CN111289430A - 水轮发电机碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了水轮发电机碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置及方法，它包括用于支撑安装整个装置的支架系统；所述支架系统上固定安装有用于提供动力的驱动系统，所述驱动系统的主轴输出端安装有集电环；所述集电环的下端设置三个相同型号的碳刷，分别为阳极碳刷、阴极碳刷和辅助碳刷；多个所述碳刷分别与安装在多个相应杠杆上的刷握接触配合，多个所述杠杆分别支撑在支架系统的立式支架上；所述集电环和多个碳刷与加载系统相连；所述加载系统和杠杆上安装有调节系统；还包括用于采集实验数据的测试系统。能够实时测量碳刷与集电环之间摩擦系数的载流摩擦磨损试验机。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦磨损试验装置领域，尤其涉及水轮发电机碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置。
背景技术
水轮发电机的碳刷和集电环是用于输送发电机励磁电流的通道，是发电机的重要部件之一。碳刷由恒压弹簧固定在刷握上与集电环直接接触，水轮发电机组在实际运行的过程中，碳刷和集电环相互接触而产生相互摩擦磨损的现象，在摩擦磨损的过程中易出现电刷温度过高、打火、回火等现象，导致发电机转子集电环和电刷的烧损事故，从而导致机组停运检修，费时费力且费财。
目前，根据现场实际调研，各类大小型水轮发电机组的励磁系统故障通常表现为集电环和碳刷的烧损事故，这些都与碳刷和集电环摩擦副之间的过度磨损以及磨损不均匀有关；碳刷的更换周期通常为2-3个月更换一次，且每次更换碳刷都要停机，磨损严重时会导致集电环表面粗糙度及圆度达不到要求，从而需要返厂重新打磨加工。这样不仅费时费力而且还会导致机组一段时间的停运。
因此，针对以上情况，设计出一种能够模拟水轮机集电环与碳刷实际接触方式测试磨损情况的载流摩擦磨损试验机是非常有必要的。
发明内容
由于目前还没有用于此类测试试验的试验机，本发明设计出一种用于水轮发电机碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置，本试验台能够模拟水轮发电机组在实际工程运行中碳刷和集电环的接触方式。
本发明所要解决的技术问题是提供解决目前水轮发电机碳刷与集电环磨损测试试验台的不足，提出水轮发电机碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：水轮发电机碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置，它包括用于支撑安装整个装置的支架系统；所述支架系统上固定安装有用于提供动力的驱动系统，所述驱动系统的主轴输出端安装有集电环；所述集电环的下端设置三个相同型号的碳刷，分别为阳极碳刷、阴极碳刷和辅助碳刷；多个所述碳刷分别与安装在多个相应杠杆上的刷握接触配合，刷握通过螺栓与杠杆连接，多个所述杠杆分别支撑在支架系统的立式支架上；所述集电环和多个碳刷与加载系统相连；所述加载系统和杠杆上安装有调节系统；还包括用于采集实验数据的测试系统。
所述支架系统包括用于固定驱动系统的调速电机的电机支座，电机支座通过连接螺栓与底板固定；包括用于支撑驱动系统的主轴的固定支座，固定支座底端通过连接螺栓与底板固定；包括用于安装杠杆的多根立式支架，立式支架通过连接螺栓与底板固定。
所述驱动系统包括调速电机，所述调速电机固定安装在电机支座上，所述调速电机的输出轴安装有主动同步带轮，所述主动同步带轮通过同步带与从动同步带轮构成同步带传动，所述从动同步带轮用紧固螺钉固定安装在主轴上，所述主轴支撑安装在固定支座上，所述主轴的输出端安装有集电环。
所述主轴的两端通过止推轴承支撑安装在固定支座上，主轴一端安装有扭矩传感器，所述集电环的两端分别安装有同轴绝缘环，同轴绝缘环采用螺纹连接与主轴相连，同轴绝缘环通过螺钉与集电环固定，集电环不与主轴接触。
所述刷握内部分别安装有压力传感器、绝缘导线和恒压弹簧；
所述绝缘导线一端通过连接螺钉与碳刷端部相连，碳刷另一端与集电环接触构成摩擦副。
所述压力传感器用来监测加载在阳极碳刷和阴极碳刷上的压力大小，并将其转换成电信号输出。
所述杠杆上安装有固定夹具，温度传感器安装在固定夹具上，夹具上一端开有U型孔，用于调节温度传感器的上下高度；所述温度传感器采用的是非接触式红外线温度传感器，用来检测阳极碳刷、阴极碳刷与集电环构成摩擦副表面的温度。
