(原文發表于<<大電機技術>>2000年第4期) 作者：柴慶嶺(1963-）,現任東光進口電刷國產化研制廠廠長， 工程師；主要從事電刷研究、設計、制造應用的技術服務工作。該文已獲得北京第四屆中國現代精英文庫代表作大會一等獎
電刷是電機上一個重要部件，它承擔著電機固定部件與旋轉部件（換向器或集電環）之間傳導電流和換向的重要任務。因此，電刷本身的特性和工作環境對確保電機的正常運轉有著重要的作用。這是電刷制造廠、電機設計者和使用維護人員共同關心的一個問題。本文敘述了軋鋼機用電刷的特點、軋鋼機用電機電刷遇到的問題和對電刷運行特性的要求并對近年來軋鋼機用電機電刷使用選擇與維護作了綜合概述。 1、軋鋼機用直流電機的特點和供電方式對直流電機換向的影響 軋鋼用直流電機尤其是中大型粗軋機、開坯機、無縫鋼管軋機、冷熱連軋機等的特點概括為：（1）電機容量大 ；（2）經常啟動，加速、減速和制動；（3）正反轉（可逆運行）；（4）負載變化劇烈，頻繁，沖擊電流-過載電機可高達額定電流的2.75倍;(5)電機轉速和電樞電流經常處于變化狀態，電機經常處于動態換向過程之中;（6）電機經常處于無負荷條件下運行；（7）周圍環境溫度高、干燥、濕度低，使換向器不易形成氧化膜。軋鋼機用直流電機的供電方式有兩種：一種是早期的變流機組供電方式；另一種為目前廣為應用的可控硅整流給電樞和勵磁供電方式。由于軋鋼機用直流電機本身的特點，變流機組供電的軋鋼機用直流電機的換向已是_困難，改用可控硅整流供電后換向條件更趨惡劣。這是由于可控硅供電和勵磁對直流電機有兩個突出的影響。一是經可控硅整流的電流含有脈動份量，這將使換向_磁通隨之脈動，換向狀態惡化，無火花換向區的寬度隨負載電流脈動率的增加而變窄，容易出現火花；二是脈動電源的電流值在各瞬時是波動的，因此使用脈動電源時產生的火花大小在各瞬時也是不一樣的，由于電流的脈動是周期性的，因而火花大小的變化也可以是周期性的，于是系統反映速度加快，因可控硅系統的時間常數比發電機組的要小很多，所以其輸出電壓的變化很快，電樞電流的變化率di/dt比變流機組供電的要大5-8倍，從而使動態換向惡化，在負荷突然增加或減少時，電機產生滯后換向或_前換向，使電刷與換向器的接觸面的滑入邊或滑出邊出現火花，上述兩點是可控硅供電和勵磁的直流電機比變流機組供電換向困難的主要原因，再加上軋鋼機用電機的運行工況的特點，所以使電機的換向性能要比一般用途的直流電機惡劣得多。 2、軋鋼機用直流電機的運行情況軋鋼機用直流電機裝有電刷的有同步電動機和異步繞線型電動機，繞線型異步電動機的電刷大部只是在電機起動時通過電流，起動完畢后由電刷提升裝置將電刷提起。恒速運行的同步電動機在軋鋼機上很少使用，由于電力電子技術的發展，變頻調速的同步電動機在軋鋼企業中已開始逐步替代大中型直流電動機。交流電機用的集電環與直流電機的換向器 不一樣，在集電環的情況下，電流是不間斷的，它_在_無火花的狀態下運行，火花只是在電刷發生異常振動和許多電刷并聯使用時由于電流分布不均引起的電流過度集中而產生的。集電環的材料_是電的良導體，還要具有耐熱性，在與電刷滑動接觸時，具備耐磨性和穩定的滑動接觸特性，一般都采用鋼或不銹鋼。