中厚板軋機(jī)同步電機(jī)集電環(huán)周圍問題分析與處理

雷國(guó)福 黃小龍

（寶武集團(tuán)中南鋼鐵廣東韶鋼松山股份有限公司）

0 引言

韶鋼中厚板軋機(jī)同步電機(jī)功率是8MW，變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)，為了向勵(lì)磁繞組供應(yīng)直流電，使用電刷和集電環(huán)。勵(lì)磁電壓額定值為120V，勵(lì)磁電流額定值為906A，單極14個(gè)電刷。集電環(huán)周圍主要包括電刷、刷架、刷握、彈簧等。集電環(huán)、電刷會(huì)因運(yùn)轉(zhuǎn)而磨損，導(dǎo)致集電環(huán)周圍存在磨屑、松動(dòng)等狀況，因此集電環(huán)周圍是日常維護(hù)的重點(diǎn)部位，也是維護(hù)量最大、最頻繁的部位，對(duì)同步電機(jī)的維護(hù)至關(guān)重要。

1 集電環(huán)周圍的主要問題及原因

集電環(huán)周圍設(shè)備，電刷滑動(dòng)，持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)期后，由于電刷周圍的不完備以及受其他的周圍各種環(huán)境條件的左右，有可能出現(xiàn)較多事故，其根源在于以下幾個(gè)主要問題沒有及時(shí)關(guān)注和解決。

1.1 運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生火花

正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生火花，由于某種原因，確認(rèn)運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生火花時(shí)，必須在集電環(huán)的表面變得凹凸不平之前盡早調(diào)查集電環(huán)表面，查明原因，采取對(duì)策。產(chǎn)生火花的原因主要包括以下幾種情況：集電環(huán)表面的凹凸；過(guò)剩皮膜，附著油脂；電刷間的電流不均勻；電刷與刷握的隨動(dòng)性不良，可能會(huì)因刷握內(nèi)粘合碳?jí)m妨礙彈簧效果，使電刷壓力降低而產(chǎn)生；刷握與集電環(huán)之間的間隔過(guò)大。

1.2 集電環(huán)表面凹凸不平

集電環(huán)磨損包括電氣磨損和機(jī)械磨損。

1）在電流作用下，不僅有機(jī)械磨損，還有電氣磨損。所謂電氣磨損，指的是由于電弧高溫和放電等因素的作用，使極面材料受到損壞的情況。因電氣磨損影響極面，也會(huì)對(duì)機(jī)械磨損的程度產(chǎn)生影響。電流通過(guò)電刷和滑環(huán)的接觸面，直接傳導(dǎo)的部位不斷變動(dòng)，電流密度又很大，使一些點(diǎn)溫度很高；電弧的高溫作用，會(huì)使兩側(cè)極面局部熔化、脫落，金屬會(huì)變成金屬蒸汽，電刷則結(jié)構(gòu)松化，受氧化腐蝕而脫落，此即電氣磨損的表現(xiàn)。極性不同，磨損情況不同。在電弧作用下，陽(yáng)極（正極）表面局部灼熱而蒸發(fā)出“金屬蒸汽”，使陽(yáng)極表面損蝕，這叫“陽(yáng)極蒸發(fā)”；陰極（負(fù)極）因受正離子撞擊和高溫作用發(fā)射電子，使陰極表面也遭受破壞，這叫“陰極粉化”。陽(yáng)極蒸發(fā)和陰極粉化的作用，電刷和滑環(huán)由于電流方向不同會(huì)出現(xiàn)極性差別。當(dāng)電流由電刷流向滑環(huán)時(shí)，電刷為正極，滑環(huán)為負(fù)極，則結(jié)果是：電刷面上發(fā)生微小程度的陽(yáng)極蒸發(fā)，碳粒、石墨離子遷移到滑環(huán)表面，電刷有電氣磨損。滑環(huán)表面有輕微的陰極粉化，并附著碳粒、石墨，成潤(rùn)滑、光澤的鏡面。由于滑環(huán)表面平滑，機(jī)械磨損較小。當(dāng)電流由滑環(huán)流向電刷時(shí)，電刷為負(fù)極，滑環(huán)為正極，則結(jié)果是：電刷面上發(fā)生陰極粉化，電氣磨損小。滑環(huán)表面發(fā)生陽(yáng)極蒸發(fā)。大量金屬蒸發(fā)，使其表面損蝕嚴(yán)重，同時(shí)，這些金屬粒子也易附于電刷磨損面上，反過(guò)來(lái)會(huì)使換向器表面嚴(yán)重磨損，出現(xiàn)條痕。這種情況下，滑環(huán)表面粗糙，呈金屬光亮，面間機(jī)械磨損大。

