；酚醛树脂和环氧树脂总质量与糠醇单体的质量之比为3:7。优选地，二阶段生产工艺步骤4)所述的浸渍液的制备方法为：将环氧树预热到30-50℃，将酚醛树脂加入环氧树脂中，再加入糠醇单体，充分搅拌均匀，即得浸渍液。优选地，步骤8)是对精磨处理后的制品分两次加工填塞孔，第一次先钻直孔，第二次用硬质合金刀钻成螺纹孔。优选地，步骤9)所述填塞粉由石墨粉与铜粉按照质量比为17:83混合而成。优选地，步骤5)所述石墨化炉内安装有测温块，可以精确检测温度。本发明中限高装置用于限制压制高度，限高装置可以采用任意一种可以实现限高功能的装置，如千斤顶等装置。本发明中石墨化电阻料使用冶金焦粒或石墨化冶金焦粒均可以。本发明有益效果：1.混合工序：本发明通过采取二阶段生产，合理调整原材料的配比，使其微观结构更优化。采用改质沥青减少产品质量波动，同时增加电刷的强度，该改质沥青是先将中温沥青熬制成软化点为110℃-115℃的高温沥青，然后按照硫磺和高温沥青的重量比为1：3将硫磺搅入高温沥青中制备而成，其中硫磺的作用是增加强度，降低软化点。本发明二阶段生产工艺配方中增加了特殊添加剂硫磺，既增加了强度，同时又避免了焙烧过程中产生制品的变形现象。本发明一阶段中改质沥青和煤焦油为粘结剂，二阶段中改质沥青为粘结剂。2.压制工序：压制是关键过程。产品的电阻、强度、硬度都与压制体积密度有关。本发明通过采用限高设备彻底解决了压制过程中由于其他客观因素的变化而导致体积密度波动大的问题。3.石墨化工序：为了解决现有石墨化装炉方式产生的分散性问题，本发明通过在制品间加电阻料和木炭粉解决了石墨化工序分散性的问题，其中：木炭粉的作用为增加石墨化炉整体炉体的电阻，使炉温更均匀，电阻料阻值非常大，导电比较困难，因此在通电时，电阻料会产生很大的热量，通过热传导，把电阻料的热量传给电刷，因为电阻料是有严格要求的，它们产生的热量几乎一致，因此每块电刷接受的热量就会相同，从而达到温度相同，也就是性能相同，进而解决了石墨化工序分散性的问题。装炉时使制品压力面与电极电流方向垂直、行与行间、层与层间要用电阻料，同时要控制间距、每行中制品与制品间不需要用电阻料、制品周围要加保温料，同时有厚度要求。本发明中炉温采取先进的控制方法(焙烧曲线)和测量技术(在石墨化炉内安装有测温块)，石墨化温度控制在2800℃左右，电刷的电阻、硬度、抗折强度、使用寿命都能达到最佳效果。4.浸渍工序：为了解决目前浸渍存在的弊端，我们对现有的浸渍液进行了改进：由于环氧树脂是一种含有环氧基的高分子聚合物,所以它具有高度的粘合力，固化后的环氧树脂,由于含有稳定的苯环醚键与脂肪性羟基,因而能耐一般酸、碱及有机溶剂的腐蚀，利用环氧树脂浸渍电刷是有增重率大、机械强度高、孔隙率小等特点,其耐碱性超过呋喃树脂,而且具有在弱酸性介质中亦可使用的优良特性,而且其耐高温性也要比酚醛树脂高,它可在180-200℃长期使用。本发明采用酚醛树脂(如5121型)来作为环氧树脂的固化剂，除起固化剂作用外,还有增韧剂的作用，同时因酚醛树脂(如5121型)粘度较低,故亦起了稀释环氧树脂的作用；2.将糠醇单体作溶剂，将酚醛树脂和环氧树脂为溶质按其比例配制浸渍溶液的浓度。因为环氧树脂粘度高，使用前须将其预热到40℃，以改善其流动性，然后再将称量好的酚醛树脂加入环氧树脂中，充分搅拌均匀。5.填塞工序：采用石墨粉与铜粉一起作为电刷的填塞粉避免了:电机运行过程中，常常在电刷的连接处发生过热而导致铆接铜管的膨胀和金属粉末的氧化与收缩，接触电阻增大而电阻的增大又进一步引起过热，如此循环恶化，直至导线连接失效的现象发生。发明人经过研究发现：天然石墨粉和人造石墨粉具有较低电阻的特点，用石墨粉填塞初期接触电阻比金属粉末要大一些，然而经过运行与过电流冲击后，它们的情况却起了截然不同的变化，前者阻值基本保持不变，甚至稍有下降，后者的接触电阻却增大了好几倍，所以产生这种现象，除填塞物与刷体的膨胀系数一致以外，石墨热稳定性是一个决定的因数。本发明将石墨粉与铜粉一起作为填塞粉使得导线脱出拉力较好，虽然石墨粉是离散体，但经过造粒处理后，石墨粉成为一种不规则形状的含有大量气孔的假颗粒，这种近似海绵体的假颗粒与金属粉末(如铜粉)混合在一起，在冲压受压的条件下能够凝聚成一体。