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,潤滑要求較高,觸點(diǎn)需要充分潤滑;
(3)纖維刷:運(yùn)用與單絲電刷類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。
(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: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)等方面分析問題的主要原因。
1.通信故障
通信故障是一類較常見的故障,而其問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。從問題本質(zhì)上分析,主要分為二類:一類為滑環(huán)自身缺陷,導(dǎo)致接觸不良。二類為未及時(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,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)無故障,經(jīng)對(duì)滑環(huán)進(jìn)行清潔潤滑后,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)來分析,無論采用哪種技術(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,需要通過定期清潔與潤滑來提高滑環(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
通過對(duì)故障件的拆解分析,造成環(huán)道燒毀主要有以下幾類因素:
(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)的接觸電阻過大,接觸處的溫度會(huì)升高很多, 甚至?xí)鹚⒔z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,各種信息在傳輸過程中互相產(chǎn)生干擾,各種干擾嚴(yán)重影響信息傳輸?shù)木取?/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;h(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)線絕緣層有無損壞,過線尖銳處有無保護(hù)(如使用纏繞軟管等);低壓電纜、高壓電纜布線是否分開布置;
(6) PCB板焊接是否焊點(diǎn)牢靠無虛焊,無雜渣及灰塵,無線芯外露;
(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)無軸向或徑向的竄動(dòng),無卡死、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)審及來料的驗(yàn)收時(shí),可按照中車株洲電力機(jī)車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;h(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)行過程中會(huì)產(chǎn)生摩損,產(chǎn)生粉未,需要通過定期清潔與潤滑來提高滑環(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)潤滑劑要求
(1) 滑環(huán)潤滑劑應(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。