總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)電刷為正極時(shí)，電刷電氣磨損大，機(jī)械磨損輕微，滑環(huán)的電氣磨損和機(jī)械磨損都很小；當(dāng)電刷為負(fù)極時(shí)，電刷電氣磨損小，機(jī)械磨損大，滑環(huán)的電氣磨損、機(jī)械磨損都很大。為了使磨損均勻，對(duì)于滑環(huán)，因?yàn)檎h(huán)電流由電刷流向滑環(huán)，電刷正極性，滑環(huán)負(fù)極性，故正環(huán)磨損小；同理，負(fù)環(huán)磨損大，故兩環(huán)極性應(yīng)經(jīng)常調(diào)換。

2）純機(jī)械磨損電刷和滑環(huán)表面相接觸，由于彈簧壓力作用和材料彈性變形的緣故，使直接接觸部分互相嵌入。當(dāng)相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，必然有摩擦作用而形成磨損。如果電刷顆粒細(xì)軟，則碳粉易被沾在滑環(huán)表面，使滑環(huán)成為具有亮滑的石磨鏡面，電刷的磨面也很光滑，兩者的機(jī)械磨損都較小。但如果電刷質(zhì)量不佳，顆粒粗硬，甚至含有少數(shù)如金剛砂之類的硬質(zhì)顆粒，則必然會(huì)對(duì)滑環(huán)表面進(jìn)行刮割，使后者出現(xiàn)金屬光澤或紋路，電刷本身磨面也會(huì)出現(xiàn)硬粒脫落后而劃出的紋道，使機(jī)械磨損大大增加。

1.3 集電環(huán)周圍維護(hù)不周

集電環(huán)周圍磨損、震動(dòng)、灰塵不可避免，按要求清潔、緊固、檢查更換對(duì)集電環(huán)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。例如，由于忽略碳?jí)m大量附著在集電環(huán)和刷握周圍的表面上而引起閃絡(luò)事故；碳?jí)m在刷握與電刷之間堵塞，電刷無(wú)法順利移動(dòng)；電刷離開集電環(huán)，變成非勵(lì)磁狀態(tài)；其他正負(fù)電刷的導(dǎo)線（軟辮線）接觸后引起勵(lì)磁電源的短路事故等。此外，長(zhǎng)時(shí)間放置后，集電環(huán)表面會(huì)生銹，如果照樣進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)造成電刷的異常磨損等。

2 集電環(huán)周圍設(shè)備檢查方法

集電環(huán)周圍設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)必須按規(guī)范檢查，集電環(huán)檢查包括日常檢查、周檢查、年度檢查、刷握彈簧壓力測(cè)定等。

1）日常檢查，以運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中目視、聽音為主（見表1）。

2）周停機(jī)檢查，以停機(jī)近距離目視、測(cè)量為主，根據(jù)情況進(jìn)行吹塵、緊固等工作（見表2）。

3）年度停機(jī)檢修，以停機(jī)解體測(cè)量、調(diào)整為主，根據(jù)情況進(jìn)行解體測(cè)量、吹塵、調(diào)整等工作（見表3）。

表1

表2

表3

3 集電環(huán)周圍設(shè)備調(diào)整方法及注意事項(xiàng)

集電環(huán)周圍設(shè)備良好運(yùn)行的前提是安裝上機(jī)時(shí)的精密調(diào)整以及各關(guān)聯(lián)部分間的調(diào)試配合，以下是相關(guān)設(shè)備的調(diào)整指導(dǎo)。

3.1 停止時(shí)電刷更換及注意事項(xiàng)

