光纤传感器在轮胎吊碳刷磨损检测领域的应用

  光纤传感器具有很多优异的性能，例如：抗电磁和原子辐射干扰的性能；径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等。本文就光纤传感器在碳刷磨损检测领域提出新的应用方法。

1  碳刷检测中存在的问题  

上海沪东集装箱码头有限公司于 2008 年对48 台轮胎吊进行高架滑触线取电改造。改造后，轮胎吊利用新安装的杆型受电器经过碳刷与高架滑触线相连，使轮胎吊可以从高架滑触线取电。因此，对于受电器碳刷磨损情况的检查就成为轮胎吊日常检修工作的新重点。碳刷磨损主要可分为机械磨损和电气磨损。机械磨损是指碳刷和滑触线表面相对滑动时，由摩擦作用而形成的磨损，它主要与受电器弹簧压力（碳刷和滑触线间压力）、轮胎吊大车行走距离（碳刷滑行距离）有关，其占总磨损的20%。电气磨损指的是电流通过碳刷和滑触线的接触面时产生电弧高温和放电时引起的磨损，它主要与轮胎吊的作业箱量（通过电荷的数量）、天气情况（因为是室外使用，雨天碳刷和滑触线间的接触面稳定性变差，使电气磨损加剧）有关，其占总磨损的80%。一般情况下，每隔40 d左右检查、更换一次碳刷，但是因为碳刷磨损受天气影响严重，在雨季常有碳刷磨损超标的情况出现，必须安排额外检查。由于轮胎吊受电器碳刷安装位置高，日常巡检既危险，又要影响轮胎吊正常作业，十分不便。因此，开发一套轮胎吊受电器碳刷磨损检测装置，实现碳刷磨损量的自动检测，以减少巡检人员的工作量。

2  碳刷检测装置设计及制作

2.1  方案设计及工作原理

轮胎吊受电器碳刷在露天使用，其工作要求包括：电压为AC 500 V；电流为300 A；长、宽、高尺寸分别为160 mm×27 mm×22mm；允许磨损高度为10 mm；每隔 40 d左右更换一次等。检测装置必须有如下特征：使用、维护成本低廉，不易损坏；能够在露天使用；能耐高电压、大电流；安装方便，使用安全可靠。

在综合比较各种传感器后，我们发现光纤传感器具有：光检测，能实现非接触式测量，使检测装置不易损坏，使用维护成本低；光纤径细、质软、重量能将测量信号传输到远处，使现场安装灵活性更大；光纤有良好的绝缘电气性能，且耐水、耐高温，稍加保护便可在室外使用；符合对检测装置的各项要求。因此，选择光纤传感器作为碳刷磨损的检测器件。            

具体实现原理：利用光纤传感器的输出光纤，将检测光信号引出到受电器碳刷夹板的两侧（一端为发射端，另一端为接收端），在碳刷中间打一个横向贯通的小孔，小孔的高度以碳刷允许磨损深度为依据，孔径以光纤发射头、接收头直径为依据。正常情况时检测光经发射头穿过碳刷内的小孔到达接收头，传感器检测正常；当碳刷磨损后，滑触线会逐步下移，当下移到临界点时，小孔将被铜滑线遮挡，检测光无法穿过小孔，光纤传感器检测异常，发出信号，信号经过处理后驱动报警电路，提醒司机注意，完成自动检测。

2.2  元器件选型及装置制作

依据检测原理，本装置中传感器需要有识别光强弱物理量的功能，而光纤仅起传输光线的作用，因此我们选用的是传光型光纤传感器。此外，为方便安装及户外使用，还选用不锈钢90°直角收、发头，防紫外线光纤保护套，IP65户外声光报警器等元件。具体控制图见图1。

当安装于A、B、C三相的碳刷传感器检测出碳刷磨损超标时，相关光纤传感器发出故障信号，驱动K51继电器动作，随后声光报警器电路接通，发出警报。

3  结束语

就工作中遇到的碳刷检测问题，利用光纤传感器设计了一套专用的自动检测装置，实现碳刷磨损量的自动检测。