CN113092298B - 水轮发电机偏心振摆下碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了水轮发电机偏心振摆下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，所述驱动系统中间安装有一个偏心轴，偏心轴通过联轴器与主轴相连，在主轴的输出端安装有两个相同大小的集电环；所述集电环的环面设置四个相同型号的碳刷；多个所述碳刷分别安装在支撑板上的刷握里，刷握通过螺栓与支撑板固定连接；所述集电环和多个碳刷与电流加载系统相连；另外还包括用于采集实验数据的测试系统。能够更换不同偏心距的偏心轴和更换不同刚度的弹簧进行偏心振摆下碳刷与集电环载流模拟试验的载流摩擦磨损试验机。

Description

水轮发电机偏心振摆下碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验 装置及方法

技术领域

本发明涉及水轮发电机偏心振摆下碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置，属于涉及摩擦磨损试验装置领域。

背景技术

水轮发电机碳刷/集电环是将水轮发电机组励磁电流导入转子绕组的关键部件。碳刷由恒压弹簧固定在刷握上与集电环环面滑动摩擦接触，水轮发电机组在实际运行的过程中，由于转子质心与其旋转中心存在一定的偏心距，转子在旋转时会产生偏心摆振，在此偏心振摆的影响下，碳刷与集电环的接触特性会产生一定的动态响应，由于碳刷是采用恒压弹簧提供压力与集电环接触，当集电环在转子偏心的影响下旋转时，碳刷与集电环之间可能会产生短暂的失接触现象，由此会出现碳刷异常磨损以及电弧放电导致碳刷打火、集电环环面烧蚀的问题。

目前，根据现场实际调研，我国各类大小型水轮发电机组在运行时机组都会存在一定的摆动，由此导致的碳刷打火现象也时有发生，但是产生打火现象的具体原因目前还尚不明确，相关文献表明，可能是由于摩擦产生的高温导致碳粉燃烧，也有可能是碳刷与集电环短暂的失接触而产生的电弧放电，为了具体研究这一问题，迫切需要设计出一种能够模拟水轮发电机转子偏心摆动的载流摩擦磨损试验机，用于偏心摆动下碳刷与集电环的接触特性研究，并且可以通过改变偏心距与弹簧刚度来进一步研究碳刷与集电环的失接触问题，为碳刷与集电环的结构设计提供理论参考。

因此，针对以上情况，设计出一种能够模拟水轮发电机偏心摆动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偏心振摆下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出现的机组摆动现象。

本发明所要解决的技术问题是提供解决目前水轮发电机在偏心摆动下出现的碳刷与集电环短暂失接触现象，提出一种能够模拟水轮发电机组偏心振摆的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：水轮发电机偏心振摆下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；所述集电环的环面分别安装两组且每组四个相同型号的碳刷，分别为阳极碳刷和阴极碳刷；多个所述碳刷分别与安装在刷握支撑板上的刷握接触配合，刷握通过螺栓与刷握支撑板固定，多个所述刷握支撑板分别安装在支架系统的立式支架上；所述集电环和多个碳刷与电流加载系统相连；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撑板，电机支撑板通过立式支架支撑固定；包括用于安装碳刷刷握的刷握支撑板，刷握支撑板通过立式支架固定。

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撑板上，所述调速电机的输出端通过第一联轴器安装有偏心轴，所述偏心轴输出端通过第二联轴器安装有主轴，所述主轴输出端采用螺纹连接与同轴绝缘环相连，所述同轴绝缘环通过螺栓连接与集电环固定，集电环不与主轴直接接触。

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滑动接触构成摩擦副；

所述压力传感器用来对阳极碳刷和阴极碳刷与集电环表面接触力的连续测量，并将其转换成电信号输出，以此来监测碳刷与集电环在偏心振摆下是否会产生短暂失接触的现象。

所述加载系统为电流加载系统；

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、集电环和信号处理器构成回路。

所述测试系统包括阳极碳刷和阴极碳刷与集电环之间的表面接触力连续测量系统，通过对表面接触力的连续测量，转换为电信号输出来判断碳刷与集电环在转子偏心振摆的情况下是否会出现短暂的失接触现象。

采用载流摩擦磨损试验台进行水轮发电机偏心振摆下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，分别将阳极碳刷与阴极碳刷安装在对应的刷握上；

