直流电机换向器异常磨损的原因分析与维护保养

崔岗

摘 要：电机是钻井生产中常用的设备，换向器是直流电机中的核心部件之一，该部件一旦发生异常磨损，会对电机的运行，乃至整个钻井生产系统产生严重的后果。本文对永济电机厂针对石油电传动钻机研发的大功率串励YZ08型直流电机换向器异常磨损的原因进行了分析，并提出了处理措施及维护保养方法。

关键词：直流电机；换向器；磨损；保养

中图分类号：TM307.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）08-0124-01

换向器是直流电机的核心部件之一，其性能好坏对电机的运行具有决定性作用。换向器一旦出现异常可能会导致电机换向不良，严重时还可能引发其他事故，造成直流电机损坏，影响绞车、转盘、泥浆泵的运转，耽误钻井生产。

1 换向器异常磨损的原因分析及处理

1.1 机械性磨损的原因分析及处理

1.1.1 原因分析

①碳刷压力过大或过小。电刷压力大时容易减小电刷径向跳动幅度，对换向性能的提升比较有力，不过压力过大则会增加机械磨损，降低换向性能；压力过小时，那么电刷和换向器接触不良，很容易造成电弧，加大换向火花，同样会造成换向器异常磨损。②换向器表面有异物或粘附油污。换向器运行或维修过程中可能会有粉尘、铜屑、云母粉等杂物进入，杂物一旦进入会在短时间内损伤换向器，同时电刷上会产生电流集中现象，使损伤进一步恶化。换向器表面粘附油污时，会增大摩擦系数，进而导致换向器和电刷之间的异常磨损。另一方面油污深入电刷后，会改变电刷表面的成分，降低其滑动特性。换向片不平和云母凸起。当然，对于换向器而言，在制作中容易受到外界的撞击、超速或换向片老化等，这样常常会造成其表面凹凸不平。云母凸起说明是因为换向片磨损超过云母片下刻深度或车削后云母片下刻不正确造成的。换向器表面一旦出现凹凸不平，电刷就会出现剧烈跳动，从而增大换向器与电刷之间的磨损。

1.1.2 处理措施

对于机械性磨损，应先查明故障原因，然后采取合理的处理措施。以上原因的处理措施分别为：①控制电刷压力，用测力计测量电刷压力应控制在40±4 N范围内。②检查电刷的接触面，查看有无夹杂物的情况，用00#玻璃砂布对电刷的接触面进行打磨，修正换向器的表面，并对电机进行彻底的清洁处理。检查有无油污进入，尽可能选择致密性电刷，防止油污渗入。③先根据换向器跳动状况判断故障，若磨损严重，则研磨凸起部位，或者采取车削处理；云母片凸起应使用专用工具去除，使其低于转向器表面。

1.2 电气性磨损的原因分析及处理

1.2.1 原因分析

①电刷型号不匹配或使用不同厂家生产的同一型号碳刷。电刷性能对电机换向器的运行和磨损影响巨大，应做好电刷的选型工作，选择时应对电刷的接触压降、电力密度、换向器圆周速度、电刷硬度以及摩擦系数等要素进行整体的考虑。以接触压降为例，较高压降的电刷能减少换向电流，提高换向性能，不过过大的压降会增加接触损耗，不利于电机效率的提高；不同厂家生产的同一型号碳刷性能会有偏差，使用到同一电机中时，会造成换向器磨损程度不一致，进而加剧换向器表面磨损恶化。同时，电刷过热还会对氧化膜产生破坏作用，反而降低了换向性能，增加换向器的磨损。②电刷电力密度过低。选取电机时，若电机功率裕度过大，则直流电机会在轻载下运行，电机长期轻载运行会导致电刷平均密度降低，温度下降，不利于换向器表层氧化膜的形成，影响电刷滑动的稳定性。③电机超载运转。电机超载时，负载电流超过规定值，若电机长时间超载运行，会使氧化膜加厚，引发振动开裂，从而出现氧化膜脱落或剥层的现象。电流容易集中在氧化膜薄层部位，使局部电流加大，改变换向条件，加重换向器磨损。