使用石墨電刷和鋼質集電環導電會顯示_性效應，負_下的集電環的損傷比正_側嚴重而電刷的磨損則正_側偏大。在鋼質的集電環上經常發生尺寸與電刷相同的白濁化傷痕，一開始只有非常小的傷痕是由于電刷在這些部位導電不良而產生火花，一旦產生火花，傷痕_逐漸惡化擴大起來，_后形成與電刷滑動接觸面的尺寸同樣大小的傷痕。因而，集電環的電刷即使產生非常小的火花，也_予以充分注意。為了_并聯電刷的電流發布，可移動集電環滑動接觸面的通電點，在集電環上開螺旋狀的溝槽，由于改變了滑動接觸時的通電點，接觸狀態得到了_，從而可以防止火花和傷痕的發生。 3、軋鋼機用電刷遇到的問題對電刷運行性能的要求 在中大型軋鋼機用直流電機上運行的電刷遇到的問題主要有三個：一是換向困難；二是換向器氧化膜形成的能力差；三是電刷磨損比較快。當然還有其它一些問題，如電刷導線松脫、電刷導線變色燒斷，電刷將換向器拉傷（成溝、槽）、電刷破損、掉邊掉角、電刷卡箍或金屬壓片被磨掉脫落在電機繞組中燒壞電機等電刷制造質量上的問題。產生上述三個主要問題的原因：電機本身的因素；電刷材質和選型的因素；運行條件、環境條件及安裝與維護不當等。但主要原因正如前所述，由于軋鋼機的特點和供電方式使電機負載變化_劇烈，經常處于動態換向過程之中，促成電機換向條件_困難，特別是初軋機、開坯機和鋼管軋機用直流電機一般都有頻繁的反向運行和加速、過載、減速的特點，而且振動很大，給電刷與換向器的接觸造成比較苛刻的條件，為此對這種場合工作的電刷往往要施加比較高的彈簧壓力，以迫使電刷緊貼在換向表面上，因此使電刷受到很大的機械磨損；如果彈簧壓力小，電刷在運行中跳動引起電弧又加大了電刷的電氣磨損，正常換向過程的換向火花也會給電刷帶來電氣磨損。軋鋼機經常處于無負荷條件下運行，加之電機靠緊軋機，大量的輻射使水分蒸發，造成空氣干燥，使換向器很難形成氧化膜，再由于直流電機換向火花的產生又在_程度上破壞已經形成的氧化膜，因而要在換向器上維持良好的氧化膜也非易事。由于氧化膜形成能力差，潤滑性能不好又加劇了電刷的磨損，所以在軋鋼機用電刷遇到主要問題_是換向困難、氧化膜形成能力差、磨損大三個比較大的問題。為此，對軋鋼機用電刷運行性能的要求一般說來是：（1） 要求電刷換向能力強，電刷的換向電阻大，接觸壓降高，有利于_電機換向； （2）電刷過載能力強導熱性好； （3）電刷成膜能力強，能快速形成氧化膜；（4）、抗磨能力強、潤滑性能好，有利于電刷和換向器的穩定接觸 （5）電刷在無負荷條件下運行性能好且易形成氧化膜 （6）電刷分配電流能力好，材質均勻，電阻系數均勻一致。上述要求，既相互聯系又相互矛盾，所以要相互匹配。一般，潤滑性能好，磨損小，摩擦系數小易形成氧化膜，但換向性能差，而換向性能好的電刷，摩擦系數大，磨損大，成膜能力也較差。 4、軋鋼機用電刷的選擇 正確的選擇電刷和使用電刷是_電機正常運行的重要條件之一。當然，電機運行情況是否良好主要取決于電機的設計和制造質量，為了_電機的換向性能，設計者和制造者采取了許多的有效措施。例如：在條件允許的前提下，增加換向_，增設補賞繞組，用疊片機座替代整體的鑄鋼機座減少短路元件的自感和互感措施，同時還要選擇適合的電刷和正確的安裝及維護。