礦井主通風機電機碳刷總成改造設計

孟建軍

（朔州朔煤王坪煤電有限責任公司，山西 朔州 038300）

王坪煤礦的主通風機所配備的電機型號為同步電動機T1000-10/1180。其滑環(huán)裝置安裝在電機轉子軸的尾端，從力學角度分析，滑環(huán)是單端支撐的懸臂梁結構。電機在運行過程中，碳刷與滑環(huán)之間是摩擦接觸，由于離心力和徑向不平衡力矩的作用，滑環(huán)將不可避免地產生徑向抖動，而且滑環(huán)的抖動振幅、頻率很高，碳刷的壓力彈簧根本無法及時響應，于是導致碳刷和滑環(huán)接觸不良，容易產生火花。由于滑環(huán)、碳刷的裝配結構在散熱方面也存在困難，碳刷溫度過高，長期超過90℃，加劇了碳刷磨損，滑環(huán)表面也易燒蝕[1-3]，需要維護人員經(jīng)常性地觀察碳刷的磨損程度和剩余長度，維護工作十分繁重。由于是人工工作，通過肉眼判斷，所以一般看到碳刷剩余長度到25～30mm 左右就進行更換[4]，火花容易傷害觀察人員的眼睛。

本研究針對此問題對電機的主通風機勵磁結構進行改進，對碳刷的固定架進行改進設計，加裝位移傳感器、溫度傳感器，采用位移傳感器檢測碳刷的磨損量，用溫度傳感器檢測碳刷和滑環(huán)之間的接觸溫度，實現(xiàn)碳刷磨損量、碳刷-滑環(huán)溫度在線檢測，減輕工作人員的勞動強度。

1 勵磁碳刷的固定架總成設計

該同步電動機所配的勵磁碳刷共兩排，每排有4 個碳刷，分別為4 個正極碳刷和4 個負極碳刷，碳刷的尺寸是25mm×32mm×50mm。原設備上，每個碳刷有一個夾持座，夾持座上有一個鋼片簧將碳刷壓在滑環(huán)上。考慮到主通風機風機、電動機運轉的安全性，決定在盡量不拆改原電機勵磁架結構的前提下，新設計一套傳感器固定架，在原勵磁架上打四個孔，用螺栓將傳感器固定架固定在原勵磁架側板上。

1.1 勵磁碳刷的固定架設計

設計的單排傳感器固定架，在一個底板上設置了4 個位移傳感器固定座和1 個溫度傳感器固定座，然后將此結構通過三角形支架安裝在同步電動機原來的勵磁架側板上。將原來壓碳刷的片簧拆除了，保留原碳刷夾持座，將碳刷彈性夾持住，然后將位移傳感器的探頭端頂在碳刷上。因為位移傳感器結構本身有彈性元件，可以將碳刷彈性壓向滑環(huán)，代替原來的鋼片簧。

1.2 位移傳感器選擇

根據(jù)碳刷的長度以及碳刷固定架的尺寸結構，選擇PM11 型量程為0～75mm 的位移傳感器。實際采集時，碳刷磨損的上限值和下限值可以進行設置。如果碳刷磨損后剩余量達到或超過下限值，系統(tǒng)采用蜂鳴器進行報警，提醒工作人員及時更換碳刷。

兩個風機用的碳刷長度上限都設置為50mm，下限都設置為10mm。與改造前碳刷使用剩余長度相比較，可以充分延長碳刷的使用時間，大大節(jié)省了碳刷的使用成本，不用經(jīng)常地去觀察碳刷長度。

1.3 溫度傳感器選擇

碳刷與滑環(huán)為摩擦接觸，當勵磁電流通過滑環(huán)磨面時，既存在電氣磨損又存在機械磨損。電氣磨損是由于在電動機運行過程中，結構系統(tǒng)的振動，導致碳刷與滑環(huán)間接觸面不斷變化，電流密度越大，越易電弧放電，產生火花，滑環(huán)溫度會更高，導致滑環(huán)的中間磨面局部熔化、脫落，形成金屬蒸汽，碳刷也受氧化腐蝕而脫落。

機械磨損是由于碳刷與滑環(huán)間的摩擦生熱，產生的熱量不能及時散發(fā)。如果溫度太高使得碳刷表面材料軟化，粘著加劇，造成摩擦表面不平整，摩擦膜的完整性被破壞，影響碳刷的工作性能。故考慮采用一個溫度傳感器安裝在固定架底板前端，型號為SA30A3M，溫度采集范圍為0 ～300℃。安裝時，將測溫度的探頭盡量對準第一個碳刷和滑環(huán)的接觸部位，從而達到監(jiān)測碳刷工作溫度的目的。

2 主通風機勵磁模塊工況檢測

傳感器固定架安裝好后，通訊模塊采用S7-3CN907E，設計的每套溫度與位移采集設備可以采集8 路位移信號與2 路溫度信號。在window 桌面點擊“通風機監(jiān)測系統(tǒng)”，運行系統(tǒng)后，點擊登陸，操作按鍵擴展按鈕進入，就可以選擇進入一號風機碳刷參數(shù)監(jiān)測或二號風機碳刷參數(shù)監(jiān)測畫面。

可以實時查看一號風機用同步電動機的正負極各4 個碳刷傳感器的運行數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)直觀地顯示出實時碳刷剩余長度。其中4 個正極碳刷長度剩余量分別為29.9mm、44.7mm、43.0mm、44.4mm，4個負極碳刷長度剩余量分別為51.5mm、46.0mm、34.7mm、42.1mm。同時，也實時顯示出正極碳刷/滑環(huán)的溫度為20.0℃，負極碳刷/滑環(huán)的溫度為21.9℃。通風機監(jiān)測系統(tǒng)二號風機用同步電動機的碳刷監(jiān)測畫面顯示，此時一號風機正在運轉，二號風機為不工作狀態(tài)。但是二號風機用同步電動機的碳刷剩余長度也可以看出來，其中4 個正極碳刷長度剩余量分別為35.9mm、36.9mm、38.2mm、36.6mm，4 個負極碳刷長度剩余量分別為41.7mm、43.3mm、35.9mm、36.1mm。同時，也實時顯示出正極碳刷/滑環(huán)的溫度為18.7℃，負極碳刷/滑環(huán)的溫度為19.1℃。

3 傳感器固定架使用注意事項

為了確保礦井通風安全，主通風機風機必須能夠隨時切換。在每次切換之前，需檢查每個螺栓螺母的緊固狀況，檢查項目如下：

（1）位移傳感器夾持座上的每個螺栓螺母的松緊程度；

（2）傳感器固定架與三角支架上的螺栓螺母的松緊程度；

（3）位移傳感器軸向固定座上的羊角螺釘?shù)乃删o程度；

（4）溫度傳感器夾持座上的螺釘螺母的松緊程度；

（5）檢查位移傳感器探頭端的絕緣套是否有破損情況，以便及時采取措施。

4 技術性能和經(jīng)濟效益

電機勵磁碳刷固定架改造后進行現(xiàn)場調試，電動機運行過程中碳刷和滑環(huán)接觸良好。由于有位移傳感器的彈簧壓緊碳刷，碳刷和滑環(huán)間沒有火花，機械性能滿足標準要求，碳刷剩余長度顯示精準，碳刷及滑環(huán)間溫度顯示準確，可靠性高。

采用本溫度與位移采集設備模塊后，由于碳刷剩余長度顯示直觀，從碳刷的使用成本方面考慮，為企業(yè)達到節(jié)省成本的目的。