孟建軍

（朔州朔煤王坪煤電有限責(zé)任公司，山西 朔州 038300）

王坪煤礦的主通風(fēng)機(jī)所配備的電機(jī)型號(hào)為同步電動(dòng)機(jī)T1000-10/1180。其滑環(huán)裝置安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的尾端，從力學(xué)角度分析，滑環(huán)是單端支撐的懸臂梁結(jié)構(gòu)。電機(jī)在運(yùn)行過程中，碳刷與滑環(huán)之間是摩擦接觸，由于離心力和徑向不平衡力矩的作用，滑環(huán)將不可避免地產(chǎn)生徑向抖動(dòng)，而且滑環(huán)的抖動(dòng)振幅、頻率很高，碳刷的壓力彈簧根本無法及時(shí)響應(yīng)，于是導(dǎo)致碳刷和滑環(huán)接觸不良，容易產(chǎn)生火花。由于滑環(huán)、碳刷的裝配結(jié)構(gòu)在散熱方面也存在困難，碳刷溫度過高，長(zhǎng)期超過90℃，加劇了碳刷磨損，滑環(huán)表面也易燒蝕[1-3]，需要維護(hù)人員經(jīng)常性地觀察碳刷的磨損程度和剩余長(zhǎng)度，維護(hù)工作十分繁重。由于是人工工作，通過肉眼判斷，所以一般看到碳刷剩余長(zhǎng)度到25～30mm 左右就進(jìn)行更換[4]，火花容易傷害觀察人員的眼睛。

本研究針對(duì)此問題對(duì)電機(jī)的主通風(fēng)機(jī)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)碳刷的固定架進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，加裝位移傳感器、溫度傳感器，采用位移傳感器檢測(cè)碳刷的磨損量，用溫度傳感器檢測(cè)碳刷和滑環(huán)之間的接觸溫度，實(shí)現(xiàn)碳刷磨損量、碳刷-滑環(huán)溫度在線檢測(cè)，減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 勵(lì)磁碳刷的固定架總成設(shè)計(jì)

該同步電動(dòng)機(jī)所配的勵(lì)磁碳刷共兩排，每排有4 個(gè)碳刷，分別為4 個(gè)正極碳刷和4 個(gè)負(fù)極碳刷，碳刷的尺寸是25mm×32mm×50mm。原設(shè)備上，每個(gè)碳刷有一個(gè)夾持座，夾持座上有一個(gè)鋼片簧將碳刷壓在滑環(huán)上。考慮到主通風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性，決定在盡量不拆改原電機(jī)勵(lì)磁架結(jié)構(gòu)的前提下，新設(shè)計(jì)一套傳感器固定架，在原勵(lì)磁架上打四個(gè)孔，用螺栓將傳感器固定架固定在原勵(lì)磁架側(cè)板上。

1.1 勵(lì)磁碳刷的固定架設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的單排傳感器固定架，在一個(gè)底板上設(shè)置了4 個(gè)位移傳感器固定座和1 個(gè)溫度傳感器固定座，然后將此結(jié)構(gòu)通過三角形支架安裝在同步電動(dòng)機(jī)原來的勵(lì)磁架側(cè)板上。將原來壓碳刷的片簧拆除了，保留原碳刷夾持座，將碳刷彈性?shī)A持住，然后將位移傳感器的探頭端頂在碳刷上。因?yàn)槲灰苽鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)本身有彈性元件，可以將碳刷彈性壓向滑環(huán)，代替原來的鋼片簧。

1.2 位移傳感器選擇

根據(jù)碳刷的長(zhǎng)度以及碳刷固定架的尺寸結(jié)構(gòu)，選擇PM11 型量程為0～75mm 的位移傳感器。實(shí)際采集時(shí)，碳刷磨損的上限值和下限值可以進(jìn)行設(shè)置。如果碳刷磨損后剩余量達(dá)到或超過下限值，系統(tǒng)采用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，提醒工作人員及時(shí)更換碳刷。

兩個(gè)風(fēng)機(jī)用的碳刷長(zhǎng)度上限都設(shè)置為50mm，下限都設(shè)置為10mm。與改造前碳刷使用剩余長(zhǎng)度相比較，可以充分延長(zhǎng)碳刷的使用時(shí)間，大大節(jié)省了碳刷的使用成本，不用經(jīng)常地去觀察碳刷長(zhǎng)度。

1.3 溫度傳感器選擇

碳刷與滑環(huán)為摩擦接觸，當(dāng)勵(lì)磁電流通過滑環(huán)磨面時(shí)，既存在電氣磨損又存在機(jī)械磨損。電氣磨損是由于在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)，導(dǎo)致碳刷與滑環(huán)間接觸面不斷變化，電流密度越大，越易電弧放電，產(chǎn)生火花，滑環(huán)溫度會(huì)更高，導(dǎo)致滑環(huán)的中間磨面局部熔化、脫落，形成金屬蒸汽，碳刷也受氧化腐蝕而脫落。