電刷的選擇是一項很復雜的問題，到目前為止尚沒有一套科學的選型方法，僅是根據電機的種類，電機的性能和電機的使用條件、環境條件，對照電刷的靜態性能和動態性能選擇相應的電刷，再經過多次實際運行試驗才能選出較理想的電刷。對軋鋼機用電刷的選擇應重點根據軋鋼機的供電方式及軋鋼機的特點來選擇。根據多年的實際經驗一般多選擇電化石墨電刷，其中以石墨基電化石墨電刷、焦炭基電化石墨電刷和炭黑基電化石墨電刷為主體。根據多年來的運行使用經驗，對于早期投產的中大型軋鋼廠，如：鞍鋼、包鋼、首鋼等的初軋機、開坯機，大多數采用變流機組供電的直流電機，一般選用D104、D214、D215、D216、QL208、QL428、QL430、QL432等石墨基、焦炭—炭黑基電化石墨電刷。初步統計，1000kW以上的直流發電機和直流電動機有一半以上使用這些電刷。3000kW以上的直流電動機有百分之六十以上使用這類電刷。也有少數石墨—炭黑基，或炭黑基電化石墨電刷，如：D308、D309、D374、QL631023等電刷。對于后期投產的及70、80年代改造的軋鋼廠或90年代新建的軋鋼廠，如：上鋼一廠、重鋼、武鋼、寶鋼、梅鋼、攀鋼、天鋼等鋼廠主要以可控硅供電和勵磁的直流電機驅動。無論是國產設備還是引進設備都以D374、D374B、D376、D317、QL616、QL6108、QL2081、QL631023、EG4647、EG251、GH4001、GH4003、GH4522、TD2703、TD500、TD602、 TD1221、SA45等炭黑基電化石墨電刷為主。個別電機如：天津鋼管廠主軋、首鋼初軋機選用S+E E46 、QL416、D229等石墨—焦炭基或焦炭—炭黑基電化石墨電刷。為了_軋鋼機用電刷的換向性能，除在材質進行選型外，在電刷的結構設計上采用多瓣電刷、組合電刷、炭纖維復合電刷也取得了很大的成效。（一）、分瓣電刷。目前，較廣泛采用雙子電刷即兩瓣電刷，也有采用三瓣、四瓣電刷。雙子電刷即將兩瓣電刷通過電刷導線穿入電刷頂部的壓板組合在一起，裝入同一刷盒中使用，目的是增加電刷等效橫向電阻限制換向元件即電刷內的短路電流來_換向性能。（二）、組合電刷。即兩種電刷配合使用。一般多用于單向旋轉換向困難的電機中?；脒吺褂脻櫥阅芎茫赡つ芰姷牡碗娮柚凳娀娝?，滑出邊使用換向性能好的高電阻率的炭黑基電化石墨電刷。這樣既易形成氧化膜又_了換向性能。（三）碳纖維復合電刷。即采用碳纖維布貼在電刷滑出邊上。一般也用于單向旋轉電機上。由于電刷滑出邊貼一層炭纖維布既增加了橫向電阻_換向性能，又起滅弧使用。 5、電機電刷的安裝與維護 如前所述，正確的選擇和使用電刷是_電機正常運行的重要條件之一，同時正確的 掌握電刷的安裝與維護更是_重要的。 5.1電刷的安裝多年來軋鋼機用電刷的運行經驗表明，如果電刷和刷盒安裝不正確或換向器處理的不 好，既使選擇電刷多么好，同樣不能獲得滿意的運行效果。所以正確掌握電刷安裝與維護應引起 使用者的重視，下面_安裝電刷的一些關健要點概述如下： (1)電刷與刷盒的配合間隙應在0.1-0.3mm之間。間隙小，電刷受熱膨脹，在刷盒內易卡死，上下活動不靈活；間隙過大，電刷容易在刷盒內左右擺動，造成滑動接觸不穩定。 (2)刷盒與換向器或集電環的高度距離應保持在2-3毫米之間。