孟建軍

（朔州朔煤王坪煤電有限責(zé)任公司，山西 朔州 038300）

王坪煤礦的主通風(fēng)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(zhuǎn)子軸的尾端，從力學(xué)角度分析，滑環(huán)是單端支撐的懸臂梁結(jié)構(gòu)。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(chǎn)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(yīng)，于是導(dǎo)致碳刷和滑環(huán)接觸不良，容易產(chǎn)生火花。由于滑環(huán)、碳刷的裝配結(jié)構(gòu)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(hù)人員經(jīng)常性地觀察碳刷的磨損程度和剩余長度，維護(hù)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(jìn)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(fēng)機勵磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，對碳刷的固定架進(jìn)行改進(jìn)設(shè)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(shè)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(fù)極碳刷，碳刷的尺寸是25mm×32mm×50mm。原設(shè)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(fēng)機風(fēng)機、電動機運轉(zhuǎn)的安全性，決定在盡量不拆改原電機勵磁架結(jié)構(gòu)的前提下，新設(shè)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(cè)板上。

1.1 勵磁碳刷的固定架設(shè)計

設(shè)計的單排傳感器固定架，在一個底板上設(shè)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(jié)構(gòu)通過三角形支架安裝在同步電動機原來的勵磁架側(cè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jìn)行設(shè)置。如果碳刷磨損后剩余量達(dá)到或超過下限值，系統(tǒng)采用蜂鳴器進(jìn)行報警，提醒工作人員及時更換碳刷。

兩個風(fēng)機用的碳刷長度上限都設(shè)置為50mm，下限都設(shè)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(dāng)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動，導(dǎo)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(chǎn)生火花，滑環(huán)溫度會更高，導(dǎo)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(chǎn)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(zhǔn)第一個碳刷和滑環(huán)的接觸部位，從而達(dá)到監(jiān)測碳刷工作溫度的目的。

2 主通風(fēng)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(shè)計的每套溫度與位移采集設(shè)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(fēng)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(jìn)入，就可以選擇進(jìn)入一號風(fēng)機碳刷參數(shù)監(jiān)測或二號風(fēng)機碳刷參數(shù)監(jiān)測畫面。

可以實時查看一號風(fēng)機用同步電動機的正負(fù)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(fù)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(fù)極碳刷/滑環(huán)的溫度為21.9℃。通風(fēng)機監(jiān)測系統(tǒng)二號風(fēng)機用同步電動機的碳刷監(jiān)測畫面顯示，此時一號風(fēng)機正在運轉(zhuǎn)，二號風(fēng)機為不工作狀態(tài)。但是二號風(fēng)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(fù)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(fù)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(fēng)安全，主通風(fēng)機風(fēng)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(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效益

電機勵磁碳刷固定架改造后進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)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(biāo)準(zhǔn)要求，碳刷剩余長度顯示精準(zhǔn)，碳刷及滑環(huán)間溫度顯示準(zhǔn)確，可靠性高。

采用本溫度與位移采集設(shè)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(dá)到節(jié)省成本的目的。