雷國福 黃小龍

（寶武集團中南鋼鐵廣東韶鋼松山股份有限公司）

0 引言

韶鋼中厚板軋機同步電機功率是8MW，變頻調速驅動，為了向勵磁繞組供應直流電，使用電刷和集電環(huán)。勵磁電壓額定值為120V，勵磁電流額定值為906A，單極14個電刷。集電環(huán)周圍主要包括電刷、刷架、刷握、彈簧等。集電環(huán)、電刷會因運轉而磨損，導致集電環(huán)周圍存在磨屑、松動等狀況，因此集電環(huán)周圍是日常維護的重點部位，也是維護量最大、最頻繁的部位，對同步電機的維護至關重要。

1 集電環(huán)周圍的主要問題及原因

集電環(huán)周圍設備，電刷滑動，持續(xù)運轉一定時期后，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主要問題沒有及時關注和解決。

1.1 運轉中產(chǎn)生火花

正常運轉時不會產(chǎn)生火花，由于某種原因，確認運轉中產(chǎn)生火花時，必須在集電環(huán)的表面變得凹凸不平之前盡早調查集電環(huán)表面，查明原因，采取對策。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；過剩皮膜，附著油脂；電刷間的電流不均勻；電刷與刷握的隨動性不良，可能會因刷握內粘合碳塵妨礙彈簧效果，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械磨損。

1）在電流作用下，不僅有機械磨損，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，也會對機械磨損的程度產(chǎn)生影響。電流通過電刷和滑環(huán)的接觸面，直接傳導的部位不斷變動，電流密度又很大，使一些點溫度很高；電弧的高溫作用，會使兩側極面局部熔化、脫落，金屬會變成金屬蒸汽，電刷則結構松化，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，陽極（正極）表面局部灼熱而蒸發(fā)出“金屬蒸汽”，使陽極表面損蝕，這叫“陽極蒸發(fā)”；陰極（負極）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出現(xiàn)極性差別。當電流由電刷流向滑環(huán)時，電刷為正極，滑環(huán)為負極，則結果是：電刷面上發(fā)生微小程度的陽極蒸發(fā)，碳粒、石墨離子遷移到滑環(huán)表面，電刷有電氣磨損?；h(huán)表面有輕微的陰極粉化，并附著碳粒、石墨，成潤滑、光澤的鏡面。由于滑環(huán)表面平滑，機械磨損較小。當電流由滑環(huán)流向電刷時，電刷為負極，滑環(huán)為正極，則結果是：電刷面上發(fā)生陰極粉化，電氣磨損小?；h(huán)表面發(fā)生陽極蒸發(fā)。大量金屬蒸發(fā)，使其表面損蝕嚴重，同時，這些金屬粒子也易附于電刷磨損面上，反過來會使換向器表面嚴重磨損，出現(xiàn)條痕。這種情況下，滑環(huán)表面粗糙，呈金屬光亮，面間機械磨損大。

總的來說，當電刷為正極時，電刷電氣磨損大，機械磨損輕微，滑環(huán)的電氣磨損和機械磨損都很??；當電刷為負極時，電刷電氣磨損小，機械磨損大，滑環(huán)的電氣磨損、機械磨損都很大。為了使磨損均勻，對于滑環(huán)，因為正環(huán)電流由電刷流向滑環(huán)，電刷正極性，滑環(huán)負極性，故正環(huán)磨損?。煌?，負環(huán)磨損大，故兩環(huán)極性應經(jīng)常調換。

2）純機械磨損電刷和滑環(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。當相對滑動時，必然有摩擦作用而形成磨損。如果電刷顆粒細軟，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，兩者的機械磨損都較小。但如果電刷質量不佳，顆粒粗硬，甚至含有少數(shù)如金剛砂之類的硬質顆粒，則必然會對滑環(huán)表面進行刮割，使后者出現(xiàn)金屬光澤或紋路，電刷本身磨面也會出現(xiàn)硬粒脫落后而劃出的紋道，使機械磨損大大增加。

1.3 集電環(huán)周圍維護不周

集電環(huán)周圍磨損、震動、灰塵不可避免，按要求清潔、緊固、檢查更換對集電環(huán)設備的穩(wěn)定運行至關重要。例如，由于忽略碳塵大量附著在集電環(huán)和刷握周圍的表面上而引起閃絡事故；碳塵在刷握與電刷之間堵塞，電刷無法順利移動；電刷離開集電環(huán)，變成非勵磁狀態(tài)；其他正負電刷的導線（軟辮線）接觸后引起勵磁電源的短路事故等。此外，長時間放置后，集電環(huán)表面會生銹，如果照樣進行運轉，會造成電刷的異常磨損等。

