CN109975151B - 用于水轮机组电刷与集电环的立式载流摩擦磨损试验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于水轮机组电刷与集电环磨损测试的立式载流摩擦磨损试验台，包括驱动系统、支架系统、调节系统和加载系统，所述驱动系统包括调速电机，调速电机输出端通过扭矩仪与上主轴一端相连，在上主轴上设置导向轴承，上主轴另一端与连接盘上侧相连，连接盘下侧与下主轴相连，在下主轴上同轴设置绝缘盘、集电环和止推轴承，在集电环上设有电刷和辅助碳刷；本发明通过采用立式结构，在试验中能够极大程度模拟实际机器的摆动情况，得到的数据更加贴近真实工况，对电刷的改良设计和预测摩擦副的使用寿命具有重要参考价值。

Description

用于水轮机组电刷与集电环的立式载流摩擦磨损试验台

技术领域

本发明涉及流体机械设备领域，具体地指一种用于水轮机组电刷与集电环磨损测试的立式载流摩擦磨损试验台。

背景技术

电刷与集电环是水轮发电机组中将发电机励磁电流引入转子励磁绕组的重要部件。水轮机组运转时，电刷与集电环之间相互接触摩擦，实现电流传输的同时也产生摩擦磨损。

目前，包括葛洲坝水电站在内的所有大小型水轮机组的电刷-集电环摩擦副磨损严重，部分电刷2-3月就需更换一次，集电环在大修期间甚至需要返回原厂重新修圆打磨，增加运行维护成本的同时，也给整个机组的安全运行带来巨大隐患。为了检测水电站中电刷-集电环摩擦副摩擦磨损的具体情况和找出摩擦副过度磨损以及磨损不均的原因，就必须用相应的载流摩擦磨损试验机进行一系列实验来研究。而现有的载流摩擦磨损实验方案关于电网供电和第三方轨道的报道居多，对于水轮机组中出现的载流摩擦磨损现象报道的几乎没有，并且现有的卧式滚动载流摩擦磨损试验机无法模拟在立式结构工况下才有的集电环离心甩动现象。

因此，设计一种能真实反映水轮机组中电刷与集电环之间磨损情况的载流摩擦磨损试验台是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种用于水轮机组电刷与集电环磨损测试的立式载流摩擦磨损试验台，能够模拟在立式结构工况下才有的集电环离心甩动现象。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种用于水轮机组电刷与集电环磨损测试的立式载流摩擦磨损试验台，包括驱动系统、支架系统、调节系统和加载系统，所述驱动系统包括调速电机，调速电机输出端通过扭矩仪与上主轴一端相连，在上主轴上设置导向轴承，上主轴另一端与连接盘上侧相连，连接盘下侧与下主轴相连，在下主轴上同轴设置绝缘盘、集电环和止推轴承，在集电环上设有电刷和辅助碳刷。

优选地，所述支架系统包括左立式支架和右立式支架，在左立式支架和右立式支架之间从上至下依次设有用于固定调速电机的电机支架、用于固定扭矩仪的扭矩仪支架、用于固定导向轴承的上轴承支架、用于固定电刷的电刷支架、用于固定辅助碳刷的辅助碳刷支架和用于固定止推轴承的下轴承支架。

优选地，在电刷支架上设有多个刷握，所述刷握包括刷盒，在刷盒内设有压力传感器和恒压弹簧，在恒压弹簧中设有绝缘导线，绝缘导线与电刷一端相连，电刷另一端与集电环一侧相接触构成测试所需的摩擦副，在刷握上还设有温度传感器；在辅助碳刷支架上也设有多个刷握，所述刷握与辅助碳刷相连，辅助碳刷与集电环另一侧相接触。

