風(fēng)電滑環(huán)典型故障分析及質(zhì)量控制

發(fā)布日期：2022-06-24

　　基于對(duì)風(fēng)電滑環(huán)故障信息的統(tǒng)計(jì)與對(duì)故障滑環(huán)的拆解,分析故障的主要原因,根據(jù)分析情況對(duì)滑環(huán)質(zhì)量控制點(diǎn)進(jìn)行探討。

　　風(fēng)電滑環(huán)是用于風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙和輪轂之間傳輸電能動(dòng)力和電氣信號(hào)的裝置,包含兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的部分：轉(zhuǎn)子和定子;滑環(huán)是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵電氣部件，其運(yùn)行的可靠性好壞直接影響風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行;風(fēng)電滑環(huán)可靠性提升是風(fēng)電機(jī)組提升整體性能必須攻克的技術(shù)瓶頸。

　　一、風(fēng)電滑環(huán)結(jié)構(gòu)

　　風(fēng)電滑環(huán)主要由滑環(huán)體、電刷組件、導(dǎo)電環(huán)、絕緣材料、軸承、電刷固定支架、防塵罩及其他輔助件等組成。電刷采用貴金屬合金材料，與導(dǎo)電環(huán)環(huán)槽對(duì)稱(chēng)接觸，借助電刷的彈性壓力與導(dǎo)電環(huán)環(huán)槽滑動(dòng)接觸來(lái)傳遞信號(hào)及電流。電刷是滑環(huán)的關(guān)鍵部件，根據(jù)電刷材質(zhì)，可以分為以下幾種：

　　(1)復(fù)合電刷:一般采用碳刷、銅刷、銀/石墨/二硫化鉬的刷塊等形式。該種電刷的特點(diǎn)為：優(yōu)先磨損刷塊，延長(zhǎng)了電刷的使用周期，但產(chǎn)生較多的粉未狀磨屑，需要定期清理，以免絕緣下降而擊穿，對(duì)濕度非常敏感，若相對(duì)濕度低于15%或高于80%，會(huì)加速磨損造成磨損不均;

　　(2)單絲金屬電刷:采用貴金屬合金單絲，如AuNi9等。該種電刷的特點(diǎn)為：相對(duì)于復(fù)合電刷，磨屑少，容量高，載流能力有限，潤(rùn)滑要求較高，觸點(diǎn)需要充分潤(rùn)滑;

　　(3)纖維刷:運(yùn)用與單絲電刷類(lèi)似的貴金屬材料的金屬纖維，并將多條金屬纖維捆扎成致密的多纖維電刷，在導(dǎo)電環(huán)上外鍍貴金屬，防止觸點(diǎn)氧化。該種電刷的特點(diǎn)為：以極少的接觸力，降低磨損速度，纖維刷導(dǎo)電性較好，電流密度高。

　　二、風(fēng)電滑環(huán)典型故障分析

　　(一)滑環(huán)故障統(tǒng)計(jì)

　　根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的型號(hào)，滑環(huán)可分為1.5/1.65MW滑環(huán)與2MW滑環(huán)，1.5/1.65MW滑環(huán)安裝在輪轂側(cè)，2MW滑環(huán)安裝在機(jī)艙側(cè)，輪轂滑環(huán)工況相對(duì)于機(jī)艙滑環(huán)工況惡劣，輪轂要比機(jī)艙振動(dòng)更加頻繁，此為1.5/1.65MW滑環(huán)故障率偏高的重要因素,從風(fēng)場(chǎng)的反饋情況看,故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)為通信故障,環(huán)道燒毀,編碼器故障等;以下對(duì)476件返修滑環(huán)檢測(cè)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，滑環(huán)故障部分主要分布以下幾類(lèi)。

　　(二)滑環(huán)的典型故障分析

　　根據(jù)風(fēng)場(chǎng)反饋的故障現(xiàn)象，滑環(huán)的典型故障主要分為以下幾類(lèi)：通信故障、編碼器故障、環(huán)道燒毀等，以下分別從滑環(huán)結(jié)構(gòu)、工藝、維護(hù)等方面分析問(wèn)題的主要原因。