1.2.2 处理措施

①根据电刷的电流密度和换向器速度选择电刷型号，再结合电机额定电压和电流值确定电刷的具体型号。具体措施如下：根据电机电压选择合适的电刷，高压、小电流电机可选择压降较大的电化石墨电刷；电机、碳刷要选用同一厂家、统一型号的产品；电刷与刷盒的间隙要满足相关规定，确保电刷能在刷盒内上下自由移动；同台电机弹簧压力差控制在20%以内；电刷沿换向器周围均匀分布，碳刷与换向器的接触面积至少为碳刷截面积的80%；新碳刷使用前需要在电机上进行磨弧度，将细玻璃砂纸放置在换向器与碳刷之间，将弹簧的压力调整到位，沿着电机旋转方向来研磨；在研磨的时候，砂纸要尽可能的靠近换向器，一直到碳刷弧面完全满足要求为止；将砂纸取下，借助高压空气将换向器表面的粉尘进行吹净，紧接着用软布给予擦拭。②如果在使用中出现消耗电流比较低，意味着电机功率比较大，需要对电机参数进行重新选择。选择时，可参照如下规定：负载与电机之间为直接传动，则电机功率应为被拖动负载机械功率的1～1.1倍；若负载与电机之间存在传动系统，则电机功率应为被拖动负载机械功率的1.1～1.2倍。③严格控制电机荷载，防止电机长时间超载运行。

1.3 化学因素分析及处理

1.3.1 原因分析

①空气湿度。钻井现场的直流电机在裸露的空间运转，湿度对换向器表面氧化膜的形成影响较大，湿度过高时，换向器表面形成的水膜过厚，由于电解作用，电刷上会析出铜，增大接触电压和表面粗糙度，影响电刷和换向器之间的摩擦。湿度过低时，换向器表面无法形成具有润滑作用的氧化膜，从而导致换向器异常磨损。②有害气体。大气中存在有害气体时，可能会引发换向不良或摩擦异常问题。大气中的氯化物、硫化物会在换向器表层形成有害的氧化膜，进而对换向器原有的氧化膜产生严重的破坏作用，导致换向器磨损加重。

1.3.2 处理措施

①控制直流电机运行环境的湿度，采取有效措施，对裸露的直流电机加装防雨棚，湿度大时打开直流电机内部的加热电阻将空气湿度保持在4～10 g/m3范围内，减少湿度引发的异常磨损。②做好电机运行环境的控制工作，避免电机在有害气体中运行。

2 直流电机换向器维护与保养

换向器是直流电机的核心部位，应按照维护保养制度定期对其进行维护，维护时要满足以下要求。

2.1 换向器的外观检查

维护人员要对换向器的表面状况进行仔细观察，并与正常状况进行比对，来判断换向器是不是有正常的性能，正常换向器表面和电刷接触摩擦后通常会表现为均匀、有光泽的薄膜，颜色为深褐色或浅褐色；如果换向器表面存在着不均匀的磨损，或者局部发黑且严重情况的话，应对其进行及时的故障排除。

2.2 碳粉清除

换向器表面积存的碳灰应使用高压风清除，若表面沾有油渍影响清除效果，或者出现轻度发黑的痕迹时，可用干净的、质软的白布蘸酒精清除。

2.3 烧伤痕迹处理

若换向器表面有明显的烧伤痕迹，且用白布+酒精的方式无法有效祛除时，可用00#的玻璃纱布进行打磨处理。打磨时要注意时间不可太长，防止对换向器造成严重损坏；而且禁止用金刚砂布替代玻璃纱布。打磨后需要拆下传动轴端出风罩，利用高压风管从换向器端的观察孔将换向器表面的异物清除掉，清除时选用0.6 MPa左右的压缩风力较为合适。

2.4 换向器表面平整度控制

换向器表面不允许有凸片、严重烧伤或拉伤，磨损深度应控制在0.2 mm以内。若换向器表面磨损严重影响电机正常工作时，应将电机拆卸，重新加工换向器表面。在加工时，换向器表面粗糙度应控制在Ra 0.8～1.6μm；先清除槽内的毛刺、云母粉和铜屑，然后下刻云母槽和车螺旋槽。

3 结 语

钻井现场使用的绞车电机、泥浆泵电机、转盘电机均为直流电机，换向器是直流电机的关键部分，设备操作人员和管理人员应严格按照规定进行操作、维护、保养，及时发现并将排除故障，确保电机运行的安全性，为钻井生产提供稳定的动力保障。

参考文献：

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