鄧堪誼,劉袁平
( 佛山市云雀振動(dòng)器有限公司,廣東 佛山 528225 )
混凝土振動(dòng)器用變頻機(jī)組碳刷結(jié)構(gòu)分析和改進(jìn)
鄧堪誼,劉袁平
( 佛山市云雀振動(dòng)器有限公司,廣東 佛山 528225 )
分析混凝土振動(dòng)器用變頻機(jī)組的碳刷結(jié)構(gòu)及其存在問(wèn)題,設(shè)計(jì)一種碳刷自動(dòng)補(bǔ)償裝置,有效提高產(chǎn)品使用壽命。
混凝土振動(dòng)器;變頻機(jī)組;碳刷結(jié)構(gòu);自動(dòng)補(bǔ)償裝置
在混凝土澆筑作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)施工中,電機(jī)內(nèi)裝插入式混凝土振動(dòng)器是非常重要的振搗機(jī)具。該類機(jī)具需用高頻低壓電源,必須配備變頻機(jī)組。變頻機(jī)組由同軸安裝的異步電動(dòng)機(jī)和中頻發(fā)電機(jī)(150Hz~200Hz)組成,其勵(lì)磁通過(guò)集流環(huán)和碳刷結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)。
圖1為變頻機(jī)組實(shí)物圖,勵(lì)磁電流由碳刷經(jīng)集電環(huán)導(dǎo)入位于轉(zhuǎn)子鐵芯中的勵(lì)磁繞組。該結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)在于拉伸彈簧自始至終應(yīng)保持足夠的拉力將碳刷與集電環(huán)維持在良好的接觸狀態(tài)。
圖1 變頻機(jī)組碳刷結(jié)構(gòu)
該系列變頻機(jī)組選用金屬石墨碳刷,碳刷的技術(shù)要求和技術(shù)特性包含接觸特性(接觸電壓降和摩擦系數(shù))和理化特性。從變頻機(jī)組的使用角度考慮,碳刷的接觸特性比理化特性更為重要。影響接觸特性的因素較多,主要有變頻機(jī)組集流環(huán)與碳刷接觸部分的圓周速度、電流密度、施于碳刷的單位壓力以及周圍介質(zhì)情況等。
1)系列變頻機(jī)組采用J102電刷,其允許圓周速度≤20m/s。
集流環(huán)與碳刷接觸處相對(duì)周圍速度為:
式中 V—圓周線速度
ω—圓周角速度
r—集電環(huán)外表面半徑通過(guò)計(jì)算可得V=13.5m/s。2)電刷電流密度,該系列變頻機(jī)組最大勵(lì)磁電流5A。
式中 J—電流密度
I—?jiǎng)?lì)磁電流
S—電刷截面積通過(guò)計(jì)算可得J=0.025A/mm2。
3)單位壓力。依據(jù)JB/T2839-2005電機(jī)用刷握及集電環(huán)標(biāo)準(zhǔn)要求,碳刷上的壓強(qiáng)可采用15/17.5/20/22.5/25kPa,推薦采用20kPa。J102電刷給定的標(biāo)準(zhǔn)碳刷單位壓強(qiáng)為17.6kPa~22.5kPa??芍?/p>
式中 F—壓力
P—單位壓強(qiáng)
S—電刷截面積計(jì)算可得F=3.6N~4.6N。此壓力合適與否,需通過(guò)溫升試驗(yàn)加以驗(yàn)證(集流環(huán)表面溫升≤85K);
4)周圍冷卻媒質(zhì)為空氣,符合條件。
5)接觸壓降的問(wèn)題。依據(jù)GB755-2008接觸壓降計(jì)算要求為0.3V,實(shí)際J102的技術(shù)要求為:一對(duì)碳刷壓降0.5±40%=0.3V~0.7V。相對(duì)于勵(lì)磁電壓380V,其影響約為0.08%~0.18%,可忽略不計(jì)。
6)碳刷壽命,即磨損量的問(wèn)題。依據(jù)J102的技術(shù)條件,50h的最大磨損量為0.4mm。依據(jù)變頻機(jī)組碳刷圖樣,理論上壽命為2268h。在計(jì)算理論壽命時(shí),采用可使用的磨損量,即乘以系數(shù)0.65,得可使用的理論壽命為1474h。
對(duì)于系列變頻機(jī)組,勵(lì)磁系統(tǒng)經(jīng)計(jì)算可使用的碳刷磨損量為4.09mm,預(yù)期使用壽命511h。碳刷J102的選取不存在問(wèn)題。
1)彈性系數(shù):依設(shè)計(jì),給定彈簧彈性系數(shù)K值為0.4N/mm。
2)在保證碳刷壓力的前提下,所需彈簧長(zhǎng)度壓力取3.6N,得F=3.6/cos26.58=4.025N。
式中 F—彈簧拉力
K—彈性系數(shù)
Δx—彈簧變形量
計(jì)算可得Δx為10.06mm,彈簧原長(zhǎng)L0為30.19mm。
圖2 變頻機(jī)組碳刷結(jié)構(gòu)
在圖2結(jié)構(gòu)中彈簧長(zhǎng)度僅保證出廠狀態(tài)下的電刷壓力,隨著碳刷磨損,壓力逐漸變小。現(xiàn)有工藝下彈簧拉力缺乏足夠的儲(chǔ)備,容易導(dǎo)致拉力失效,除非彈簧設(shè)計(jì)成非線性的系數(shù),否則難于維持恒定壓力。