优选地，所述调节系统包括用于调节上轴承支架、下轴承支架的连接座和用于调节电刷支架和辅助碳刷支架的连接架，所述连接座包括多个固定在上轴承支架或下轴承支架上的连接块，连接块与左立式支架或右立式支架配合滑动，并通过紧固螺栓固定；所述连接架为环状接头，通过螺栓将电刷支架或辅助碳刷支架和左立式支架或右立式支架相连。

优选地，所述加载系统包括电流加载系统和力加载系统，所述电流加载系统包括恒压恒流源，所述恒压恒流源通过导线与可变电阻、电刷、集电环、辅助碳刷和信号处理器构成回路，信号处理器与显示板相连。

优选地，连接盘和绝缘盘通过螺栓与集电环相连，集电环端面与螺栓焊接。

优选地，在螺栓外侧设有绝缘套；在刷握和电刷支架之间、刷握和辅助碳刷支架之间均设有绝缘层。

优选地，在下轴承支架上设有两个环形槽，在环形槽内设有透明挡板。

本发明的有益效果：

1、通过采用立式结构，在试验中能够极大程度模拟实际机器的摆动情况，得到的数据更加贴近真实工况；

2、通过在集电环上方设置导向轴承，下方设置止推轴承，能够控制微小扰动转角，对应不同的离心扰动，适用面更广；

3、能够得出多组对比数据，对电刷的改良设计和预测摩擦副的使用寿命具有重要参考价值。

附图说明

图1 为一种用于水轮机组电刷与集电环磨损测试的立式载流摩擦磨损试验台的结构示意图；

图2 为一种电刷10和集电环8的装配示意图；

图3 为一种刷握20的结构示意图；

图4 为一种连接座21的结构示意图；

图5 为一种连接架22的结构示意图；

图6 为一种透明挡板28的结构示意图；

图7 为一种电流加载系统结构图；

图中，调速电机1、扭矩仪2、上主轴3、导向轴承4、连接盘5、下主轴6、绝缘盘7、集电环8、止推轴承9、电刷10、辅助碳刷11、左立式支架12、右立式支架13、电机支架14、扭矩仪支架15、上轴承支架16、电刷支架17、辅助碳刷支架18、下轴承支架19、刷握20、刷盒20.1、压力传感器20.2、恒压弹簧20.3、绝缘导线20.4、温度传感器20.5、连接座21、连接块21.1、紧固螺栓21.2、连接架22、螺栓23、恒压恒流源24、可变电阻25、信号处理器26、显示板27、透明挡板28。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1至图7所示，一种用于水轮机组电刷与集电环磨损测试的立式载流摩擦磨损试验台，包括驱动系统、支架系统、调节系统和加载系统，所述驱动系统包括调速电机1，调速电机1输出端通过扭矩仪2与上主轴3一端相连，所述扭矩仪2通过联轴器将调速电机1与上主轴3连接在一起。在上主轴3上设置导向轴承4，上主轴3另一端与连接盘5上侧相连，连接盘5下侧与下主轴6相连，在下主轴6上同轴设置绝缘盘7、集电环8和止推轴承9，在集电环8上设有电刷10和辅助碳刷11。

优选地，所述支架系统包括左立式支架12和右立式支架13，在左立式支架12和右立式支架13之间从上至下依次设有用于固定调速电机1的电机支架14、用于固定扭矩仪2的扭矩仪支架15、用于固定导向轴承4的上轴承支架16、用于固定电刷10的电刷支架17、用于固定辅助碳刷11的辅助碳刷支架18和用于固定止推轴承9的下轴承支架19。

优选地，在电刷支架17上设有多个刷握20，所述刷握20包括刷盒20.1，在刷盒20.1内设有压力传感器20.2和恒压弹簧20.3，在恒压弹簧20.3中设有绝缘导线20.4，绝缘导线20.4与电刷10一端相连，电刷10另一端与集电环8一侧相接触构成测试所需的摩擦副，在刷握20上还设有温度传感器20.5；在辅助碳刷支架18上也设有多个刷握20，所述刷握20与辅助碳刷11相连，辅助碳刷11与集电环8另一侧相接触。电刷10与集电环8接触初始磨损很大，经过一段时间才会到相对稳定的磨合期，而辅助碳刷11与集电环8接触小，主要是电流导通作用，形成闭合回路，同时电刷10和辅助碳刷11也可形成对比。多个电刷10和辅助碳刷11的设置方便所得实验数据处理和对照分析。