機(jī)械磨損是由于碳刷與滑環(huán)間的摩擦生熱，產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散發(fā)。如果溫度太高使得碳刷表面材料軟化，粘著加劇，造成摩擦表面不平整，摩擦膜的完整性被破壞，影響碳刷的工作性能。故考慮采用一個(gè)溫度傳感器安裝在固定架底板前端，型號(hào)為SA30A3M，溫度采集范圍為0 ～300℃。安裝時(shí)，將測(cè)溫度的探頭盡量對(duì)準(zhǔn)第一個(gè)碳刷和滑環(huán)的接觸部位，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)碳刷工作溫度的目的。

2 主通風(fēng)機(jī)勵(lì)磁模塊工況檢測(cè)

傳感器固定架安裝好后，通訊模塊采用S7-3CN907E，設(shè)計(jì)的每套溫度與位移采集設(shè)備可以采集8 路位移信號(hào)與2 路溫度信號(hào)。在window 桌面點(diǎn)擊“通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，運(yùn)行系統(tǒng)后，點(diǎn)擊登陸，操作按鍵擴(kuò)展按鈕進(jìn)入，就可以選擇進(jìn)入一號(hào)風(fēng)機(jī)碳刷參數(shù)監(jiān)測(cè)或二號(hào)風(fēng)機(jī)碳刷參數(shù)監(jiān)測(cè)畫面。

可以實(shí)時(shí)查看一號(hào)風(fēng)機(jī)用同步電動(dòng)機(jī)的正負(fù)極各4 個(gè)碳刷傳感器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)直觀地顯示出實(shí)時(shí)碳刷剩余長(zhǎng)度。其中4 個(gè)正極碳刷長(zhǎng)度剩余量分別為29.9mm、44.7mm、43.0mm、44.4mm，4個(gè)負(fù)極碳刷長(zhǎng)度剩余量分別為51.5mm、46.0mm、34.7mm、42.1mm。同時(shí)，也實(shí)時(shí)顯示出正極碳刷/滑環(huán)的溫度為20.0℃，負(fù)極碳刷/滑環(huán)的溫度為21.9℃。通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)二號(hào)風(fēng)機(jī)用同步電動(dòng)機(jī)的碳刷監(jiān)測(cè)畫面顯示，此時(shí)一號(hào)風(fēng)機(jī)正在運(yùn)轉(zhuǎn)，二號(hào)風(fēng)機(jī)為不工作狀態(tài)。但是二號(hào)風(fēng)機(jī)用同步電動(dòng)機(jī)的碳刷剩余長(zhǎng)度也可以看出來，其中4 個(gè)正極碳刷長(zhǎng)度剩余量分別為35.9mm、36.9mm、38.2mm、36.6mm，4 個(gè)負(fù)極碳刷長(zhǎng)度剩余量分別為41.7mm、43.3mm、35.9mm、36.1mm。同時(shí)，也實(shí)時(shí)顯示出正極碳刷/滑環(huán)的溫度為18.7℃，負(fù)極碳刷/滑環(huán)的溫度為19.1℃。

3 傳感器固定架使用注意事項(xiàng)

為了確保礦井通風(fēng)安全，主通風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)必須能夠隨時(shí)切換。在每次切換之前，需檢查每個(gè)螺栓螺母的緊固狀況，檢查項(xiàng)目如下：

（1）位移傳感器夾持座上的每個(gè)螺栓螺母的松緊程度；

（2）傳感器固定架與三角支架上的螺栓螺母的松緊程度；

（3）位移傳感器軸向固定座上的羊角螺釘?shù)乃删o程度；

（4）溫度傳感器夾持座上的螺釘螺母的松緊程度；

（5）檢查位移傳感器探頭端的絕緣套是否有破損情況，以便及時(shí)采取措施。

4 技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效益

電機(jī)勵(lì)磁碳刷固定架改造后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中碳刷和滑環(huán)接觸良好。由于有位移傳感器的彈簧壓緊碳刷，碳刷和滑環(huán)間沒有火花，機(jī)械性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，碳刷剩余長(zhǎng)度顯示精準(zhǔn)，碳刷及滑環(huán)間溫度顯示準(zhǔn)確，可靠性高。

采用本溫度與位移采集設(shè)備模塊后，由于碳刷剩余長(zhǎng)度顯示直觀，從碳刷的使用成本方面考慮，為企業(yè)達(dá)到節(jié)省成本的目的。