6、钻孔工序：本发明将填塞孔由锥形孔改成螺纹孔。钻头由普通的高速钢改成硬质合金，材质的改变，节约了成本，提高了效率，保证了孔型的稳定性。因为螺纹孔孔型稳定，由于螺纹孔孔径尺寸公差基本没有变化，在保证螺纹钻头大小与钻孔速度的情况下，即可保证螺纹孔的稳定性，从而保证了刷辫的脱出拉力的稳定性。在填塞时，铜粉与填塞孔接触紧密，导线端头充实底孔，电刷使用过程中铜粉不会因为震动而造成掉落；钻孔采取倾斜15°，更大的保证了电刷的脱出拉力。通过大量的对比实践，此工艺的改进完全解决了电刷使用过程中掉刷辫的问题。7、通过本发明方法制备的电刷产品性能的均匀性由原来60％提高到98％；电刷产品的脱出拉力可提高2-3倍，高达750kgf，产品增重率明显增大，增重率高达12％，气孔率显著降低，气孔率可达1％，更能满足市场的需求。附图说明图1为电刷毛坯生产加工工艺流程图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。实施例1本实施例提供了一种铁路电机用电刷的配方和制备方法，具体如下所示：1、改质沥青制备方法：首先将中温沥青熬制成软化点为110℃-115℃的高温沥青，然后按照硫磺和高温沥青的质量比为1：3将硫磺搅入高温沥青中，搅拌均匀，冷却，砸碎，取样，将软化点小于100℃的沥青块磨成25目的粉即得改质沥青。2、电刷配方：一阶段生产工艺配方：炭黑、改质沥青和煤焦油，制得的产品命名为一阶段产物，其中：以炭黑重量为100％计，改性沥青的重量为炭黑重量的60％，煤焦油的重量为炭黑重量的40％，各组分具体重量为：炭黑10份，改质沥青6份，煤焦油4份；二阶段生产工艺配方：一阶段产物、炭黑、改质沥青和硫磺，其中：一阶段产物重量百分比为60％，炭黑重量百分比为40％，以一阶段产物和炭黑的总重量为100％计，改质沥青的重量为一阶段产物和炭黑总重量的30％，硫磺的重量为一阶段产物和炭黑的总重量的5％，各组分具体重量为：6份一阶段产物，4份炭黑，3份改质沥青，0.5份硫磺。3、加工工艺一阶段生产工艺：按照上述配方比例称取炭黑，改质沥青和煤焦油，将炭黑放入混合锅内，加热至60℃-80℃，加入6份改质沥青和4份煤焦油，开盖混合，继续加热至170℃-180℃，保温1.5小时后出锅，打料柱，装入焙烧炉内按照焙烧曲线焙烧，焙烧结束后降温，当温度低于200℃时出炉，然后进行磨粉，粒度控制在45μm，获得一阶段产物；二阶段生产工艺：1)混合：先将6份一阶段产物，4份炭黑，和0.5份特殊填加剂硫磺按照配方比例称重，放入混合锅内，开转，同时加热，当温度达到90℃时，加入4份改质沥青，闭盖混合2小时，继续加热，当温度达到170℃，保温1.5小时，开盖30分钟，出锅，轧辊得料片，料片厚度小于2毫米；2)磨粉：将料片磨成压粉，压粉中粒径为200μm的颗粒占压粉总体积50％-60％；3)压制：按照要求的压制规格40*71*152㎜和压制比重1.30ɡ/㎝3计算好重量561克，用限高装置调整好所需的压制高度进行压制，获得压块；4)焙烧：将压块按照要求装入焙烧炉内，在压块周围放好填料用的冶金焦，封好炉门，点火，按照焙烧曲线进行升温，然后自然冷却降温，温度低于200℃时，出炉，获得焙烧制品；5)石墨化：将焙烧制品装入石墨化炉内，装入过程中使块与块之间紧密接触对齐排列并摞成若干层，同时在排与排之间、层与层之间加入木炭粉，在焙烧制品周围装好石墨化电阻料，填料要按照要求配比，石墨化炉装好后连接铜排通电，按照石墨化曲线通电控制功率，完成后停电自然冷却，温度低于300℃出炉，制得电刷毛坯；6)浸渍：将电刷毛坯切割成电刷块，将电刷块浸渍到浸渍液中进行浸渍处理；所述浸渍液以糠醇单体为溶剂，以酚醛树脂和环氧树脂为溶质；浸渍处理是将制品放入吊筐中，再将吊筐置于装有浸渍液的浸渍罐中，液面高度要高出制品，放好胶垫，盖上盖，并扭紧螺栓；关开相应的阀门，加大气压，维持1-1.5h；停压，取出制品；7)精磨：将浸渍后的制品经过荒磨处理后进行精磨处理；8)钻孔：调整好工、卡、模具，对精磨处理后的制品分两次加工填塞孔，第一次先钻直孔，第二次采用硬质合金刀钻成螺纹孔；9)装配：将电刷辫填到钻好的填塞孔中，然后加入填塞粉，封口后压连接片，得到电刷；其中：填塞粉由石墨粉与铜粉按照质量比为17:83混合而成。