过大的压力会使磨损机理发生复杂改变，过小的压力也会因为接触不良产生火花现象，从而加剧磨损。通过在刷握20内设置恒压弹簧20.3，可避免摩擦副不稳定时引起的振动和冲击能，还可以配合不同接触压力对摩擦副磨损性能的影响的研究。本实施例中具体在刷盒20.1内部开设圆柱孔，恒压弹簧20.3设置在圆柱孔内。

温度传感器20.5用于检测电刷10与集电环8构成摩擦副的温度，具体地，温度传感器20.5拟分别在无流和载流条件下每隔30s 测定摩擦副接触点温度的变化情况。

优选地，所述调节系统包括用于调节上轴承支架16、下轴承支架19的连接座21和用于调节电刷支架17和辅助碳刷支架18的连接架22，所述连接座21包括多个固定在上轴承支架16或下轴承支架19上的连接块21.1，连接块21.1与左立式支架12或右立式支架13配合滑动，并通过紧固螺栓21.2固定。上轴承支架16上安装的是导向轴承4，具体地采用一种带法兰的导向轴承4，作用是导向、约束轴的径向跳动；下轴承支架19上安装的是止推轴承9，具体地采用一种推力滚子轴承，作用以承受轴向载荷为主，也能承受一定的径向载荷，且摩擦因数较低，转速较高，并具有调心性能。通过调节连接架22来调节导向轴承4与上主轴3、止推轴承9与下主轴6连接的间距，不同间距对应不同扰动转角，从而达到调节上主轴3、下主轴6转动的时候离心扰动的目的。

所述连接架22为环状接头，通过螺栓23将电刷支架17或辅助碳刷支架18和左立式支架12或右立式支架13相连。这样的设置使得电刷支架17和辅助碳刷支架18更加稳固。

优选地，所述加载系统包括电流加载系统和力加载系统，所述电流加载系统包括恒压恒流源24，所述恒压恒流源24通过导线与可变电阻25、电刷10、集电环8、辅助碳刷11和信号处理器26构成回路，信号处理器26与显示板27相连。这样的设置能够检测摩擦过程中电阻的动态信号，并将电压和电流信号显示在显示板27上。

优选地，连接盘5和绝缘盘7通过螺栓23与集电环8相连，集电环8端面与螺栓23焊接。这样的设置使得连接盘5、绝缘盘7和集电环8的连接更加稳固。

优选地，在螺栓23外侧设有绝缘套，所述绝缘套用于隔绝集电环8端面传导的电流通过连接盘5传到上主轴3上，保护调速电机1等不带电。在刷握20和电刷支架17之间、刷握20和辅助碳刷支架18之间均设有绝缘层。

优选地，在下轴承支架19上设有两个环形槽，在环形槽内设有透明挡板28，所述透明挡板28用来隔绝和收集电刷10磨损后产生的微小颗粒。

本实施例工作原理如下：进行摩擦副实验时，将电刷10安装在刷握20上，调整电刷支架17和恒压弹簧20.3的位置，确保电刷10、辅助电刷11与集电环8良好接触。连接好电源线路，当需要测量载流摩擦副的磨损情况时，开机待整个装置运行稳定后再接通电源，初期由于加工等各方面原因，电刷10与集电环8的磨损会非常迅速，之后会进入一个相对稳定的磨合期。

