趙慧玲，朱先勇，劉 潤(rùn)

● （吉林大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，吉林長(zhǎng)春 130025）

G58風(fēng)電機(jī)組集電環(huán)磨損原因分析及改善

趙慧玲，朱先勇，劉 潤(rùn)

● （吉林大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，吉林長(zhǎng)春 130025）

G58-850風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，集電環(huán)容易因磨損報(bào)廢，造成多臺(tái)機(jī)組停轉(zhuǎn)，影響整套電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本文從工作環(huán)境、環(huán)面材料等方面分析了集電環(huán)的磨損機(jī)理，從改善金屬材料、部件受力情況等方面研發(fā)新型集電環(huán)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)新型集電環(huán)性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改善金屬材料后的集電環(huán)較舊型性能更好。

風(fēng)電機(jī)組；集電環(huán)；磨損

0 引言

位于吉林省境內(nèi)的某風(fēng)電場(chǎng)共裝設(shè)G58-850機(jī)組294臺(tái)。自2011年初投入運(yùn)行以來(lái)共損壞發(fā)電機(jī)集電環(huán)63臺(tái)次，報(bào)廢率達(dá)21%。集電環(huán)的損壞造成多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組停轉(zhuǎn)，同時(shí)也影響風(fēng)電場(chǎng)的生產(chǎn)效率。工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，集電環(huán)磨損過(guò)快主要原因是集電環(huán)環(huán)面溫度過(guò)高，放電點(diǎn)蝕使其氧化膜受到破壞，磨損速度極劇增加。同時(shí)，環(huán)面金屬材料與碳刷之間摩擦系數(shù)過(guò)大也是引起集電環(huán)環(huán)面磨損嚴(yán)重的主要原因。

本文主要從工作環(huán)境、環(huán)面材料等方面分析了集電環(huán)的磨損機(jī)理，從改善金屬材料、部件受力情況等方面研發(fā)新型集電環(huán)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)新型集電環(huán)性能測(cè)試。

1 風(fēng)電機(jī)組集電環(huán)的磨損機(jī)理分析

由于受到工作環(huán)境和自身材料兩方面的影響，風(fēng)電機(jī)組集電環(huán)在工作過(guò)程中磨損現(xiàn)象嚴(yán)重，故障率高。

圖1 已磨損集電環(huán)

在風(fēng)電機(jī)組中，發(fā)電機(jī)集電環(huán)環(huán)面和碳刷相接觸。由于碳刷架彈簧壓力作用和材料彈性變形，二者的直接接觸部分在長(zhǎng)期的工作過(guò)程中互相嵌入。相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，因機(jī)械摩擦而造成磨損。若碳刷顆粒細(xì)軟，則碳粉易附著在滑環(huán)表面，形成亮滑的石磨鏡面，機(jī)械磨損較小。碳刷材質(zhì)過(guò)軟，滑環(huán)室易積聚碳粉，造成相間短路；碳刷材質(zhì)過(guò)硬，或含有如金剛砂之類的硬質(zhì)顆粒，則必然使機(jī)械磨損增加，造成集電環(huán)環(huán)面快速磨損。圖1所示為集電環(huán)磨損圖片。由圖1可見(jiàn)，集電環(huán)接地相磨損已超2mm。嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

此外，碳刷經(jīng)碳刷架作用與集電環(huán)滑動(dòng)摩擦接觸，碳刷架彈簧壓力的大小及碳刷中心線是否與環(huán)面垂直直接影響碳刷的導(dǎo)電性能，并造成集電環(huán)環(huán)面磨損過(guò)快。由工作現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)可知，碳刷架彈簧壓力在 2.2N/cm2±10%范圍內(nèi)。彈簧壓力過(guò)小，碳刷和滑環(huán)表面接觸不穩(wěn)定，容易引起電弧，使電氣磨損增大；壓力過(guò)大，刷面的硬粒對(duì)滑環(huán)環(huán)面磨損嚴(yán)重。

2 新型集電環(huán)的材料設(shè)計(jì)

為解決舊型集電環(huán)磨損過(guò)快的問(wèn)題，設(shè)計(jì)新型集電環(huán)材料，使之滿足工作環(huán)境對(duì)產(chǎn)品壽命等方面的要求。

舊型集電環(huán)內(nèi)部材質(zhì)為不銹鋼，外部環(huán)面主要材質(zhì)為磷青銅，新型集電環(huán)較舊型集電環(huán)環(huán)面在環(huán)面修復(fù)過(guò)程中增加了錫、鋅與鉛的成分，在保證電導(dǎo)率、密度、軟化溫度及晶粒度基本不變的前提下提高環(huán)面耐磨能力（硬度），增強(qiáng)了導(dǎo)電性能。新型集電環(huán)較舊型集電環(huán)環(huán)面的金屬組

