(原文发表于<<大电机技术>>2000年第4期) 作者：柴庆岭(1963-）,现任东光进口电刷国产化研制厂厂长， 工程师；主要从事电刷研究、设计、制造应用的技术服务工作。该文已获得北京第四届中国现代精英文库代表作大会一等奖
电刷是电机上一个重要部件，它承担着电机固定部件与旋转部件（换向器或集电环）之间传导电流和换向的重要任务。因此，电刷本身的特性和工作环境对确保电机的正常运转有着重要的作用。这是电刷制造厂、电机设计者和使用维护人员共同关心的一个问题。本文叙述了轧钢机用电刷的特点、轧钢机用电机电刷遇到的问题和对电刷运行特性的要求并对近年来轧钢机用电机电刷使用选择与维护作了综合概述。 1、轧钢机用直流电机的特点和供电方式对直流电机换向的影响 轧钢用直流电机尤其是中大型粗轧机、开坯机、无缝钢管轧机、冷热连轧机等的特点概括为：（1）电机容量大 ；（2）经常启动，加速、减速和制动；（3）正反转（可逆运行）；（4）负载变化剧烈，频繁，冲击电流-过载电机可高达额定电流的2.75倍;(5)电机转速和电枢电流经常处于变化状态，电机经常处于动态换向过程之中;（6）电机经常处于无负荷条件下运行；（7）周围环境温度高、干燥、湿度低，使换向器不易形成氧化膜。轧钢机用直流电机的供电方式有两种：一种是早期的变流机组供电方式；另一种为目前广为应用的可控硅整流给电枢和励磁供电方式。由于轧钢机用直流电机本身的特点，变流机组供电的轧钢机用直流电机的换向已是十分困难，改用可控硅整流供电后换向条件更趋恶劣。这是由于可控硅供电和励磁对直流电机有两个突出的影响。一是经可控硅整流的电流含有脉动份量，这将使换向极磁通随之脉动，换向状态恶化，无火花换向区的宽度随负载电流脉动率的增加而变窄，容易出现火花；二是脉动电源的电流值在各瞬时是波动的，因此使用脉动电源时产生的火花大小在各瞬时也是不一样的，由于电流的脉动是周期性的，因而火花大小的变化也可以是周期性的，于是系统反映速度加快，因可控硅系统的时间常数比发电机组的要小很多，所以其输出电压的变化很快，电枢电流的变化率di/dt比变流机组供电的要大5-8倍，从而使动态换向恶化，在负荷突然增加或减少时，电机产生滞后换向或超前换向，使电刷与换向器的接触面的滑入边或滑出边出现火花，上述两点是可控硅供电和励磁的直流电机比变流机组供电换向困难的主要原因，再加上轧钢机用电机的运行工况的特点，所以使电机的换向性能要比一般用途的直流电机恶劣得多。 2、轧钢机用直流电机的运行情况轧钢机用直流电机装有电刷的有同步电动机和异步绕线型电动机，绕线型异步电动机的电刷大部只是在电机起动时通过电流，起动完毕后由电刷提升装置将电刷提起。恒速运行的同步电动机在轧钢机上很少使用，由于电力电子技术的发展，变频调速的同步电动机在轧钢企业中已开始逐步替代大中型直流电动机。交流电机用的集电环与直流电机的换向器 不一样，在集电环的情况下，电流是不间断的，它必须在完全无火花的状态下运行，火花只是在电刷发生异常振动和许多电刷并联使用时由于电流分布不均引起的电流过度集中而产生的。集电环的材料必须是电的良导体，还要具有耐热性，在与电刷滑动接触时，具备耐磨性和稳定的滑动接触特性，一般都采用钢或不锈钢。使用石墨电刷和钢质集电环导电会显示极性效应，负极下的集电环的损伤比正极侧严重而电刷的磨损则正极侧偏大。在钢质的集电环上经常发生尺寸与电刷相同的白浊化伤痕，一开始只有非常小的伤痕是由于电刷在这些部位导电不良而产生火花，一旦产生火花，伤痕就逐渐恶化扩大起来，最后形成与电刷滑动接触面的尺寸同样大小的伤痕。因而，集电环的电刷即使产生非常小的火花，也必须予以充分注意。为了改善并联电刷的电流发布，可移动集电环滑动接触面的通电点，在集电环上开螺旋状的沟槽，由于改变了滑动接触时的通电点，接触状态得到了改善，从而可以防止火花和伤痕的发生。 3、轧钢机用电刷遇到的问题对电刷运行性能的要求 在中大型轧钢机用直流电机上运行的电刷遇到的问题主要有三个：一是换向困难；二是换向器氧化膜形成的能力差；三是电刷磨损比较快。当然还有其它一些问题，如电刷导线松脱、电刷导线变色烧断，电刷将换向器拉伤（成沟、槽）、电刷破损、掉边掉角、电刷卡箍或金属压片被磨掉脱落在电机绕组中烧坏电机等电刷制造质量上的问题。产生上述三个主要问题的原因：电机本身的因素；电刷材质和选型的因素；运行条件、环境条件及安装与维护不当等。