1） 擰松要更換的電刷軟辮線端子的固定螺絲。

2）將圖1的后面板朝“Y”方向按下，朝“X”方向倒，然后在此狀態(tài)下拉拽，后面板即可取下。

3）拔掉舊電刷。

4）確認(rèn)刷握內(nèi)是否粘合碳?jí)m。

5）安裝滑配合過(guò)的對(duì)應(yīng)電刷，然后按照與第2項(xiàng)相反的要領(lǐng)安裝后面板。

6）安裝軟辮線的端子。

7）確認(rèn)彈簧是否確實(shí)放置到電刷上面的凹部。

8）抓住電刷頂部使其上下移動(dòng)，確認(rèn)其與刷握的隨動(dòng)性是否良好。

圖1

在運(yùn)轉(zhuǎn)中更換電刷時(shí)，原則上正極、負(fù)極都分別在平均每個(gè)集電環(huán)的全部電刷個(gè)數(shù)的不到20%的范圍內(nèi)更換。一次更換的個(gè)數(shù)超過(guò)此范圍會(huì)很危險(xiǎn)。需確認(rèn)要更換的電刷已經(jīng)用其刷握進(jìn)行過(guò)滑配合。更換電刷時(shí)，充分注意避免軟辮線接觸到相鄰的相。用螺絲牢牢地固定更換的電刷的軟辮線。更換電刷時(shí)，要更換為相同品牌的電刷。即使混用同一特性的不同品牌的電刷，也會(huì)導(dǎo)致電刷間的電流不均勻，因此要絕對(duì)避免混用品牌。

3.2 電刷與刷握的調(diào)整

如果電刷與刷握的間隙過(guò)大，運(yùn)轉(zhuǎn)中電刷會(huì)在刷握內(nèi)出現(xiàn)震顫現(xiàn)象，引起產(chǎn)生火花、異常過(guò)熱、妨礙集電環(huán)表面的皮膜形成等故障。

通常電機(jī)出廠時(shí)已經(jīng)將電刷與刷握的間隙調(diào)整為正常間隙，在表4中表示電刷與刷握的正常間隙，供參考。

3.3 刷握與集電環(huán)的調(diào)整

刷握與集電環(huán)之間的間隔偏離圖2的適當(dāng)間隔尺寸時(shí)，要擰松安裝螺栓，移動(dòng)刷握，調(diào)整到適當(dāng)間隔，且調(diào)整時(shí)注意以下事項(xiàng)：必須與調(diào)整前的刷握安裝中心線（”Y”）吻合；如果刷握安裝時(shí)偏離調(diào)整前的安裝中心線，集電環(huán)和電刷的滑動(dòng)面會(huì)出現(xiàn)單側(cè)接觸，引起電刷間電流不均勻，產(chǎn)生火花；間隔調(diào)整后緊固安裝螺栓時(shí)，不要擰得太緊；刷握為銅合金材料，如果擰得太緊，可能會(huì)損壞螺紋。

表4

圖2

3.4 電刷的滑配合、電刷的使用限度

電刷的滑配合是使集電環(huán)與電刷的滑動(dòng)面充分密合的重要作業(yè)。電刷的滑配合作業(yè)包括以下要領(lǐng)。

1）將要進(jìn)行滑配合的電刷安置在刷握上。

2）在集電環(huán)與電刷之間插入80號(hào)左右的粗砂紙，然后沿著轉(zhuǎn)動(dòng)方向滑動(dòng)砂紙，沿著集電環(huán)的曲率進(jìn)行滑配合，直至電刷厚度方向全部達(dá)到接觸為止，見圖3。

圖3

3）其次用120~240號(hào)左右的砂紙按照第2項(xiàng)的要領(lǐng)進(jìn)行滑配合。如果只讓砂紙朝轉(zhuǎn)動(dòng)方向移動(dòng)，則滑配合的效果更佳。

4）滑配合結(jié)束后，對(duì)整個(gè)集電環(huán)周圍吹氣，清除碳粉。

5）用抹布擦干凈各個(gè)電刷，清除碳?jí)m。

6）使機(jī)器在無(wú)負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行滑配合。集電環(huán)與電刷接觸面超過(guò)80%是理想的滑配合。

7）通過(guò)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行滑配合結(jié)束后，再次進(jìn)行吹氣，清除附著在集電環(huán)周圍和電刷上的碳?jí)m。

