CN110095365A - 一种用于模拟水轮机碳刷-集电环载流摩擦磨损的试验机 - Google Patents

Abstract

一种用于模拟水轮机碳刷‑集电环载流摩擦磨损的试验机，包括机架，机架顶端安装有立式电机，立式电机输出端与主轴连接，主轴底端安装在轴承支架上；所述主轴上同轴设置有集电环，所述集电环包括集电环轴套，集电环轴套安装在主轴上，集电环轴套外间隔布置有多个集电环环体，端面碳刷与集电环环体的端面接触并形成回路，侧面碳刷与另外的集电环环体的侧面接触并形成回路。本发明提供的一种用于模拟水轮机碳刷‑集电环载流摩擦磨损的试验机，能够模拟实际机器的摆动情况，对电刷的选择、改良设计和预测摩擦副的使用寿命具有重要参考价值。

Description

一种用于模拟水轮机碳刷-集电环载流摩擦磨损的试验机

技术领域

本发明涉及机械类摩擦磨损实验装置，尤其是一种用于模拟水轮机碳刷-集电环载流摩擦磨损的试验机。

背景技术

水轮发电机电刷装置，是将发电机励磁电流引入转子励磁绕组的重要部件。电刷装置主要由电刷、导电环、固定架及绝缘件等主要部件组成。电刷固定在导电环上，与发电机转动部件集电环接触，将发电机的励磁电流引入发电机励磁绕组中，为发电机提供持续的励磁电流。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磨损。电刷磨损产生石墨小颗粒，污染机组，损害工作人员健康，造成绝缘件性能下降甚至丧失，危及整个机组的安全运行。集电环磨损使其表面出现蚀坑或磨痕，加剧电刷磨损的同时增加电刷与集电环之间的接触电阻，造成电刷过热甚至跳火。目前,大型水轮机集电环-电刷摩擦副磨损严重，部分电刷2-3个月就需更换一次，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。集电环-电刷摩擦副的过度磨损以及因为磨损不均所造成的电刷过热和跳火甚至环火问题是包括葛洲坝电厂在内所有的大小型水轮发电机目前所面临的急需解决的问题之一，也一直是工程界和学术界所关注的焦点。

目前，有关载流摩擦研究背景多基于电网供电与第三方轨道，载流摩擦试验机也是适用于特定的研究领域。而基于水轮机碳刷-集电环为背景的系统性研究非常少，并且缺乏能够直接使用的试验机。为了检测水轮机中碳刷-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，所以设计一台适用于碳刷-集电环载流摩擦磨损试验的试验机是非常有必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供解决当前对于水轮机碳刷-集电环载流摩擦磨损研究的不足，并且创新性地提出了一种能实现端面和侧面两种供电方式的载流摩擦磨损模拟试验机，可以模拟各类水轮机上电刷和集电环接触及摩擦方式。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种用于模拟水轮机碳刷-集电环载流摩擦磨损的试验机，包括机架，机架顶端安装有立式电机，立式电机输出端与主轴连接，主轴底端安装在轴承支架上；所述主轴上同轴设置有集电环，所述集电环包括集电环轴套，集电环轴套安装在主轴上，集电环轴套外间隔布置有多个集电环环体，端面碳刷与集电环环体的端面接触并单独形成回路，侧面碳刷与另外的集电环环体的侧面接触并单独形成回路。

所述立式电机输出端与主轴之间连接有扭矩仪，扭矩仪通过扭矩仪固定板和支撑架与机架连接。

所述集电环环体为四组，四组集电环环体与集电环轴套形成过盈配合；且最上端和最下端的两组集电环环体通过细导电杆连接，中间的两组集电环环体通过粗导电杆连接。

所述最上端和最下端的两组集电环环体的端面与端面碳刷接触并形成回路；中间的两组集电环环体的侧面与侧面碳刷接触并形成回路。

所述端面碳刷通过螺栓和螺母固定在端面碳刷固定板上；侧面碳刷通过螺栓和螺母固定在侧面碳刷固定板上。

所述中间的两组集电环环体相背一侧设有绝缘圆板。

所述集电环环体与集电环轴套之间的接触面以及集电环轴套与主轴之间的接触面、均刷有一层绝缘涂层。

所述细导电杆与中间的两组集电环环体的接触面上涂有绝缘涂层。

所述端面碳刷、侧面碳刷均包括碳刷架，碳刷架上安装有制握，制握内设有碳刷盒，碳刷盒内设有滑槽，滑槽内依次安装有压力传感器、弹簧及碳刷，碳刷与压力传感器接入外部控制电路中。