步骤2：将偏心轴安装在调速电机输出端，将集电环与同轴绝缘环通过螺栓连接分别装在主轴的输出端，调整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，通过调速电机驱动偏心轴，进而驱动主轴带动集电环做偏心转动，阳极碳刷和阴极碳刷与集电环环面滑动摩擦接触，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，通过测试系统输出的电信号来判断碳刷与集电环的接触特性，同时能够通过高速相机来监测碳刷与集电环的打火情况；

步骤5：更换不同偏心距的偏心轴和不同刚度的恒压弹簧，重复以上操作，利用控制变量的研究方法研究不同偏心距与不同刚度的恒压弹簧对碳刷与集电环表面接触特性的影响。

本发明有如下有益效果：

1、本发明采用碳刷与集电环的接触方式为环-块式接触，与实际工程中水轮发电机组碳刷与集电环的接触方式相同，在试验中能够很好的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、通过在调速电机输出端安装偏心轴，能够模拟实际工程中水轮发电机组由于转子偏心出现的机组摆动。并且偏心轴可按需更换，可以研究不同的偏心距下碳刷与集电环的表面接触特性。

3、本发明通过安装在刷盒内的压力传感器可以对碳刷与集电环之间的表面接触力进行连续的测量，能够通过输出的电信号判断碳刷与集电环在转子偏心振摆的情况下是否会出现短暂的失接触现象。并且可据此更换不同刚度的弹簧以及更换不同偏心距的偏心轴进行多组试验，为水轮发电机组碳刷与集电环结构的理论优化设计提供理论参考。

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为本发明整体结构图。

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为本发明刷握的结构示意图。

图5为本发明电流加载系统示意图。

图中：调速电机1、电机支撑板2、第一联轴器3、偏心轴4、第二联轴器5、主轴6、同轴绝缘环7、集电环8、阳极碳刷9、阴极碳刷10、刷握11、刷握支撑板12、立式支架13、电流表14、可变电阻15、恒压恒流源16、信号处理器17；

联轴器紧固螺钉3.1、绝缘环连接螺栓7.1、集电环连接轴8.1、恒压弹簧11.1、压力传感器11.2、绝缘导线11.3。

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1-5，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8；所述集电环8的环面分别安装两组且每组四个相同型号的碳刷，分别为阳极碳刷9和阴极碳刷10；多个所述碳刷分别与安装在刷握支撑板12上的刷握11接触配合，刷握11通过螺栓与刷握支撑板12固定，多个所述刷握支撑板12分别安装在支架系统的立式支架13上；所述集电环8和多个碳刷与电流加载系统相连；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以及实际的机组摆动情况，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的电机支撑板2，电机支撑板2通过立式支架13固定；包括用于安装碳刷刷握的刷握支撑板12，刷握支撑板12通过立式支架13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固定安装在电机支撑板2上，所述调速电机1的输出端通过第一联轴器3安装有偏心轴4，所述偏心轴4输出端通过第二联轴器5安装有主轴6，所述主轴6输出端采用螺纹连接与同轴绝缘环7相连，所述同轴绝缘环7通过螺栓连接与集电环8固定，集电环8不与主轴6直接接触，起到绝缘保护的作用。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驱动偏心轴4，通过偏心轴4带动主轴，最终通过主轴6驱动集电环8偏心转动。

进一步的，所述刷握11内部安装分别安装有压力传感器11.2、绝缘导线11.3和恒压弹簧11.1；

进一步的，所述绝缘导线11.3一端通过连接螺钉与碳刷端部相连，碳刷另一端与集电环8滑动接触构成摩擦副。

进一步的，所述压力传感器11.2用来对阳极碳刷9和阴极碳刷10与集电环8表面接触力的连续测量，并将其转换成电信号输出，以此来监测碳刷与集电环在偏心振摆下是否会产生失接触的现象。

进一步的，所述加载系统为电流加载系统；所述电流加载系统包括恒压恒流源16，所述恒压恒流源16通过导线与可变电阻15、电流表14、阳极碳刷9、阴极碳刷10、集电环8和信号处理器17构成回路。

进一步的，所述测试系统包括阳极碳刷9和阴极碳刷10与集电环8之间的表面接触力连续测量系统。通过对表面接触力的连续测量，转换为电信号输出来判断碳刷与集电环在转子偏心振摆的情况下是否会出现短暂的失接触现象。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偏心振摆下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8摩擦副试验时，分别将阳极碳刷9与阴极碳刷10安装在对应的刷握11上；