　　1.通信故障

　　通信故障是一類(lèi)較常見(jiàn)的故障，而其問(wèn)題的根本原因是刷針與環(huán)道的接觸不良，從而影響信號(hào)的傳輸。從問(wèn)題本質(zhì)上分析，主要分為二類(lèi)：一類(lèi)為滑環(huán)自身缺陷，導(dǎo)致接觸不良。二類(lèi)為未及時(shí)維護(hù)導(dǎo)致接觸不良。

　　(1)滑環(huán)結(jié)構(gòu)、工藝缺陷導(dǎo)致刷針與環(huán)道接觸不良

　　對(duì)故障滑環(huán)進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)該品牌滑環(huán)在結(jié)構(gòu)、工藝上存在以下缺陷：

　　a)該品牌滑環(huán)早期產(chǎn)品支撐桿防腐能力不夠，支撐桿銹蝕脫落，污染環(huán)道，造成接觸不良。

　　b)電刷與導(dǎo)電環(huán)的材質(zhì)不耐磨，刷針磨損斷裂造成接觸不良，摩損產(chǎn)生粉塵污染環(huán)道，粉塵堆積造成接觸電阻增大，同時(shí)破壞滑道表面光潔度，使金針彎曲、跳動(dòng)，造成瞬間斷開(kāi)，甚至造成短路，同時(shí)使滑環(huán)絕緣性能降低，從而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組發(fā)生通信故障或環(huán)道燒毀。

　　c)電刷彈力疲勞，電刷刷壓無(wú)法保證而引起的接觸不良，造成打火現(xiàn)象對(duì)銅環(huán)表面燒損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒斷刷絲。

　　d)環(huán)道不同心，導(dǎo)致刷針接觸不良或異常磨損，從故障件的拆解情況看，發(fā)現(xiàn)該品牌滑環(huán)主軸為塑料材質(zhì)，存在鋼度不夠，容易斷裂，不能保證環(huán)道的同心度，易造成接觸不良等隱患，以至出現(xiàn)通信故障(見(jiàn)圖4滑環(huán)主軸)。

　　e)滑環(huán)防護(hù)等級(jí)不夠，外界的粉塵、水汽、油霧進(jìn)入滑環(huán)內(nèi)部，污染環(huán)道，導(dǎo)致接觸不良。同時(shí)使滑環(huán)絕緣性能降低，擊穿而燒損。

　　(2)維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致刷針與環(huán)道接觸不良

　　從故障統(tǒng)計(jì)情況看，風(fēng)場(chǎng)反饋為通信故障的滑環(huán)，約占15.5%的滑環(huán)經(jīng)供應(yīng)商檢測(cè)無(wú)故障，經(jīng)對(duì)滑環(huán)進(jìn)行清潔潤(rùn)滑后，滑環(huán)功能正常，主要考慮為維護(hù)不及時(shí)，從行業(yè)內(nèi)滑環(huán)的技術(shù)來(lái)分析，無(wú)論采用哪種技術(shù)方案，都屬于滑動(dòng)接觸的范疇，必然會(huì)發(fā)生摩損，產(chǎn)生粉末，只是不同品牌的滑環(huán)磨損程度不同，需要通過(guò)定期清潔與潤(rùn)滑來(lái)提高滑環(huán)的可靠性及壽命，如果未及時(shí)清理，磨損產(chǎn)生的粉塵，在滑道表面堆積，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，金針遇到粉塵點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生跳動(dòng)，出現(xiàn)接觸的不可靠，傳輸閃斷，信息傳輸不穩(wěn)定，以至出現(xiàn)通信故障。

　　2.環(huán)道燒毀

　　通過(guò)對(duì)故障件的拆解分析，造成環(huán)道燒毀主要有以下幾類(lèi)因素：

　　(1)電氣工藝缺陷:焊接工藝差，存在線芯外露,焊點(diǎn)存在尖銳,造成電氣間隙過(guò)小，擊穿燒毀(如圖5 滑環(huán)PCB板焊接);