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、电流表、阳极碳刷、阴极碳刷、集电环、辅助碳刷、电压表和信号处理器构成回路。
所述调节系统包括用于调节调速电机转速比的调速器和用于调节阳极碳刷和阴极碳刷上压力的砝码，所述砝码放置在杠杆上远离刷握的一端，砝码中心距支点直线距离与碳刷中心距支点直线距离之比为1：2。
所述测试系统包括摩擦系数实时测量系统；摩擦系数的测量方法：在转轴处通过扭矩传感器测量出转轴的转矩，再将输出信号变换为模拟电信号进行摩擦系数的连续自动测量。
所述载流摩擦磨损试验台进行水轮发电机碳刷与集电环磨损测试的方法，它包括以下步骤：
步骤1：在进行碳刷与集电环摩擦副试验时，分别将阳极碳刷、阴极碳刷和辅助碳刷装在对应的刷握上；
步骤2：将集电环与同轴绝缘环通过螺钉连接装在主轴的输出端，调整杠杆在立式支架上的位置，保证碳刷与集电环接触良好；
步骤3：连接好驱动系统电路，并启动调速电机，通过调速电机驱动主动同步带轮，通过主动同步带轮和同步带驱动从动同步带轮，进而通过从动同步带轮驱动主轴，使的集电环与阳极碳刷、阴极碳刷和辅助碳刷正常接触，运行一段时间，待运行稳定之后再接通测量电路，开始碳刷与集电环摩擦副试验；
步骤4：在测试试验过程中，通过测试系统同时获得摩擦系数、载荷、温度、电流、电压的动态信号；
步骤5：更换不同材质的集电环和碳刷，重复以上步骤，研究摩擦系数、接触电压降与集电环材质、电刷材质等因素之间的关系。
本发明有如下有益效果：
1、本发明采用碳刷与集电环滑之间用环-块式接触方式，在试验中能够模拟水轮发电机碳刷集电环实际的接触情况，使得到的试验数据更贴近真实的工况。
2、通过在主轴上加上止推轴承，可以有效的减少集电环在转动的过程中的机械振动。
3、本发明能够实现摩擦系数的实时测量，以及摩擦表面温度的实时监测，能够更换不同材质的集电环和不同型号的碳刷进行多组试验，能够得到多组对比试验数据，为碳刷和集电环的设计与改性提供参考。
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为本发明整体图。
图2为本发明主轴部分爆炸图。
图3为本发明集电环与碳刷装配示意图。
图4为温度传感器装配示意图。
图5为本发明刷握的结构示意图。
图6为本发明电流加载系统示意图。
图中：调速电机1、电机支座2、主动同步带轮3、同步带4、固定支座5、主轴6、扭矩传感器7、从动同步带轮8、止推轴承9、同轴绝缘环10、集电环11、阳极碳刷12、辅助碳刷13、阴极碳刷14、刷握15、调整杠杆16、砝码17、立式支架18、电流表19、电压表20、恒压恒流源21、调速器22、可变电阻23、信号处理器24；
压力传感器15.1、绝缘导线15.2、恒压弹簧15.3、固定夹具16.1、温度传感器16.2。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
参见图1-6，水轮发电机碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置，它包括用于支撑安装整个装置的支架系统；所述支架系统上固定安装有用于提供动力的驱动系统，所述驱动系统的主轴输出端安装有集电环11；所述集电环11的下端设置三个相同型号的碳刷，分别为阳极碳刷12、阴极碳刷14和辅助碳刷13；多个所述碳刷分别与安装在多个相应杠杆16上的刷握15接触配合，刷握15通过螺栓与杠杆16连接，多个所述杠杆16分别支撑在支架系统的立式支架18上；所述集电环11和多个碳刷与加载系统相连；所述加载系统和杠杆16上安装有调节系统；还包括用于采集实验数据的测试系统。通过采用上述结构的试验台能够模拟水轮发电机碳刷集电环实际的接触情况，使得到的试验数据更贴近真实的工况。
进一步的，所述支架系统包括用于固定驱动系统的调速电机1的电机支座2，电机支座2通过连接螺栓与底板固定；包括用于支撑驱动系统的主轴6的固定支座5，固定支座5底端通过连接螺栓与底板固定；包括用于安装杠杆16的多根立式支架18，立式支架18通过连接螺栓与底板固定。通过上述的支架系统能够用于对整个装置进行支撑和固定。
进一步的，所述驱动系统包括调速电机1，所述调速电机1固定安装在电机支座2上，所述调速电机1的输出轴安装有主动同步带轮3，所述主动同步带轮3通过同步带4与从动同步带轮8构成同步带传动，所述从动同步带轮8用紧固螺钉固定安装在主轴6上，所述主轴6支撑安装在固定支座5上，所述主轴6的输出端安装有集电环11。通过上述的驱动系统主要用于提供动力，在工作过程中，通过调速电机1驱动主动同步带轮3，通过主动同步带轮3和同步带4共同作用驱动从动同步带轮8，进而通过从动同步带轮8驱动主轴6，最终通过主轴6驱动集电环11转动。