本发明一种用于模拟水轮机碳刷-集电环载流摩擦磨损的试验机，具有以下技术效果：

1）、通过采用立式结构，并在转轴上安装集电环， 集电环与碳刷电接触转动，与实际的碳刷-集电环结构相似，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）、通过在集电环轴套上设置4组集电环体，上下两组集电环体与端面碳刷接触时通过细导电杆通电形成回路，中间两组集电环体与侧面碳刷接触时通过粗导电杆通电形成回路。即本试验机提出了碳刷与集电环之间通过侧面与端面接触来进行两种方式供电，可以模拟水电站中实际使用的各类水轮机的励磁电流输入装置，同时可比较这两输入方式的优缺点，拓宽了试验机的使用范围。

3）、本试验机能够对电刷-集电环进行摩擦磨损试验和相关检测，进而得到相关参数，对电刷的选择、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

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的主视图。

图3为本发明中碳刷与集电环接触示意图。

图4为本发明中集电环结构图。

图5为本发明中支撑架连接示意图。

图6为本发明中碳刷固定板与机架连接图。

图7为本发明中电流加载系统图。

图8为本发明中端面碳刷或侧面碳刷的结构示意图。

图中：电机1，扭矩仪2，联轴器3，主轴4，集电环5，轴承支架6，脚座7，绝缘板8，绝缘圆板9，端面碳刷固定板10，端面碳刷11，侧面碳刷12，侧面碳刷固定板13，细导电杆14，粗导电杆15，支撑架16，机架17，信号处理器18，电子显示板19，电源20，可变电阻21，导线22，螺栓101，螺母102，螺母103，螺母104，沉头螺栓105，绝缘涂层201，电机支撑板401，扭矩仪固定板402，轴承支撑板403，十字滑块404，集电环体501，集电环轴套502；碳刷架31，碳刷盒32，弹簧33，碳刷34，绝缘导线35，压力传感器36，制握37。

具体实施方式

如图1-4所示，一种可以实现端面和侧面两种供电的用于碳刷-集电环的载流摩擦磨损模拟试验机，包括驱动装置、支架、集电环、碳刷和电流加载系统。所述的驱动装置包括固定在支架最上方的立式电机1和由电机带动旋转的主轴4，所述的立式电机1下方设有测量主轴转矩的扭矩仪2，所述的扭矩仪2通过扭矩仪固定板402和支撑架16与机架17连接，所述的扭矩仪2通过联轴器3与上方的立式电机1和下方的主轴4相连接，所述的主轴4上连接的还有轴承支架6和集电环5，所述的集电环5通过平键与主轴4连接，图中未示出，所述的轴承支架6对称的分布在集电环5两端，通过轴承支撑板403和支撑架16与机架17连接。

如图1、图3、图6中，所述的支架包括机架17，支撑架16，电机支撑板401，扭矩仪固定板402，轴承支撑板403，绝缘板8，端面碳刷固定板10和侧面碳刷固定板13，所述的机架17用于连接电机支撑板401，扭矩仪固定板402，轴承支撑板403，端面碳刷固定板10和侧面碳刷固定板13，所述的支撑架16用于扭矩仪固定板402、轴承支撑板403和机架17连接，所述电机支撑板401通过螺栓与电机1和机架17连接，所述的扭矩仪固定板402通过螺栓与扭矩仪2连接，所述的轴承支撑板403通过螺栓与轴承支架6连接，所述的绝缘板8通过沉头螺栓105与机架相连用于绝缘上下机架，所述的端面碳刷固定板10对称分布在集电环5上下的两个端面，所述的端面碳刷固定板10通过沉头螺栓105与机架17相连，所述的侧面碳刷固定板13对称地与集电环5中间两个环体面相平布置，所述的侧面碳刷固定板13通过沉头螺栓105与机架17相连。