步骤2：将偏心轴4安装在调速电机1输出端，将集电环8与同轴绝缘环7通过螺栓连接分别装在主轴6的输出端，调整位置保证碳刷与集电环8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驱动偏心轴4，进而驱动主轴6带动集电环8做偏心转动，阳极碳刷9和阴极碳刷10与集电环8环面滑动摩擦接触，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8摩擦副试验；

步骤4：在测试试验过程中，通过测试系统输出的电信号来判断碳刷与集电环8的接触特性，同时可通过高速相机来监测碳刷与集电环8的打火情况；

步骤5：更换不同偏心距的偏心轴4和不同刚度的恒压弹簧11.1，重复以上操作，利用控制变量的研究方法研究不同偏心距与不同刚度的恒压弹簧11.1对碳刷与集电环8表面接触特性的影响。

Claims (3)

1.采用水轮发电机偏心振摆下碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置的测试方法，所述水轮发电机偏心振摆下碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置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（8）；所述集电环（8）的环面分别安装两组且每组四个相同型号的碳刷，分别为阳极碳刷（9）和阴极碳刷（10）；多个所述碳刷分别与安装在刷握支撑板（12）上的刷握（11）接触配合，刷握（11）通过螺栓与刷握支撑板（12）固定，多个所述刷握支撑板（12）分别安装在支架系统的立式支架（13）上；所述集电环（8）和多个碳刷与电流加载系统相连；还包括用于采集实验数据的测试系统；

所述驱动系统包括调速电机（1），所述调速电机（1）固定安装在电机支撑板（2）上，所述调速电机（1）的输出端通过第一联轴器（3）安装有偏心轴（4），所述偏心轴（4）输出端通过第二联轴器（5）安装有主轴（6），所述主轴（6）输出端采用螺纹连接与同轴绝缘环（7）相连，所述同轴绝缘环（7）通过螺栓连接与集电环（8）固定，集电环（8）不与主轴（6）直接接触；

所述测试系统包括阳极碳刷（9）和阴极碳刷（10）与集电环（8）之间的表面接触力连续测量系统，通过对表面接触力的连续测量，转换为电信号输出来判断碳刷与集电环在转子偏心振摆的情况下是否会出现短暂的失接触现象；

所述刷握（11）内部分别安装有压力传感器（11.2）、绝缘导线（11.3）和恒压弹簧（11.1）；

所述绝缘导线（11.3）一端通过连接螺钉与碳刷端部相连，碳刷另一端与集电环（8）滑动接触构成摩擦副；

所述压力传感器（11.2）用来对阳极碳刷（9）和阴极碳刷（10）与集电环（8）表面接触力的连续测量，并将其转换成电信号输出，以此来监测碳刷与集电环在偏心振摆下是否会产生短暂失接触的现象；

其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：

步骤1：在进行碳刷与集电环（8）摩擦副试验时，分别将阳极碳刷（9）与阴极碳刷（10）安装在对应的刷握（11）上；

步骤2：将偏心轴（4）安装在调速电机（1）输出端，将集电环（8）与同轴绝缘环（7）通过螺栓连接分别装在主轴（6）的输出端，调整位置保证碳刷与集电环（8）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）驱动偏心轴（4），进而驱动主轴（6）带动集电环（8）做偏心转动，阳极碳刷（9）和阴极碳刷（10）与集电环（8）环面滑动摩擦接触，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（8）摩擦副试验；

步骤4：在测试试验过程中，通过测试系统输出的电信号来判断碳刷与集电环（8）的接触特性，同时能够通过高速相机来监测碳刷与集电环（8）的打火情况；

步骤5：更换不同偏心距的偏心轴（4）和不同刚度的恒压弹簧（11.1），重复以上操作，利用控制变量的研究方法研究不同偏心距与不同刚度的恒压弹簧（11.1）对碳刷与集电环（8）表面接触特性的影响。

2.根据权利要求1所述采用水轮发电机偏心振摆下碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置的测试方法，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）的电机支撑板（2），电机支撑板（2）通过立式支架（13）支撑固定；包括用于安装碳刷刷握的刷握支撑板（12），刷握支撑板（12）通过立式支架（13）固定。

3.根据权利要求1所述采用水轮发电机偏心振摆下碳刷与集电环载流摩擦磨损模拟试验装置的测试方法，其特征在于：所述加载系统为电流加载系统；

所述电流加载系统包括恒压恒流源（16），所述恒压恒流源（16）通过导线与可变电阻（15）、电流表（14）、阳极碳刷（9）、阴极碳刷（10）、集电环（8）和信号处理器（17）构成回路。

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