成成分及技術(shù)參數(shù)見(jiàn)下表1及表2。

表1 舊型及新型集電環(huán)主要化學(xué)成份（%）

表2 舊型及新型集電環(huán)的主要技術(shù)參數(shù)

新型和舊型集電環(huán)金相組織圖如圖2所示。

圖2 舊型及新型集電環(huán)金相組織圖

由圖2可知，新型集電環(huán)較舊型集電環(huán)的金相組織分布均勻。均勻的金相組織使集電環(huán)與碳刷相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)形成良好的潤(rùn)滑膜，從而保持正常的滑動(dòng)接觸狀態(tài)。由于新型集電環(huán)環(huán)面與碳刷間的研磨作用使?jié)櫥け《鶆蛲暾?，摩擦系?shù)能穩(wěn)定在較低的數(shù)值上，可有效降低摩擦系數(shù)。

3 摩擦實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

為檢驗(yàn)新型集電環(huán)在實(shí)際工況中的磨損性能，設(shè)計(jì)了摩擦實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用來(lái)仿真集電環(huán)的真實(shí)工作環(huán)境中的磨損情況。

實(shí)驗(yàn)采用吉林大學(xué)鑄造實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的集電環(huán)環(huán)面用銅毛坯。每爐澆鑄30個(gè)集電環(huán)毛坯，單環(huán)直徑230mm，密度為8.8g/cm3。選取4件G58型風(fēng)機(jī)配套碳刷，再選取新型集電環(huán)與 G58機(jī)組原裝集電環(huán)作對(duì)比試驗(yàn)。復(fù)合材料摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)按GB12175-90標(biāo)準(zhǔn)在自制的磨損試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。將銅環(huán)毛坯加工成外徑230mm、內(nèi)徑80mm、厚20mm銅環(huán)后安裝在自制實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，如圖3所示。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速范圍為0r/s～2500r/s，可提供2000A測(cè)試電流，可檢測(cè)電阻率及接觸電壓降，能夠模擬出集電環(huán)在風(fēng)機(jī)上正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的工況，從而檢測(cè)在不同工況下集電環(huán)與碳刷的工作狀態(tài)。采用摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，磨損條件為干滑動(dòng)摩擦磨損，實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表3所示。

在磨損條件、試驗(yàn)參數(shù)與試驗(yàn)設(shè)備相同的條件下，優(yōu)化銅合金材料后改善了集電環(huán)環(huán)面與碳刷的接觸摩擦效果。舊型及新型集電環(huán)磨損過(guò)程摩擦系數(shù)變化如圖 4所示。

圖3 集電環(huán)的磨損實(shí)驗(yàn)臺(tái)

表3 磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果對(duì)比

圖4 舊型及新型集電環(huán)磨損過(guò)程摩擦系數(shù)變化

4 結(jié)論

新型集電環(huán)較舊型集電環(huán)環(huán)面在環(huán)面修復(fù)過(guò)程中增加了錫、鋅與鉛的成分，在保證電導(dǎo)率、密度、軟化溫度及晶粒度基本不變的前提下提高環(huán)面耐磨能力，增強(qiáng)了導(dǎo)電性能。新型環(huán)面與碳刷間的研磨作用使?jié)櫥け《鶆蛲暾Σ料禂?shù)穩(wěn)定在一個(gè)較低的值上，有效降低了摩擦系數(shù)。此外，將彈簧壓力控制在允許范圍內(nèi)，保證碳刷中心線垂直于滑環(huán)環(huán)面，對(duì)集電環(huán)與碳刷定期檢查，也可提高集電環(huán)的使用壽命。

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Analysis and Improvement of Collector Ring’s Abrasion in G58 Wind Turbine

ZHAO Hui-ling, ZHU Xian-yong, LIU Run
(Engineering Training Center, Jilin University, Changchun 130025, China)

In the running process of G58-850 wind turbine, the collector ring is easily discarded because of abrasion, which causes many units stopped and affects the normal operation of the whole power system. This paper analyzes the abrasion mechanism of the collector ring based on the working environment and surface materials, develops a new collector ring according improving metal materials and the force components, and designs a performance test of new collector ring. The experimental results show that the improved collector ring’s properties is better than the old type

wind turbine; collector ring; abrasion

G482

A

長(zhǎng)春市科技計(jì)劃項(xiàng)目，計(jì)劃項(xiàng)目編號(hào)：12ZX29。

趙慧玲（1970-），女，高級(jí)工程師。主要從事機(jī)電一體化領(lǐng)域的教學(xué)與研究工作。

朱先勇。