如图2、图3、图4中，所述的集电环5包括集电环环体501，集电环轴套502，绝缘圆板9和导电杆，所述的集电环轴套502与主轴4通过平键连接，图中未示出，集电环轴套502与集电环环体501形成过盈配合，所述的集电环环体501上下两层通过细导电杆14连接，所述的细导电杆14是相对于中间环体所开的孔而言，由于细导电杆14的长度长，在保证强度的条件下尽可能减小其直径，减小了连入电路的电阻，所述集电环中间两层通过粗导电杆15连接，所述的粗导电杆15只是为了叙述方便将其进行区分，在实施过程中可适当减小其直径，所述的绝缘圆板9对称设置在集电环体501中间两层的两边，绝缘圆板9的作用是为了防止机器长时间使用后，碳粉散布到环体上导致中间环体与上下环体之间互相导电，起到了预防作用，所述的集电环体501上下两层的端面与端面碳刷11接触，所述的集电环中间两层的侧面与侧面碳刷12接触，实现端面和侧面两种方式供电。

如图3中，所述的碳刷分为端面碳刷11和侧面碳刷12，所述的两种碳刷的结构大致相同。

如图8中，端面碳刷11和侧面碳刷12均包括碳刷架31，碳刷架31利用螺栓螺母固定在碳刷固定板上。碳刷架31上安装有制握，制握内凹槽中包含碳刷盒32，碳刷34，弹簧33，绝缘导线35。制握37为现存的一种结构（葛洲坝电厂提供），根据此结构我们在其中加入了压力传感器36，用于检测碳刷34与集电环之间的压力大小。绝缘导线35的作用是用于将碳刷34接入外电路。

所述的端面碳刷11通过螺栓101和螺母102固定在端面碳刷固定板10上，实现端面碳刷11与集电环的端面接触供电。所述的侧面碳刷12同样通过螺栓101和螺母102固定在侧面碳刷固定板13上，实现侧面碳刷与集电环的侧面接触供电。

如图7中，所述的电流加载系统包括电源20、信号处理器18和电子显示板19，电源20、导线22、可变电阻21、碳刷12、集电环5与信号处理器18构成回路，所述的信号处理器18接收电压和电流信号传递给电子显示板19。其中，端面碳刷11与侧面碳刷12接入回路的方式相同，图中只示出侧面碳刷12的接入方式。

如图1中，优选地，所述的联轴器3采用弹性的十字滑块联轴器，所述的十字滑块联轴器的十字滑块404采用橡胶材质，能够防止意外情况导致扭矩仪带电。

如图3中，所述的用于连接碳刷和碳刷固定板的螺栓101和螺母102表面都刷有一层绝缘涂层，能够防止机架带电。

如图2、图3中，优选地，所述的集电环轴套502与集电环环体501接触表面刷有一层绝缘涂层，防止上下集电环环体与中间集电环环体形成回路，所述的集电环轴套502与主轴4的接触面同样刷有一层绝缘涂层201，防止意外情况导致集电环5与主轴4通电。

如图4中，优选地，所述的集电环的细导电杆14在与集电环5中间两环体的接触面上涂有绝缘涂层，所述的粗导电杆15与细导电杆14的两端都带有螺纹，通过螺母103和螺母104固定。

优选地，所述的支撑架16是一种带有螺纹孔和四个侧面有凹槽的方型钢管，所述的支撑架16能够方便其他部件与之固定连接，支撑架16与支撑架16间，支撑架16与机架17间和支撑架与固定板间都通过螺栓或沉头螺栓105连接。

该装置的设计是为了模拟集电环和碳刷之间的模拟情况，并且本装置创新性地设计了一种能实现端面和侧面两种供电方式的载流摩擦磨损模拟试验机，可以模拟各类水轮机上电刷和集电环接触及摩擦方式。

