直流電機換向器異常磨損的原因分析與維護保養

崔崗

摘 要：電機是鉆井生產中常用的設備，換向器是直流電機中的核心部件之一，該部件一旦發生異常磨損，會對電機的運行，乃至整個鉆井生產系統產生嚴重的后果。本文對永濟電機廠針對石油電傳動鉆機研發的大功率串勵YZ08型直流電機換向器異常磨損的原因進行了分析，并提出了處理措施及維護保養方法。

關鍵詞：直流電機；換向器；磨損；保養

中圖分類號：TM307.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）08-0124-01

換向器是直流電機的核心部件之一，其性能好壞對電機的運行具有決定性作用。換向器一旦出現異常可能會導致電機換向不良，嚴重時還可能引發其他事故，造成直流電機損壞，影響絞車、轉盤、泥漿泵的運轉，耽誤鉆井生產。

1 換向器異常磨損的原因分析及處理

1.1 機械性磨損的原因分析及處理

1.1.1 原因分析

①碳刷壓力過大或過小。電刷壓力大時容易減小電刷徑向跳動幅度，對換向性能的提升比較有力，不過壓力過大則會增加機械磨損，降低換向性能；壓力過小時，那么電刷和換向器接觸不良，很容易造成電弧，加大換向火花，同樣會造成換向器異常磨損。②換向器表面有異物或粘附油污。換向器運行或維修過程中可能會有粉塵、銅屑、云母粉等雜物進入，雜物一旦進入會在短時間內損傷換向器，同時電刷上會產生電流集中現象，使損傷進一步惡化。換向器表面粘附油污時，會增大摩擦系數，進而導致換向器和電刷之間的異常磨損。另一方面油污深入電刷后，會改變電刷表面的成分，降低其滑動特性。換向片不平和云母凸起。當然，對于換向器而言，在制作中容易受到外界的撞擊、超速或換向片老化等，這樣常常會造成其表面凹凸不平。云母凸起說明是因為換向片磨損超過云母片下刻深度或車削后云母片下刻不正確造成的。換向器表面一旦出現凹凸不平，電刷就會出現劇烈跳動，從而增大換向器與電刷之間的磨損。

1.1.2 處理措施

對于機械性磨損，應先查明故障原因，然后采取合理的處理措施。以上原因的處理措施分別為：①控制電刷壓力，用測力計測量電刷壓力應控制在40±4 N范圍內。②檢查電刷的接觸面，查看有無夾雜物的情況，用00#玻璃砂布對電刷的接觸面進行打磨，修正換向器的表面，并對電機進行徹底的清潔處理。檢查有無油污進入，盡可能選擇致密性電刷，防止油污滲入。③先根據換向器跳動狀況判斷故障，若磨損嚴重，則研磨凸起部位，或者采取車削處理；云母片凸起應使用專用工具去除，使其低于轉向器表面。

1.2 電氣性磨損的原因分析及處理

1.2.1 原因分析

①電刷型號不匹配或使用不同廠家生產的同一型號碳刷。電刷性能對電機換向器的運行和磨損影響巨大，應做好電刷的選型工作，選擇時應對電刷的接觸壓降、電力密度、換向器圓周速度、電刷硬度以及摩擦系數等要素進行整體的考慮。以接觸壓降為例，較高壓降的電刷能減少換向電流，提高換向性能，不過過大的壓降會增加接觸損耗，不利于電機效率的提高；不同廠家生產的同一型號碳刷性能會有偏差，使用到同一電機中時，會造成換向器磨損程度不一致，進而加劇換向器表面磨損惡化。同時，電刷過熱還會對氧化膜產生破壞作用，反而降低了換向性能，增加換向器的磨損。②電刷電力密度過低。選取電機時，若電機功率裕度過大，則直流電機會在輕載下運行，電機長期輕載運行會導致電刷平均密度降低，溫度下降，不利于換向器表層氧化膜的形成，影響電刷滑動的穩定性。③電機超載運轉。電機超載時，負載電流超過規定值，若電機長時間超載運行，會使氧化膜加厚，引發振動開裂，從而出現氧化膜脫落或剝層的現象。電流容易集中在氧化膜薄層部位，使局部電流加大，改變換向條件，加重換向器磨損。