二阶段生产工艺步骤4)所述的浸渍液中酚醛树脂和环氧树脂的质量比为6:4；酚醛树脂和环氧树脂总质量与糠醇单体的质量之比为3:7；其制备方法为：将环氧树预热到40℃，将酚醛树脂加入环氧树脂中，再加入糠醇单体，充分搅拌均匀，即得浸渍液。上述一阶段生产工艺中焙烧曲线和二阶段生产工艺步骤4)所述焙烧曲线均按照表1进行：表1焙烧曲线上述二阶段生产工艺步骤5)所述石墨化曲线按照表2进行：表2石墨化曲线实施例2本实施例提供了一种铁路电机用电刷的配方和制备方法，本实施例与实施例1的区别在于：电刷配方不同，本实施例采用如下配方，加工工艺与实施例1相同，电刷配方：一阶段生产工艺配方：炭黑、改质沥青和煤焦油，制得的产品命名为一阶段产物，其中：以炭黑重量为100％计，改性沥青的重量为炭黑重量的40％，煤焦油的重量为炭黑重量的60％，各组分具体重量为：炭黑10份，改质沥青4份，煤焦油6份；二阶段生产工艺配方：一阶段产物、炭黑、改质沥青和硫磺，其中：一阶段产物重量百分比为80％，炭黑重量百分比为20％，以一阶段产物和炭黑的总重量为100％计，改质沥青的重量为一阶段产物和炭黑总重量的50％，硫磺的重量为一阶段产物和炭黑的总重量的10％；各组分具体重量为：8份一阶段产物，2份炭黑，5份改质沥青，1份硫磺。实施例3本发明提供了一种铁路电机用电刷的配方和制备方法，具体如下所示：1、电刷配方：一阶段生产工艺配方：炭黑、改质沥青和煤焦油，制得的产品命名为一阶段产物，其中：以炭黑重量为100％计，改性沥青的重量为炭黑重量的50％，煤焦油的重量为炭黑重量的50％；各组分具体重量为：炭黑5份，改质沥青2.5份，煤焦油2.5份；二阶段生产工艺配方：一阶段产物、炭黑、改质沥青和硫磺，其中：一阶段产物重量百分比为70％，炭黑重量百分比为30％，以一阶段产物和炭黑的总重量为100％计，改质沥青的重量为一阶段产物和炭黑总重量的40％，硫磺的重量为一阶段产物和炭黑的总重量的7％；各组分具体重量为：7份一阶段产物，3份炭黑，4份改质沥青，0.7份硫磺。为说明本发明所能够产生的有益效果，进行了如下实验：(1)对本发明制备的电刷产品性能进行了检测，汇总如表3。表3本发明电刷与现有电刷产品性能比较由表3可知：本发明电刷在电阻率、硬度、抗折强度和运行寿命方面都得到了显著提升。(2)石墨粉与铜粉填塞的电刷在额定电流密度12a/cm2下10分钟，然后以24a/cm2的过电流冲击十分钟，循环试验4小时及13小时后的电阻变化如表1所示：表4经过电流冲击后阻值变化由表4可知：经过填塞粉改进，电刷在使用过程中，电阻值发生了明显的变化，由开始3.0经过4小时13小时，电阻值变化很小，较稳定，从3.0变化到3.5而铜粉填塞的电刷的电阻值变化由1.7变化到大于20，电刷在使用过程中，尽量避免电阻值发生变化，会导致电流大幅度变化，对换向器造成很大伤害。(3)比较本发明工艺中采用锥形孔和螺纹孔所需要的脱出拉力(单位kgf)，结果如表2所示。表5锥形孔和螺纹孔脱出拉力导线平方锥形孔脱出拉力(单位kgf)螺纹孔脱出拉力(单位kgf)42120、131、127、121、120450、452、454、452、451、52195、231、234、180、170550、551、553、552、55262280、220、210、290、230750、751、752、751、750由表:5可知：电刷随着电机运转时，电刷会发生磨损，因此导线会越来越紧，这时就需要导线要具有一定的脱出拉力，如果脱出拉力不足的话，经常发生脱辫现象，造成故障。从以上数据可以看出，螺纹孔脱出拉力远大于锥形孔脱出拉力。本发明电刷产品采用螺纹孔的脱出拉力相比于传统的锥形孔的脱出拉力提高了2-3倍，脱出拉力最高可达750kgf。因此，本发明通过将填塞孔由锥形改变成螺纹形，完全解决了电刷使用过程中掉刷辫的问题。虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。当前第1页12