距離過小，刷盒易觸傷換向器表面，若使用雙斜刷握易造成電刷“頂牛”而發生事故；距離過大，易引起電刷顫動而導致損壞。 (3)在安裝電刷前_要檢查換向器或集電環的擺度，因為擺度_過標準（一般的電機規定為不得大于0.02毫米,大電機不能大于0.04毫米)電刷振動加大,噪音增加,整流性能和滑動接觸性能都將變壞。 ( 4)電刷的排列應均勻，一根刷桿上的電刷應當和另一根刷桿上的電刷沿著軸向稍微錯開，使換向器或滑環的_環狀表面都有同樣數目的正刷和負刷。 (5)集電環與換向器 ①集電環與換向器應保持光潔，粗糙度應達到 0.80 。 ②集電環的偏心度用千分表測，其誤差不能_過0.05mm。 ③集電環的螺紋槽應倒角。 ④電刷與換向器或集電環接觸面積至少為90%。 (6)電刷彈簧壓力應均勻，電刷的彈簧壓力的大小與電機正常運行是非常重要的。壓力 過低，該力_不能_電刷與換向器或集電環自始至終的維持好的接觸，并產生火花，引起電刷的電氣磨損加大；壓力過高，電刷的機械磨損增大，電刷產生的熱量增加，刷體和換向器的溫度升高。電刷在運行中各個彈簧間壓力差要求不大于10%， _出10%不能使用。 (7)電刷弧面研磨基本與換向器或集電環相吻合，空轉30min，再施加25%的負荷，接觸面達90%以上，再投入正常運轉。 5.2 電刷的維護電刷運行時的維護是確保電機長期穩定運行的一項重要工作。為使電機電刷運行維護好，在電機運行時，應經常觀察換向情況（包括火花大小，變化規律，電刷和換向器的溫升，電刷運行的噪音等）。在停機時，應經常檢查構成滑動接觸部件的工作狀態是否正常，氧化膜形成的厚薄，氧化膜是否均勻和光澤，換向器表面狀態是否良好，電刷鏡面是否亮或者有否劃痕。電刷在刷盒中上下滑動是否靈活，彈簧壓力是否均勻。并根據觀察情況，采取相應措施以_電機的正常運行。關于電刷使用維護和采取措施是一個復雜問題，現_有關普遍存在的共性問題綜述如下： (1)經常檢查電機在運行期間由于發熱或振動等現象引起刷桿上的螺絲松動。 (2)電刷固定在_適宜的位置（即中性線上）不能任意將刷架前后移動。 (3)檢查電刷的活動情況，電刷在刷盒內上下活動是否自由，有無卡阻現象。 (4)檢查電刷的壓力，電刷所受彈簧壓力是_電刷穩定工作和各種電刷之間均勻傳 導電流的重要因素。 (5)檢查電刷的磨損程度，尤其是換向器下部不易看見的地方。當電刷磨損到_位 置時，_應更換電刷，電刷使用的剩余高度以電刷壽命線為準。 (6)檢查電刷的附件，刷握壓指和電刷頂部的壓板是否有斷裂現象，電刷是否有脫辮 的現象，導線是否有燒斷股的現象及氧化程度，經常檢查電刷刷握、集電環或換 向器的溫度變化情況。 (7)要經常檢查電刷的換向情況，火花的大小，變化規律以及電刷和換向器有否燒傷并即時采取措施。 (8)電刷基體含有_量的石墨，本身具有良好自潤滑性，所以_禁止在集電環上 涂抹油脂，集電環滑動接觸面的污染將嚴重影響集流部件（集電環和電刷）的導 電性能。 (9)檢查空氣溫度，有條件的情況下，可調節空氣濕度，促進換向器表面氧化膜的生 成以_電刷的穩定運行。 軋鋼機用電刷的選擇與維護 ZHAGANGJIYONGDIANSHUADEXUANZEYUWEIHU 柴慶嶺 周美龍
