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

　　基于對風(fēng)電滑環(huán)故障信息的統(tǒng)計與對故障滑環(huán)的拆解,分析故障的主要原因,根據(jù)分析情況對滑環(huán)質(zhì)量控制點進行探討。

　　風(fēng)電滑環(huán)是用于風(fēng)電機組的機艙和輪轂之間傳輸電能動力和電氣信號的裝置,包含兩個相對旋轉(zhuǎn)的部分：轉(zhuǎn)子和定子;滑環(huán)是風(fēng)電機組的關(guān)鍵電氣部件，其運行的可靠性好壞直接影響風(fēng)電機組的安全運行;風(fēng)電滑環(huán)可靠性提升是風(fēng)電機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)槽對稱接觸，借助電刷的彈性壓力與導(dǎo)電環(huán)環(huán)槽滑動接觸來傳遞信號及電流。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，對濕度非常敏感，若相對濕度低于15%或高于80%，會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。該種電刷的特點為：相對于復(fù)合電刷，磨屑少，容量高，載流能力有限，潤滑要求較高，觸點需要充分潤滑;

　　(3)纖維刷:運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，防止觸點氧化。該種電刷的特點為：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

　　根據(jù)風(fēng)電機組的型號，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)安裝在機艙側(cè)，輪轂滑環(huán)工況相對于機艙滑環(huán)工況惡劣，輪轂要比機艙振動更加頻繁，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476件返修滑環(huán)檢測情況進行統(tǒng)計，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。二類為未及時維護導(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

　　對故障滑環(huán)進行拆解，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，同時破壞滑道表面光潔度，使金針彎曲、跳動，造成瞬間斷開，甚至造成短路，同時使滑環(huán)絕緣性能降低，從而導(dǎo)致風(fēng)電機組發(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)象對銅環(huán)表面燒損，嚴重時會燒斷刷絲。

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

　　(2)維護不當導(dǎo)致刷針與環(huán)道接觸不良

　　從故障統(tǒng)計情況看，風(fēng)場反饋為通信故障的滑環(huán)，約占15.5%的滑環(huán)經(jīng)供應(yīng)商檢測無故障，經(jīng)對滑環(huán)進行清潔潤滑后，滑環(huán)功能正常，主要考慮為維護不及時，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，都屬于滑動接觸的范疇，必然會發(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，金針遇到粉塵點時產(chǎn)生跳動，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)致編碼器運行在晃動狀態(tài)，同時碼器聯(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

　　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，但過大的壓力也會造成電刷與電環(huán)磨損加劇，需將壓力控制在一定范圍內(nèi)，達到接觸電阻與耐摩擦的平衡點。

　　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)標準，環(huán)間及對地絕緣電阻要大于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，信號傳輸過程中產(chǎn)生的干擾有靜電感應(yīng)耦合，磁場感應(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)量控制點探討

　　根據(jù)前述的滑環(huán)故障分析及關(guān)鍵性能指標分析,對于滑環(huán)產(chǎn)品質(zhì)量控制上,主要從滑環(huán)結(jié)構(gòu)工藝特點潛在失效模式進行預(yù)防控制，對滑環(huán)的型式試驗與例行試驗情況進行確認，定期對風(fēng)場運行中的滑環(huán)進行維護,確保滑環(huán)的性能可靠，同時提升滑環(huán)的使用壽命。

　　(一)滑環(huán)結(jié)構(gòu)、工藝評審與控制

　　在滑環(huán)方案評審、FAI階段，對滑環(huán)的結(jié)構(gòu)與工藝從下幾個方面進行評審與控制：

　　(1)主軸的材質(zhì)、強度：主軸的材質(zhì)強度關(guān)系到滑環(huán)主軸在運轉(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：是否會存在密封不良的情況，如果密封不良，將會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)道光潔度不達標，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(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，對材料的要求是材料導(dǎo)熱性能好, 熔點高, 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)動滑環(huán)轉(zhuǎn)子時應(yīng)無軸向或徑向的竄動，無卡死、噪聲等現(xiàn)象。

　　(二)滑環(huán)的型式試驗與例行試驗要求

　　滑環(huán)FAI評審及來料的驗收時，可按照中車株洲電力機車研究所有限公司企業(yè)標準Q/TF 174-2016《風(fēng)電機組導(dǎo)電滑環(huán)通用驗收技術(shù)要求》進行相關(guān)型式、例行試驗，如編碼器功能測試、通信數(shù)據(jù)傳輸測試、靜態(tài)接觸電阻測試、動態(tài)接觸電阻變化量測試、絕緣電阻、耐壓試驗、防護等級試驗、振動試驗、鹽霧試驗、高溫試驗等，以確�；�環(huán)性能的可靠性。

　　(三)制訂維護計劃，定期對滑環(huán)進行維護

　　滑環(huán)正常運行過程中會產(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。維護時,對于滑環(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，有較強的揮發(fā)性能;清洗劑不能對金屬有腐蝕作用，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)該對溫度變化不敏感，在-40°C的時候粘度沒有明顯增加，在80°C 的時候不揮發(fā)。

　　總之，為保證默孚龍科技滑環(huán)的的可靠運行，滑環(huán)的結(jié)構(gòu)、工藝要合理，同時對滑環(huán)的關(guān)鍵性能指標進行監(jiān)控，開展相關(guān)試驗以驗證。在風(fēng)場運行時，需定期進行維護，以確�；�環(huán)運行在最佳狀態(tài)，提高滑環(huán)運行可靠性及壽命。