进一步的，所述主轴6的两端通过止推轴承9支撑安装在固定支座5上，主轴6一端安装有扭矩传感器7，所述集电环11的两端分别安装有同轴绝缘环10，同轴绝缘环10采用螺纹连接与主轴相连，同轴绝缘环10通过螺钉与集电环11固定，集电环11不与主轴6接触。通过上述的同轴绝缘环10能够对主轴6起到绝缘保护的目的。
进一步的，所述刷握15内部安装分别安装有压力传感器15.1、绝缘导线15.2和恒压弹簧15.3；
进一步的，所述绝缘导线15.2一端通过连接螺钉与碳刷端部相连，碳刷另一端与集电环11接触构成摩擦副。
进一步的，所述压力传感器15.1用来监测加载在阳极碳刷12和阴极碳刷14上的压力大小，并将其转换成电信号输出。
进一步的，所述杠杆16上安装有固定夹具16.1，温度传感器16.2安装在固定夹具16.1上，夹具上一端开有U型孔，用于调节温度传感器16.2的上下高度；所述温度传感器16.1采用的是非接触式红外线温度传感器，用来检测阳极碳刷12、阴极碳刷14与集电环11构成摩擦副表面的温度。
进一步的，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21，所述恒压恒流源21通过导线与可变电阻23、电流表19、阳极碳刷12、阴极碳刷14、集电环11、辅助碳刷13、电压表20和信号处理器24构成回路。通过上述的加载系统能够模拟不同加载参数下的试验数据。
进一步的，所述调节系统包括用于调节调速电机1转速比的调速器22和用于调节阳极碳刷12和阴极碳刷14上压力的砝码17，所述砝码17放置在杠杆16上远离刷握15的一端，砝码17中心距支点直线距离与碳刷中心距支点直线距离之比为1：2。在具体调节过程中，通过调速器22调节调速电机1的转速，通过砝码17用于调节不同的加载力。
进一步的，所述测试系统包括摩擦系数实时测量系统。摩擦系数的测量方法：在转轴处通过扭矩传感器7测量出转轴的转矩，再将输出信号变换为模拟电信号进行摩擦系数的连续自动测量。通过上述的测试系统能够对实验过程中的参数进行有效的采集，以为后续的研究提供数据支持。
实施例2：
所述载流摩擦磨损试验台进行水轮发电机碳刷与集电环磨损测试的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤1：在进行碳刷与集电环11摩擦副试验时，分别将阳极碳刷12、阴极碳刷14和辅助碳刷13装在对应的刷握15上；
步骤2：将集电环11与同轴绝缘环10通过螺钉连接分别装在主轴6的输出端，调整杠杆16在立式支架18上的位置，保证碳刷与集电环11接触良好；
步骤3：连接好驱动系统电路，并启动调速电机1，通过调速电机1驱动主动同步带轮3，通过主动同步带轮2和同步带4驱动从动同步带轮8，进而通过从动同步带轮8驱动主轴6，使的集电环11与阳极碳刷12、阴极碳刷14和辅助碳刷13正常接触，运行一段时间，待运行稳定之后再接通测量电路，开始碳刷与集电环摩擦副试验；
步骤4：在测试试验过程中，通过测试系统同时获得摩擦系数、载荷、温度、电流、电压的动态信号；
步骤5：更换不同材质的集电环11和碳刷，重复以上步骤，研究摩擦系数、接触电压降与集电环材质、电刷材质等因素之间的关系。
Claims (10)
1.水轮发电机碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置，其特征在于：它包括用于支撑安装整个装置的支架系统；所述支架系统上固定安装有用于提供动力的驱动系统，所述驱动系统的主轴输出端安装有集电环（11）；所述集电环（11）的下端设置三个相同型号的碳刷，分别为阳极碳刷（12）、阴极碳刷（14）和辅助碳刷（13）；多个所述碳刷分别与安装在多个相应杠杆（16）上的刷握（15）接触配合，刷握（15）通过螺栓与杠杆（16）连接，多个所述杠杆（16）分别支撑在支架系统的立式支架（18）上；所述集电环（11）和多个碳刷与加载系统相连；所述加载系统和杠杆（16）上安装有调节系统；还包括用于采集实验数据的测试系统。
2.根据权利要求1所述水轮发电机碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置，其特征在于：所述支架系统包括用于固定驱动系统的调速电机（1）的电机支座（2），电机支座（2）通过连接螺栓与底板固定；包括用于支撑驱动系统的主轴（6）的固定支座（5），固定支座（5）底端通过连接螺栓与底板固定；包括用于安装杠杆（16）的多根立式支架（18），立式支架（18）通过连接螺栓与底板固定。