但主要原因正如前所述，由于轧钢机的特点和供电方式使电机负载变化十分剧烈，经常处于动态换向过程之中，促成电机换向条件十分困难，特别是初轧机、开坯机和钢管轧机用直流电机一般都有频繁的反向运行和加速、过载、减速的特点，而且振动很大，给电刷与换向器的接触造成比较苛刻的条件，为此对这种场合工作的电刷往往要施加比较高的弹簧压力，以迫使电刷紧贴在换向表面上，因此使电刷受到很大的机械磨损；如果弹簧压力小，电刷在运行中跳动引起电弧又加大了电刷的电气磨损，正常换向过程的换向火花也会给电刷带来电气磨损。轧钢机经常处于无负荷条件下运行，加之电机靠紧轧机，大量的辐射使水分蒸发，造成空气干燥，使换向器很难形成氧化膜，再由于直流电机换向火花的产生又在一定程度上破坏已经形成的氧化膜，因而要在换向器上维持良好的氧化膜也非易事。由于氧化膜形成能力差，润滑性能不好又加剧了电刷的磨损，所以在轧钢机用电刷遇到主要问题就是换向困难、氧化膜形成能力差、磨损大三个比较大的问题。为此，对轧钢机用电刷运行性能的要求一般说来是：（1） 要求电刷换向能力强，电刷的换向电阻大，接触压降高，有利于改善电机换向； （2）电刷过载能力强导热性好； （3）电刷成膜能力强，能快速形成氧化膜；（4）、抗磨能力强、润滑性能好，有利于电刷和换向器的稳定接触 （5）电刷在无负荷条件下运行性能好且易形成氧化膜 （6）电刷分配电流能力好，材质均匀，电阻系数均匀一致。上述要求，既相互联系又相互矛盾，所以要相互匹配。一般，润滑性能好，磨损小，摩擦系数小易形成氧化膜，但换向性能差，而换向性能好的电刷，摩擦系数大，磨损大，成膜能力也较差。 4、轧钢机用电刷的选择 正确的选择电刷和使用电刷是保证电机正常运行的重要条件之一。当然，电机运行情况是否良好主要取决于电机的设计和制造质量，为了改善电机的换向性能，设计者和制造者采取了许多的有效措施。例如：在条件允许的前提下，增加换向极，增设补赏绕组，用叠片机座替代整体的铸钢机座减少短路元件的自感和互感措施，同时还要选择适合的电刷和正确的安装及维护。电刷的选择是一项很复杂的问题，到目前为止尚没有一套科学的选型方法，仅是根据电机的种类，电机的性能和电机的使用条件、环境条件，对照电刷的静态性能和动态性能选择相应的电刷，再经过多次实际运行试验才能选出较理想的电刷。对轧钢机用电刷的选择应重点根据轧钢机的供电方式及轧钢机的特点来选择。根据多年的实际经验一般多选择电化石墨电刷，其中以石墨基电化石墨电刷、焦炭基电化石墨电刷和炭黑基电化石墨电刷为主体。根据多年来的运行使用经验，对于早期投产的中大型轧钢厂，如：鞍钢、包钢、首钢等的初轧机、开坯机，大多数采用变流机组供电的直流电机，一般选用D104、D214、D215、D216、QL208、QL428、QL430、QL432等石墨基、焦炭—炭黑基电化石墨电刷。初步统计，1000kW以上的直流发电机和直流电动机有一半以上使用这些电刷。3000kW以上的直流电动机有百分之六十以上使用这类电刷。也有少数石墨—炭黑基，或炭黑基电化石墨电刷，如：D308、D309、D374、QL631023等电刷。对于后期投产的及70、80年代改造的轧钢厂或90年代新建的轧钢厂，如：上钢一厂、重钢、武钢、宝钢、梅钢、攀钢、天钢等钢厂主要以可控硅供电和励磁的直流电机驱动。无论是国产设备还是引进设备都以D374、D374B、D376、D317、QL616、QL6108、QL2081、QL631023、EG4647、EG251、GH4001、GH4003、GH4522、TD2703、TD500、TD602、 TD1221、SA45等炭黑基电化石墨电刷为主。个别电机如：天津钢管厂主轧、首钢初轧机选用S+E E46 、QL416、D229等石墨—焦炭基或焦炭—炭黑基电化石墨电刷。为了改善轧钢机用电刷的换向性能，除在材质进行选型外，在电刷的结构设计上采用多瓣电刷、组合电刷、炭纤维复合电刷也取得了很大的成效。（一）、分瓣电刷。目前，较广泛采用双子电刷即两瓣电刷，也有采用三瓣、四瓣电刷。双子电刷即将两瓣电刷通过电刷导线穿入电刷顶部的压板组合在一起，装入同一刷盒中使用，目的是增加电刷等效横向电阻限制换向元件即电刷内的短路电流来改善换向性能。（二）、组合电刷。即两种电刷配合使用。一般多用于单向旋转换向困难的电机中。