2 集電環(huán)周圍設備檢查方法

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

1）日常檢查，以運轉過程中目視、聽音為主（見表1）。

2）周停機檢查，以停機近距離目視、測量為主，根據(jù)情況進行吹塵、緊固等工作（見表2）。

3）年度停機檢修，以停機解體測量、調整為主，根據(jù)情況進行解體測量、吹塵、調整等工作（見表3）。

表1

表2

表3

3 集電環(huán)周圍設備調整方法及注意事項

集電環(huán)周圍設備良好運行的前提是安裝上機時的精密調整以及各關聯(lián)部分間的調試配合，以下是相關設備的調整指導。

3.1 停止時電刷更換及注意事項

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）確認刷握內是否粘合碳塵。

5）安裝滑配合過的對應電刷，然后按照與第2項相反的要領安裝后面板。

6）安裝軟辮線的端子。

7）確認彈簧是否確實放置到電刷上面的凹部。

8）抓住電刷頂部使其上下移動，確認其與刷握的隨動性是否良好。

圖1

在運轉中更換電刷時，原則上正極、負極都分別在平均每個集電環(huán)的全部電刷個數(shù)的不到20%的范圍內更換。一次更換的個數(shù)超過此范圍會很危險。需確認要更換的電刷已經(jīng)用其刷握進行過滑配合。更換電刷時，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，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，也會導致電刷間的電流不均勻，因此要絕對避免混用品牌。

3.2 電刷與刷握的調整

如果電刷與刷握的間隙過大，運轉中電刷會在刷握內出現(xiàn)震顫現(xiàn)象，引起產(chǎn)生火花、異常過熱、妨礙集電環(huán)表面的皮膜形成等故障。

通常電機出廠時已經(jīng)將電刷與刷握的間隙調整為正常間隙，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)的調整

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

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。

1）將要進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號左右的粗砂紙，然后沿著轉動方向滑動砂紙，沿著集電環(huán)的曲率進行滑配合，直至電刷厚度方向全部達到接觸為止，見圖3。

圖3

3）其次用120~240號左右的砂紙按照第2項的要領進行滑配合。如果只讓砂紙朝轉動方向移動，則滑配合的效果更佳。

4）滑配合結束后，對整個集電環(huán)周圍吹氣，清除碳粉。

5）用抹布擦干凈各個電刷，清除碳塵。

6）使機器在無負荷狀態(tài)下運轉，進行滑配合。集電環(huán)與電刷接觸面超過80%是理想的滑配合。

7）通過運轉進行滑配合結束后，再次進行吹氣，清除附著在集電環(huán)周圍和電刷上的碳塵。

8）確認彈簧壓力和刷握內的電刷升降（隨動性）。

注意，務必將滑配合過的電刷安裝到滑配合時的刷握上。本機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，無需調整彈簧的壓力。但持續(xù)運轉一定期間后，會有可能出現(xiàn)上述因電刷磨損而附著碳塵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，會出現(xiàn)刷握的保持面變小、電刷振動、角缺損或軟辮線進入刷握內部的情況，繼而出現(xiàn)因電刷與刷握內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，即為電刷的更換時期。

圖4

3.5 電刷的材質與壓力

不同材質的電刷應對應不同的壓力，電刷材質的正常壓力如表5所示。

表5

3.6 電刷的壓力測定方法

彈簧壓力已經(jīng)根據(jù)電刷的種類調整為適當?shù)膲毫?，但是，如果因長年使用，出于某種原因，彈簧壓力發(fā)生強弱的變化時，會引起電刷的異常磨損、過熱等，因此必須加以注意。以下講述彈簧壓力測定方法的例子。

如圖5所示，用彈簧秤拉起測定，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，彈簧秤的值即為彈簧的強度。

圖5

3.7 集電環(huán)的調整

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

進行打磨時，首先從刷握上拉起所有電刷，轉動轉子。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，然后緊貼在旋轉著的集電環(huán)表面。同時，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)常打磨會導致集電環(huán)的偏心加重，因此必須加以注意。圖6表示打磨方法。

而且，進行打磨時，用抹布仔細擦拭集電環(huán)表面，完全清除附著的油等，結束后同樣用抹布認真擦拭后再吹氣，徹底清掃。此外，研磨中機器處于運轉狀態(tài)，因此非常危險。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動部分。

圖6

發(fā)現(xiàn)因集電環(huán)表面附著異物而出現(xiàn)凹凸或過剩皮膜的現(xiàn)象時，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，分別采取相應的方法。

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

圖7

4 結束語

集電環(huán)周圍設備的相關點檢查維護看似簡單，但涉及的技術要求點較多，必須做到有標準、有計劃、有執(zhí)行、有記錄，如果任何標準沒有執(zhí)行到位，都可能產(chǎn)生異常運行現(xiàn)象，甚至重大設備事故。