　　(2)滑環(huán)存在1.1中所述的結(jié)構(gòu)、工藝缺陷，導(dǎo)致燒毀;

　　(3)雷擊燒毀。

　　3.編碼器故障

　　(1)該品牌滑環(huán)編碼器固定在塑料主軸未端，由于塑料主軸鋼度不夠容易變形導(dǎo)致編碼器運(yùn)行在晃動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)碼器聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)不合理，連接柔性不夠，在不同心的情況下，造成編碼器損壞。

　　(2)編碼器自身質(zhì)量問(wèn)題。

　　四、滑環(huán)關(guān)鍵性能指標(biāo)

　　接觸電阻：接觸電阻是影響滑環(huán)性能的關(guān)鍵參數(shù)，如果導(dǎo)電滑環(huán)的接觸電阻過(guò)大,接觸處的溫度會(huì)升高很多, 甚至?xí)�引起刷絲和滑環(huán)的熔焊,影響信息傳輸效果。接觸電阻大小主要受磨擦副材料的選擇，摩擦副結(jié)構(gòu)形式、刷針與環(huán)道之間接觸壓力等因素的影響，刷針與環(huán)道之間接觸壓力越大接觸電阻越小，但過(guò)大的壓力也會(huì)造成電刷與電環(huán)磨損加劇，需將壓力控制在一定范圍內(nèi)，達(dá)到接觸電阻與耐摩擦的平衡點(diǎn)。

　　絕緣、耐壓性能：導(dǎo)電滑環(huán)的絕緣、耐壓性能要好，以免被擊穿，造成滑環(huán)燒毀，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)間及對(duì)地絕緣電阻要大于500MΩ。

　　導(dǎo)電滑環(huán)的抗干擾性：由于滑環(huán)環(huán)間距離很近，有大電流也有小電流的信號(hào)，信號(hào)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的干擾有靜電感應(yīng)耦合，磁場(chǎng)感應(yīng)耦合和電磁感應(yīng)耦合，各種信息在傳輸過(guò)程中互相產(chǎn)生干擾，各種干擾嚴(yán)重影響信息傳輸?shù)木�度�?/p>

　　滑環(huán)的密封性：如果滑環(huán)外殼的密封性不好，外界的灰塵與油污就會(huì)污染環(huán)道與電刷，影響接觸穩(wěn)定性與絕緣，從而影響滑環(huán)的性能。

　　五、滑環(huán)質(zhì)量控制點(diǎn)探討

　　根據(jù)前述的滑環(huán)故障分析及關(guān)鍵性能指標(biāo)分析,對(duì)于滑環(huán)產(chǎn)品質(zhì)量控制上,主要從滑環(huán)結(jié)構(gòu)工藝特點(diǎn)潛在失效模式進(jìn)行預(yù)防控制，對(duì)滑環(huán)的型式試驗(yàn)與例行試驗(yàn)情況進(jìn)行確認(rèn)，定期對(duì)風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行中的滑環(huán)進(jìn)行維護(hù),確�；�環(huán)的性能可靠，同時(shí)提升滑環(huán)的使用壽命。

　　(一)滑環(huán)結(jié)構(gòu)、工藝評(píng)審與控制

　　在滑環(huán)方案評(píng)審、FAI階段，對(duì)滑環(huán)的結(jié)構(gòu)與工藝從下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)審與控制：

　　(1)主軸的材質(zhì)、強(qiáng)度：主軸的材質(zhì)強(qiáng)度關(guān)系到滑環(huán)主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中是否存在變形情況，從而造成刷針與環(huán)道接觸不良及異常磨損的情況;

　　(2)編碼器安裝位置及聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)：編碼器安裝位置是否存在晃動(dòng)情況，聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)連接方式是否合適;