8）確認(rèn)彈簧壓力和刷握內(nèi)的電刷升降（隨動(dòng)性）。

注意，務(wù)必將滑配合過(guò)的電刷安裝到滑配合時(shí)的刷握上。本機(jī)器的刷握采用恒壓彈簧方式，因此，即使電刷磨損后尺寸變短，電刷壓力也始終保持穩(wěn)定，無(wú)需調(diào)整彈簧的壓力。但持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一定期間后，會(huì)有可能出現(xiàn)上述因電刷磨損而附著碳?jí)m以及受其他周圍各種環(huán)境條件的影響，在集電環(huán)周圍的各部分出現(xiàn)故障。

如果電刷變短，會(huì)出現(xiàn)刷握的保持面變小、電刷振動(dòng)、角缺損或軟辮線進(jìn)入刷握內(nèi)部的情況，繼而出現(xiàn)因電刷與刷握內(nèi)表面的摩擦而降低電刷推壓力等現(xiàn)象。因此，電刷的使用限度按如下考慮。如圖4所示，電刷的上面磨損到與刷握的上面為同一面時(shí)，即為電刷的更換時(shí)期。

圖4

3.5 電刷的材質(zhì)與壓力

不同材質(zhì)的電刷應(yīng)對(duì)應(yīng)不同的壓力，電刷材質(zhì)的正常壓力如表5所示。

表5

3.6 電刷的壓力測(cè)定方法

彈簧壓力已經(jīng)根據(jù)電刷的種類調(diào)整為適當(dāng)?shù)膲毫Γ牵绻蜷L(zhǎng)年使用，出于某種原因，彈簧壓力發(fā)生強(qiáng)弱的變化時(shí)，會(huì)引起電刷的異常磨損、過(guò)熱等，因此必須加以注意。以下講述彈簧壓力測(cè)定方法的例子。

如圖5所示，用彈簧秤拉起測(cè)定，變?yōu)榭梢暂p輕拔出插入電刷與集電環(huán)之間的紙的狀態(tài)時(shí)，彈簧秤的值即為彈簧的強(qiáng)度。

圖5

3.7 集電環(huán)的調(diào)整

運(yùn)轉(zhuǎn)中由于某種原因造成集電環(huán)表面粗糙不平時(shí)，如果表面的粗糙程度很嚴(yán)重，就必須進(jìn)行車削加工，程度較輕時(shí)，只需用砂紙或磨石進(jìn)行打磨，即可再現(xiàn)光滑的表面。

進(jìn)行打磨時(shí)，首先從刷握上拉起所有電刷，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子。其次，將砂紙貼在事先根據(jù)集電環(huán)的外徑制作的接合板上，然后緊貼在旋轉(zhuǎn)著的集電環(huán)表面。同時(shí)，充分注意只消除粗糙不平的凸起部分，不破壞集電環(huán)的圓度非常重要。而且，經(jīng)常打磨會(huì)導(dǎo)致集電環(huán)的偏心加重，因此必須加以注意。圖6表示打磨方法。

而且，進(jìn)行打磨時(shí)，用抹布仔細(xì)擦拭集電環(huán)表面，完全清除附著的油等，結(jié)束后同樣用抹布認(rèn)真擦拭后再吹氣，徹底清掃。此外，研磨中機(jī)器處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此非常危險(xiǎn)。要充分注意避免手指被夾在刷握與集電環(huán)之間或直接觸摸其他轉(zhuǎn)動(dòng)部分。

圖6

發(fā)現(xiàn)因集電環(huán)表面附著異物而出現(xiàn)凹凸或過(guò)剩皮膜的現(xiàn)象時(shí)，如圖7所示，要用清掃用帆布擦拭集電環(huán)的表面。

上述方法只限于解決表面粗糙程度極輕的凹凸。根據(jù)集電環(huán)磨損程度不同，分別采取相應(yīng)的方法。

集電環(huán)偏心、因長(zhǎng)年使用而導(dǎo)致電刷的接觸部分凹下去時(shí)以及其他較大損傷，避免用上述方法糾正， 需要進(jìn)行整體更換。

圖7

4 結(jié)束語(yǔ)

集電環(huán)周圍設(shè)備的相關(guān)點(diǎn)檢查維護(hù)看似簡(jiǎn)單，但涉及的技術(shù)要求點(diǎn)較多，必須做到有標(biāo)準(zhǔn)、有計(jì)劃、有執(zhí)行、有記錄，如果任何標(biāo)準(zhǔn)沒有執(zhí)行到位，都可能產(chǎn)生異常運(yùn)行現(xiàn)象，甚至重大設(shè)備事故。