1.2.2 處理措施

①根據電刷的電流密度和換向器速度選擇電刷型號，再結合電機額定電壓和電流值確定電刷的具體型號。具體措施如下：根據電機電壓選擇合適的電刷，高壓、小電流電機可選擇壓降較大的電化石墨電刷；電機、碳刷要選用同一廠家、統一型號的產品；電刷與刷盒的間隙要滿足相關規定，確保電刷能在刷盒內上下自由移動；同臺電機彈簧壓力差控制在20%以內；電刷沿換向器周圍均勻分布，碳刷與換向器的接觸面積至少為碳刷截面積的80%；新碳刷使用前需要在電機上進行磨弧度，將細玻璃砂紙放置在換向器與碳刷之間，將彈簧的壓力調整到位，沿著電機旋轉方向來研磨；在研磨的時候，砂紙要盡可能的靠近換向器，一直到碳刷弧面完全滿足要求為止；將砂紙取下，借助高壓空氣將換向器表面的粉塵進行吹凈，緊接著用軟布給予擦拭。②如果在使用中出現消耗電流比較低，意味著電機功率比較大，需要對電機參數進行重新選擇。選擇時，可參照如下規定：負載與電機之間為直接傳動，則電機功率應為被拖動負載機械功率的1～1.1倍；若負載與電機之間存在傳動系統，則電機功率應為被拖動負載機械功率的1.1～1.2倍。③嚴格控制電機荷載，防止電機長時間超載運行。

1.3 化學因素分析及處理

1.3.1 原因分析

①空氣濕度。鉆井現場的直流電機在裸露的空間運轉，濕度對換向器表面氧化膜的形成影響較大，濕度過高時，換向器表面形成的水膜過厚，由于電解作用，電刷上會析出銅，增大接觸電壓和表面粗糙度，影響電刷和換向器之間的摩擦。濕度過低時，換向器表面無法形成具有潤滑作用的氧化膜，從而導致換向器異常磨損。②有害氣體。大氣中存在有害氣體時，可能會引發換向不良或摩擦異常問題。大氣中的氯化物、硫化物會在換向器表層形成有害的氧化膜，進而對換向器原有的氧化膜產生嚴重的破壞作用，導致換向器磨損加重。

1.3.2 處理措施

①控制直流電機運行環境的濕度，采取有效措施，對裸露的直流電機加裝防雨棚，濕度大時打開直流電機內部的加熱電阻將空氣濕度保持在4～10 g/m3范圍內，減少濕度引發的異常磨損。②做好電機運行環境的控制工作，避免電機在有害氣體中運行。

2 直流電機換向器維護與保養

換向器是直流電機的核心部位，應按照維護保養制度定期對其進行維護，維護時要滿足以下要求。

2.1 換向器的外觀檢查

維護人員要對換向器的表面狀況進行仔細觀察，并與正常狀況進行比對，來判斷換向器是不是有正常的性能，正常換向器表面和電刷接觸摩擦后通常會表現為均勻、有光澤的薄膜，顏色為深褐色或淺褐色；如果換向器表面存在著不均勻的磨損，或者局部發黑且嚴重情況的話，應對其進行及時的故障排除。

2.2 碳粉清除

換向器表面積存的碳灰應使用高壓風清除，若表面沾有油漬影響清除效果，或者出現輕度發黑的痕跡時，可用干凈的、質軟的白布蘸酒精清除。

2.3 燒傷痕跡處理

若換向器表面有明顯的燒傷痕跡，且用白布+酒精的方式無法有效祛除時，可用00#的玻璃紗布進行打磨處理。打磨時要注意時間不可太長，防止對換向器造成嚴重損壞；而且禁止用金剛砂布替代玻璃紗布。打磨后需要拆下傳動軸端出風罩，利用高壓風管從換向器端的觀察孔將換向器表面的異物清除掉，清除時選用0.6 MPa左右的壓縮風力較為合適。

2.4 換向器表面平整度控制

換向器表面不允許有凸片、嚴重燒傷或拉傷，磨損深度應控制在0.2 mm以內。若換向器表面磨損嚴重影響電機正常工作時，應將電機拆卸，重新加工換向器表面。在加工時，換向器表面粗糙度應控制在Ra 0.8～1.6μm；先清除槽內的毛刺、云母粉和銅屑，然后下刻云母槽和車螺旋槽。

3 結 語

鉆井現場使用的絞車電機、泥漿泵電機、轉盤電機均為直流電機，換向器是直流電機的關鍵部分，設備操作人員和管理人員應嚴格按照規定進行操作、維護、保養，及時發現并將排除故障，確保電機運行的安全性，為鉆井生產提供穩定的動力保障。

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