3.根据权利要求1所述水轮发电机碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置，其特征在于：所述驱动系统包括调速电机（1），所述调速电机（1）固定安装在电机支座（2）上，所述调速电机（1）的输出轴安装有主动同步带轮（3），所述主动同步带轮（3）通过同步带（4）与从动同步带轮（8）构成同步带传动，所述从动同步带轮（8）用紧固螺钉固定安装在主轴（6）上，所述主轴（6）支撑安装在固定支座（5）上，所述主轴（6）的输出端安装有集电环（11）。
4.根据权利要求3所述水轮发电机碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置，其特征在于：所述主轴（6）的两端通过止推轴承（9）支撑安装在固定支座（5）上，主轴（6）一端安装有扭矩传感器（7），所述集电环（11）的两端分别安装有同轴绝缘环（10），同轴绝缘环（10）采用螺纹连接与主轴相连，同轴绝缘环（10）通过螺钉与集电环（11）固定，集电环（11）不与主轴（6）接触。
5.根据权利要求1所述水轮发电机碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置，其特征在于：所述刷握（15）内部分别安装有压力传感器（15.1）、绝缘导线（15.2）和恒压弹簧（15.3）；
所述绝缘导线（15.2）一端通过连接螺钉与碳刷端部相连，碳刷另一端与集电环（11）接触构成摩擦副；
所述压力传感器（15.1）用来监测加载在阳极碳刷（12）和阴极碳刷（14）上的压力大小，并将其转换成电信号输出。
6.根据权利要求1所述水轮发电机碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置，其特征在于：所述杠杆（16）上安装有固定夹具（16.1），温度传感器（16.2）安装在固定夹具（16.1）上，夹具上一端开有U型孔，用于调节温度传感器（16.2）的上下高度；所述温度传感器（16.1）采用的是非接触式红外线温度传感器，用来检测阳极碳刷（12）、阴极碳刷（14）与集电环（11）构成摩擦副表面的温度。
7.根据权利要求1所述水轮发电机碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置，其特征在于：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（21），所述恒压恒流源（21）通过导线与可变电阻（23）、电流表（19）、阳极碳刷（12）、阴极碳刷（14）、集电环（11）、辅助碳刷（13）、电压表（20）和信号处理器（24）构成回路。
8.根据权利要求1所述水轮发电机碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置，其特征在于：所述调节系统包括用于调节调速电机（1）转速比的调速器（22）和用于调节阳极碳刷（12）和阴极碳刷（14）上压力的砝码（17），所述砝码（17）放置在杠杆（16）上远离刷握（15）的一端，砝码（17）中心距支点直线距离与碳刷中心距支点直线距离之比为1：2。
9.根据权利要求1所述水轮发电机碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置，其特征在于：所述测试系统包括摩擦系数实时测量系统；摩擦系数的测量方法：在转轴处通过扭矩传感器（7）测量出转轴的转矩，再将输出信号变换为模拟电信号进行摩擦系数的连续自动测量。
10.采用权利要求1-9任意一项所述载流摩擦磨损试验台进行水轮发电机碳刷与集电环磨损测试的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤1：在进行碳刷与集电环（11）摩擦副试验时，分别将阳极碳刷（12）、阴极碳刷（14）和辅助碳刷（13）装在对应的刷握（15）上；
步骤2：将集电环（11）与同轴绝缘环（10）通过螺钉连接装在主轴（6）的输出端，调整杠杆（16）在立式支架（18）上的位置，保证碳刷与集电环（11）接触良好；
步骤3：连接好驱动系统电路，并启动调速电机（1），通过调速电机（1）驱动主动同步带轮（3），通过主动同步带轮（3）和同步带（4）驱动从动同步带轮（8），进而通过从动同步带轮（8）驱动主轴（6），使的集电环（11）与阳极碳刷（12）、阴极碳刷（14）和辅助碳刷（13）正常接触，运行一段时间，待运行稳定之后再接通测量电路，开始碳刷与集电环摩擦副试验；
步骤4：在测试试验过程中，通过测试系统同时获得摩擦系数、载荷、温度、电流、电压的动态信号；
步骤5：更换不同材质的集电环（11）和碳刷，重复以上步骤，研究摩擦系数、接触电压降与集电环材质、电刷材质等因素之间的关系。
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