本发明的装置在测试过程中可获得同步的电压、电流、电阻、载荷和摩擦系数动态信号，在非载流和载流条件下，研究摩擦系数、接触电阻、接触应力、相对速度、电刷材质等因素对摩擦副磨损的影响，还可以通过改变试验台所处外部环境条件研究湿度、温度等因素对摩擦副磨损的影响。本发明的装置能够对电刷10和集电环8进行摩擦磨损试验和相关检测，对电刷10的改良设计和预测摩擦副的使用寿命具有重要参考价值。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于水轮机组电刷与集电环磨损测试的立式载流摩擦磨损试验台，包括驱动系统、支架系统、调节系统和加载系统，其特征在于：所述驱动系统包括调速电机（1），调速电机（1）输出端通过扭矩仪（2）与上主轴（3）一端相连，在上主轴（3）上设置导向轴承（4），上主轴（3）另一端与连接盘（5）上侧相连，连接盘（5）下侧与下主轴（6）相连，在下主轴（6）上同轴设置绝缘盘（7）、集电环（8）和止推轴承（9），在集电环（8）上设有电刷（10）和辅助碳刷（11）；所述支架系统包括左立式支架（12）和右立式支架（13），在左立式支架（12）和右立式支架（13）之间从上至下依次设有用于固定调速电机（1）的电机支架（14）、用于固定扭矩仪（2）的扭矩仪支架（15）、用于固定导向轴承（4）的上轴承支架（16）、用于固定电刷（10）的电刷支架（17）、用于固定辅助碳刷（11）的辅助碳刷支架（18）和用于固定止推轴承（9）的下轴承支架（19）；所述调节系统包括用于调节上轴承支架（16）、下轴承支架（19）的连接座（21）和用于调节电刷支架（17）和辅助碳刷支架（18）的连接架（22），所述连接座（21）包括多个固定在上轴承支架（16）或下轴承支架（19）上的连接块（21.1），连接块（21.1）与左立式支架（12）或右立式支架（13）配合滑动，并通过紧固螺栓（21.2）固定；所述连接架（22）为环状接头，通过螺栓（23）将电刷支架（17）或辅助碳刷支架（18）和左立式支架（12）或右立式支架（13）相连；所述加载系统包括电流加载系统和力加载系统，所述电流加载系统包括恒压恒流源（24），所述恒压恒流源（24）通过导线与可变电阻（25）、电刷（10）、集电环（8）、辅助碳刷（11）和信号处理器（26）构成回路，信号处理器（26）与显示板（27）相连。

2.根据权利要求1所述的用于水轮机组电刷与集电环磨损测试的立式载流摩擦磨损试验台，其特征在于：连接盘（5）和绝缘盘（7）通过螺栓（23）与集电环（8）相连，集电环（8）端面与螺栓（23）焊接。

3.根据权利要求1所述的用于水轮机组电刷与集电环磨损测试的立式载流摩擦磨损试验台，其特征在于：在电刷支架（17）上设有多个刷握（20），所述刷握（20）包括刷盒（20.1），在刷盒（20.1）内设有压力传感器（20.2）和恒压弹簧（20.3），在恒压弹簧（20.3）中设有绝缘导线（20.4），绝缘导线（20.4）与电刷（10）一端相连，电刷（10）另一端与集电环（8）一侧相接触构成测试所需的摩擦副，在刷握（20）上还设有温度传感器（20.5）；在辅助碳刷支架（18）上也设有多个刷握（20），所述刷握（20）与辅助碳刷（11）相连，辅助碳刷（11）与集电环（8）另一侧相接触。

4.根据权利要求3所述的用于水轮机组电刷与集电环磨损测试的立式载流摩擦磨损试验台，其特征在于：在螺栓（23）外侧设有绝缘套；在刷握（20）和电刷支架（17）之间、刷握（20）和辅助碳刷支架（18）之间均设有绝缘层。

5.根据权利要求1所述的用于水轮机组电刷与集电环磨损测试的立式载流摩擦磨损试验台，其特征在于：在下轴承支架（19）上设有两个环形槽，在环形槽内设有透明挡板（28）。

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