在试验的过程中，我们为了数据的可靠性和安全性，我们通常只进行两种方式中的一种来进行试验。用侧面碳刷与集电环的侧面接触（去除端面碳刷）进行试验，或者用端面碳刷与集电环的端面（去除掉侧面碳刷）进行试验。拓宽了该试验机的使用范围。

工作原理及过程：

启动电机1，利用电机1驱动集电环5进行转动，使得将端面碳刷11或侧面碳刷12中的一种与集电环5进行相互摩擦。

在试验过程中，通过电机可以改变转速，通过调剂碳刷机构中弹簧的松紧可以调节施加给碳刷的载荷，在外电路上可以调剂电阻、电压和电流。以此来形成不同的运行参数，模拟实际的工况条件，探寻最佳工况条件。

通过该试验机进行试验后，扭矩仪能够得到摩擦系数，压力传感器能够得到施加在碳刷上的载荷，外电路上的电子显示板上可以得到电路、电压和电阻的变化情况。

Claims (9)

1.一种用于模拟水轮机碳刷-集电环载流摩擦磨损的试验机，其特征在于：包括机架（17），机架（17）顶端安装有立式电机（1），立式电机（1）输出端与主轴（4）连接，主轴（4）底端安装在轴承支架（6）上；所述主轴（4）上同轴设置有集电环（5），所述集电环（5）包括集电环轴套（502），集电环轴套（502）安装在主轴（4）上，集电环轴套（502）外间隔布置有多个集电环环体（501），端面碳刷（11）与集电环环体（501）的端面接触并单独形成回路，用于模拟现有的第一类水轮机的实际工况；侧面碳刷（12）与另外的集电环环体（501）的侧面接触并单独形成回路；用于模拟现有的第二类水轮机的实际工况。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟水轮机碳刷-集电环载流摩擦磨损的试验机，其特征在于：所述立式电机（1）输出端与主轴（4）之间连接有扭矩仪（2），扭矩仪（2）通过扭矩仪固定板（402）和支撑架（16）与机架（17）连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟水轮机碳刷-集电环载流摩擦磨损的试验机，其特征在于：所述集电环环体（501）为四组，四组集电环环体（501）与集电环轴套（502）形成过盈配合；且最上端和最下端的两组集电环环体（501）通过细导电杆（14）连接，中间的两组集电环环体（501）通过粗导电杆（15）连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于模拟水轮机碳刷-集电环载流摩擦磨损的试验机，其特征在于：所述最上端和最下端的两组集电环环体（501）的端面与端面碳刷（11）接触并形成回路；中间的两组集电环环体（501）的侧面与侧面碳刷（12）接触并形成回路。

5.根据权利要求4所述的一种用于模拟水轮机碳刷-集电环载流摩擦磨损的试验机，其特征在于：所述端面碳刷（11）通过螺栓（101）和螺母（102）固定在端面碳刷固定板（10）上；侧面碳刷（12）通过螺栓（101）和螺母（102）固定在侧面碳刷固定板（13）上。

6.根据权利要求4所述的一种用于模拟水轮机碳刷-集电环载流摩擦磨损的试验机，其特征在于：所述中间的两组集电环环体（501）相背一侧设有绝缘圆板（9）。

7.根据权利要求1所述的一种用于模拟水轮机碳刷-集电环载流摩擦磨损的试验机，其特征在于：所述集电环环体（501）与集电环轴套（502）之间的接触面以及集电环轴套（502）与主轴4之间的接触面、均刷有一层绝缘涂层（201）。

8.根据权利要求3所述的一种用于模拟水轮机碳刷-集电环载流摩擦磨损的试验机，其特征在于：所述细导电杆（14）与中间的两组集电环环体（501）的接触面上涂有绝缘涂层。

9.根据权利要求1所述的一种用于模拟水轮机碳刷-集电环载流摩擦磨损的试验机，其特征在于：所述端面碳刷（11）、侧面碳刷（12）均包括碳刷架（31），碳刷架（31）上安装有制握（37），制握（37）内设有碳刷盒（32），碳刷盒（32）内设有滑槽，滑槽内依次安装有压力传感器（36）、弹簧（33）及碳刷（34），碳刷（34）与压力传感器（36）接入外部控制电路中。