滑入边使用润滑性能好，成膜能力强的低电阻值石墨基电化石墨电刷，滑出边使用换向性能好的高电阻率的炭黑基电化石墨电刷。这样既易形成氧化膜又改善了换向性能。（三）碳纤维复合电刷。即采用碳纤维布贴在电刷滑出边上。一般也用于单向旋转电机上。由于电刷滑出边贴一层炭纤维布既增加了横向电阻改善换向性能，又起灭弧使用。 5、电机电刷的安装与维护 如前所述，正确的选择和使用电刷是保证电机正常运行的重要条件之一，同时正确的 掌握电刷的安装与维护更是十分重要的。 5.1电刷的安装多年来轧钢机用电刷的运行经验表明，如果电刷和刷盒安装不正确或换向器处理的不 好，既使选择电刷多么好，同样不能获得满意的运行效果。所以正确掌握电刷安装与维护应引起 使用者的重视，下面就安装电刷的一些关健要点概述如下： (1)电刷与刷盒的配合间隙应在0.1-0.3mm之间。间隙小，电刷受热膨胀，在刷盒内易卡死，上下活动不灵活；间隙过大，电刷容易在刷盒内左右摆动，造成滑动接触不稳定。 (2)刷盒与换向器或集电环的高度距离应保持在2-3毫米之间。距离过小，刷盒易触伤换向器表面，若使用双斜刷握易造成电刷“顶牛”而发生事故；距离过大，易引起电刷颤动而导致损坏。 (3)在安装电刷前一定要检查换向器或集电环的摆度，因为摆度超过标准（一般的电机规定为不得大于0.02毫米,大电机不能大于0.04毫米)电刷振动加大,噪音增加,整流性能和滑动接触性能都将变坏。 ( 4)电刷的排列应均匀，一根刷杆上的电刷应当和另一根刷杆上的电刷沿着轴向稍微错开，使换向器或滑环的任何环状表面都有同样数目的正刷和负刷。 (5)集电环与换向器 ①集电环与换向器应保持光洁，粗糙度应达到 0.80 。 ②集电环的偏心度用千分表测，其误差不能超过0.05mm。 ③集电环的螺纹槽应倒角。 ④电刷与换向器或集电环接触面积至少为90%。 (6)电刷弹簧压力应均匀，电刷的弹簧压力的大小与电机正常运行是非常重要的。压力 过低，该力就不能保证电刷与换向器或集电环自始至终的维持好的接触，并产生火花，引起电刷的电气磨损加大；压力过高，电刷的机械磨损增大，电刷产生的热量增加，刷体和换向器的温度升高。电刷在运行中各个弹簧间压力差要求不大于10%， 超出10%不能使用。 (7)电刷弧面研磨基本与换向器或集电环相吻合，空转30min，再施加25%的负荷，接触面达90%以上，再投入正常运转。 5.2 电刷的维护电刷运行时的维护是确保电机长期稳定运行的一项重要工作。为使电机电刷运行维护好，在电机运行时，应经常观察换向情况（包括火花大小，变化规律，电刷和换向器的温升，电刷运行的噪音等）。在停机时，应经常检查构成滑动接触部件的工作状态是否正常，氧化膜形成的厚薄，氧化膜是否均匀和光泽，换向器表面状态是否良好，电刷镜面是否亮或者有否划痕。电刷在刷盒中上下滑动是否灵活，弹簧压力是否均匀。并根据观察情况，采取相应措施以保证电机的正常运行。关于电刷使用维护和采取措施是一个复杂问题，现就有关普遍存在的共性问题综述如下： (1)经常检查电机在运行期间由于发热或振动等现象引起刷杆上的螺丝松动。 (2)电刷固定在最适宜的位置（即中性线上）不能任意将刷架前后移动。 (3)检查电刷的活动情况，电刷在刷盒内上下活动是否自由，有无卡阻现象。 (4)检查电刷的压力，电刷所受弹簧压力是保证电刷稳定工作和各种电刷之间均匀传 导电流的重要因素。 (5)检查电刷的磨损程度，尤其是换向器下部不易看见的地方。当电刷磨损到极限位 置时，就应更换电刷，电刷使用的剩余高度以电刷寿命线为准。 (6)检查电刷的附件，刷握压指和电刷顶部的压板是否有断裂现象，电刷是否有脱辫 的现象，导线是否有烧断股的现象及氧化程度，经常检查电刷刷握、集电环或换 向器的温度变化情况。 (7)要经常检查电刷的换向情况，火花的大小，变化规律以及电刷和换向器有否烧伤并即时采取措施。 (8)电刷基体含有一定量的石墨，本身具有良好自润滑性，所以绝对禁止在集电环上 涂抹油脂，集电环滑动接触面的污染将严重影响集流部件（集电环和电刷）的导 电性能。 (9)检查空气温度，有条件的情况下，可调节空气湿度，促进换向器表面氧化膜的生 成以保证电刷的稳定运行。 轧钢机用电刷的选择与维护 ZHAGANGJIYONGDIANSHUADEXUANZEYUWEIHU 柴庆岭 周美龙 |