　　(3)滑環(huán)的密封：是否會(huì)存在密封不良的情況，如果密封不良，將會(huì)造成外部空間的灰塵、水氣侵入到滑環(huán)內(nèi)部，造成滑環(huán)環(huán)道光潔度不達(dá)標(biāo)，絕緣下降而燒毀;

　　(4)滑環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的防腐能力;

　　(5)滑環(huán)布線情況： 滑環(huán)內(nèi)部所使用電纜線徑、電壓等級(jí)是否符合要求，導(dǎo)線絕緣層有無(wú)損壞，過(guò)線尖銳處有無(wú)保護(hù)(如使用纏繞軟管等);低壓電纜、高壓電纜布線是否分開(kāi)布置;

　　(6) PCB板焊接是否焊點(diǎn)牢靠無(wú)虛焊，無(wú)雜渣及灰塵，無(wú)線芯外露;

　　(7)刷絲與導(dǎo)電環(huán)裝配情況及環(huán)道表面的光潔度;

　　(8)刷針及環(huán)道材質(zhì)，接觸面的接觸形式，對(duì)材料的要求是材料導(dǎo)熱性能好, 熔點(diǎn)高, 導(dǎo)電率高, 電阻溫度系數(shù)小，具有抗硫化、抗氧化、抗腐蝕性氣體等特性;

　　(9)轉(zhuǎn)動(dòng)滑環(huán)轉(zhuǎn)子時(shí)應(yīng)無(wú)軸向或徑向的竄動(dòng)，無(wú)卡死、噪聲等現(xiàn)象。

　　(二)滑環(huán)的型式試驗(yàn)與例行試驗(yàn)要求

　　滑環(huán)FAI評(píng)審及來(lái)料的驗(yàn)收時(shí)，可按照中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/TF 174-2016《風(fēng)電機(jī)組導(dǎo)電滑環(huán)通用驗(yàn)收技術(shù)要求》進(jìn)行相關(guān)型式、例行試驗(yàn)，如編碼器功能測(cè)試、通信數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試、靜態(tài)接觸電阻測(cè)試、動(dòng)態(tài)接觸電阻變化量測(cè)試、絕緣電阻、耐壓試驗(yàn)、防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)等，以確保滑環(huán)性能的可靠性。

　　(三)制訂維護(hù)計(jì)劃，定期對(duì)滑環(huán)進(jìn)行維護(hù)

　　滑環(huán)正常運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生摩損，產(chǎn)生粉未，需要通過(guò)定期清潔與潤(rùn)滑來(lái)提高滑環(huán)的可靠性及壽命。維護(hù)時(shí),對(duì)于滑環(huán)清洗劑與潤(rùn)滑劑的選擇有以下要求：

　　1. 滑環(huán)清洗劑要求

　　清洗劑能夠溶解輕油形成的油垢，溶解電弧形成的積碳和脂肪類(lèi)污物等，有較強(qiáng)的揮發(fā)性能;清洗劑不能對(duì)金屬有腐蝕作用，不能使橡膠或塑料老化或脆裂。

　　2.滑環(huán)潤(rùn)滑劑要求

　　(1) 滑環(huán)潤(rùn)滑劑應(yīng)該有較小的表面張力，能夠均勻的分布在導(dǎo)電環(huán)道表面，能夠減少環(huán)道與刷針接觸表面的摩擦阻力、減少磨損，防止環(huán)道和刷針的氧化、腐蝕;

　　(2)滑環(huán)潤(rùn)滑劑的粘度應(yīng)該對(duì)溫度變化不敏感，在-40°C的時(shí)候粘度沒(méi)有明顯增加，在80°C 的時(shí)候不揮發(fā)。

　　總之，為保證默孚龍科技滑環(huán)的的可靠運(yùn)行，滑環(huán)的結(jié)構(gòu)、工藝要合理，同時(shí)對(duì)滑環(huán)的關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)以驗(yàn)證。在風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，需定期進(jìn)行維護(hù)，以確保滑環(huán)運(yùn)行在最佳狀態(tài)，提高滑環(huán)運(yùn)行可靠性及壽命。