[发明专利]一种高性能长寿命可再制造延寿的集电环及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高性能长寿命可再制造延寿的集电环及其制备方法，针对水轮发电机长期工作后集电环磨损严重导致性能下降等问题，提供了一种新型的具有Cu‑Ti_nO_2n‑1复合涂层的集电环。按质量百分含量计，所述涂层成分为：Ti₄O₇ 60‑75％；Cu 12‑25％；Ti_xO_2x‑1 8‑12％；TiO₂ 3‑8％；其中5≤x≤10。本发明通过等离子喷涂技术直接在现有集电环表面制备耐磨耐蚀的高性能复合涂层作为工作层，使用磨损后可对涂层进行增材再制造，重新喷涂修复涂层，解决了现有技术中因打磨抛光而引起的尺寸不匹配的问题，实现水轮发电机集电环高质量修复和再制造延寿的技术方案，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及水轮发电机集电环制备领域，具体涉及一种高性能长寿命可修复的集电环及其制备方法。

背景技术

我国水能资源丰富，不论是水能资源蕴藏量，还是可开发的水能资源，在世界各国中均居第一位。水能作为一种可再生的清洁能源，取之不尽，用之不竭，水力发电不排放有害气体、烟尘等，带来巨大经济效益的同时，也带了相应的社会和生态效益，发展前景广阔，随着未来能源结构的调整，发展水力发电就显得特别重要而紧迫。水轮发电机能够将水能转换成电能输出，是开发利用水能资源的关键设备。

集电环和电刷是水轮发电机组中实现励磁电流高效传输的重要部件，集电环的耐磨性能和导电性能直接影响着发电机的安全性和效率。现在常用的集电环材质主要为钢质。一般来说，钢质集电环的耐磨性好，机械强度高，因此大多用于因极性引起集电环磨损差较大的同步电机上；同时，钢可以加工成复杂的结构，是一种容易得到而又价廉物美的材料，因而钢质材料被广泛用于圆周速度较低的水轮发电机。对耐蚀性有较高要求时，可选用不锈钢作为集电环的主要材质，但不锈钢的滑动特性不稳定，与电刷组不合适时往往会使电刷产生跳动，造成电刷温升过高或异常磨损，使用时必须倍加注意。

在发电机运行过程中，由于集电环环面和电刷之间的接触面长期相对运动而产生机械磨损，现有的集电环材料以碳钢为主，耐磨性能弱。同时，碳刷中存在较粗的颗粒结构，分布又不均匀，质量难以满足要求，碳块在碳刷刷握内弹簧的压力下，与滑环进行高速摩擦的过程中，较粗的碳粒结构在接触面上冲击而出现划痕，久而久之，形成了划槽。长期运行后，水轮发电机组经常出现集电环腐蚀，集电环表面会出现条痕、磨损、凹痕、麻点等缺陷。对于大型水轮发电机而言，集电环安装部位通常位于水轮机和发电机的上方，且相对空间较为狭小，在该空间内，充满了潮湿的空气。在潮湿的大气环境中，集电环表面会形成一种微电池，也称腐蚀电池，集电环可作为阳极，碳刷可作为阴极，发生氧化反应，所以滑环的磨损形式中会出现非全接触面整体磨损的划痕形状。形成划痕后，由于划痕内铁与碳的接触面增大，更容易形成水膜而具备氧化的条件，所以划痕将加深，比接触平面磨损得更快。在水轮发电机组工作一段时间后，由于集电环环面和电刷之间的接触面相对运动产生物理磨损，集电环外圆与碳刷的接触面会出现较深的划槽，为减少碳刷产生火花、环火，恢复碳刷与滑环接触面的大小，机组大修时往往将滑环外圆接触面重新上车床车圆并打磨光滑以满足粗糙度的要求，导致数次大修后滑环的外圆半径大幅缩减，增加了碳刷刷握与滑环之间的距离，碳刷可使用长度缩短，行程的增大引起弹簧压力不够，碳刷与滑环之间的接触压力达不到设计要求，接触电阻增加，影响导电效率。因此，现有的废旧集电环采用的是低端修理和减法再制造模式，可再制造的次数有限，而且经过尺寸修理后其服役性能不断下降。

由上可知，集电环过度磨损，会造成电刷磨损加快，而电刷产生火花、环火，又加快了集电环的电腐蚀，严重时会引起发电机组停机，甚至在运行中发生集电环烧损的事故。在水轮发电机的常见故障中，励磁系统故障约占1/3，而转子集电环、碳刷烧损事故约占励磁系统故障的26％。因此，集电环和碳刷装置的寿命和可靠性直接影响发电机的工作性能和安全性。其中集电环的成本高昂、制造工艺复杂，开展集电环的高质量维修和再制造延寿具有重要经济价值和社会效益。