從上述分析可知,碳刷在電流和彈簧拉力(摩擦)作用下,受工藝正常波動(dòng)的影響,可快速磨損,進(jìn)而失效影響變頻機(jī)組的正常使用。
圖3 變頻機(jī)組碳刷結(jié)構(gòu)受力分析
在圖3結(jié)構(gòu)中,為保證勵(lì)磁系統(tǒng)的正常工作,彈簧拉力F在法向分量N維持一定的數(shù)值。由于工藝的波動(dòng),F(xiàn)值變化從而引起N值隨之變化。可在A處增加一碳刷自動(dòng)補(bǔ)償裝置,壓出碳刷,以保障拉伸彈簧拉力,延長(zhǎng)碳刷壽命。設(shè)計(jì)時(shí),補(bǔ)償裝置中壓縮彈簧壓力A的選取應(yīng)是大于拉伸彈簧拉力F的法向分量N。新的帶有碳刷自動(dòng)補(bǔ)償裝置的變頻機(jī)組見(jiàn)圖4。
圖4 帶有碳刷自動(dòng)補(bǔ)償裝置的變頻機(jī)組
圖4結(jié)構(gòu)中,壓盒中安裝有壓縮彈簧,一端與碳刷平面接觸。當(dāng)碳刷發(fā)生磨損變短時(shí),在壓縮彈簧和調(diào)節(jié)螺釘?shù)淖饔孟拢妓⒈豁敵?,自?dòng)補(bǔ)償磨損量,維持拉伸彈簧的拉力,從而維系碳刷與滑環(huán)的良好接觸,提高變頻機(jī)組的使用壽命。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,變頻機(jī)組增加“碳刷自動(dòng)補(bǔ)償裝置”后滑環(huán)溫升正常,電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。在運(yùn)行過(guò)程中,碳刷的伸出量(露出刷握平面)基本上保持在4mm左右,可供磨損的長(zhǎng)度達(dá)到了碳刷長(zhǎng)度的2/3以上,碳刷的使用壽命接近1600h。
勵(lì)磁系統(tǒng)是混凝土振動(dòng)器用變頻機(jī)組重要而又薄弱的環(huán)節(jié),加之制造過(guò)程中工藝波動(dòng)因素的影響,缺點(diǎn)可被放大,嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅到產(chǎn)品的正常使用。合理設(shè)計(jì)的碳刷自動(dòng)補(bǔ)償裝置彌補(bǔ)這一缺陷,有效提高產(chǎn)品使用壽命。
[1]全國(guó)旋轉(zhuǎn)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能:GB 755-2008[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.
[2]全國(guó)旋轉(zhuǎn)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)起重冶金和屏蔽電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化分技術(shù)委員會(huì).電機(jī)用刷握及集電環(huán):JB/T 2839-2005[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.
[3]吳恒顓.電機(jī)常用材料手冊(cè)[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2001.
[4]陳世坤.電機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.
Analysis and Improvement of the Carbon Brush Structure of the Frequency Converter for Concrete Vibrator
Deng kanyi, Liu yuanping
( Foshan Yunque Vibrator Co.,Ltd. Foshan 528225, Guangdong )
By analyzing the carbon brush structure of the frequency converter for concrete vibrator, this paper points out the defects of this structure, and designs a new carbon brush structure with automatic compensation device, greatly prolonging the service life of product, and finally passed verification.
Concrete vibrator; Frequency converter; Carbon brush structure; Automatic compensation device
TM382
A
1674-2796(2017)05-0001-03
2017-06-07
鄧堪誼(1971—),男,大學(xué)本科,高級(jí)工程師,主要從事混凝土振動(dòng)器產(chǎn)品研發(fā)及企業(yè)管理工作。