風電滑環電刷接觸壓力精密測試技術與試驗研究

閆珺，邢立華，付紅偉，韓雪濤，楊洋，葛方俊

(北京興華機械廠，北京 100854)

0 引言

風電滑環是風力發電系統的重要組成構件，是傳輸輪轂和機艙之間動力電源信號和電氣信號的樞紐，滑環的電刷壓力、接觸電阻是影響其性能的關鍵參數，壓力大小直接決定了刷絲的接觸電阻值。壓力越大接觸電阻越小，滑環的性能就越好，將壓力控制在一定限度內有利于滑環性能的提升，但過大的壓力也會造成電刷觸點和金屬環摩擦加劇[1]。因此，導電滑環電刷壓力的測量是導電滑環性能指標檢測的重要環節，壓力的精確測試方法和技術也成為滑環裝備測試研究和風電滑環提升整體性能必須攻克的技術瓶頸[2]。

常用的電刷壓力測試方法包括測力計直接測試法和蜂鳴器斷路測試法。直接測試法是手持測力計測得電刷工作壓力數值，方法便捷但手持測試會造成測力計測試位置和讀數不穩定;蜂鳴器斷路測試法是在直接測試法中加入蜂鳴器裝置，通過蜂鳴器狀態判斷測力計停止位置，該方法提高了測力計測試位置的準確性[1]。

為進一步提高電刷接觸壓力的測試效率和測試精確度，設計一套通用風電滑環刷絲接觸壓力檢測系統，實現多型號風電滑環電刷壓力的快速準確測量。

1 電刷接觸壓力精密測試系統

1.1 刷絲的結構形式

圖1給出14環風電滑環外形結構示意圖。電刷作為風電滑環核心零件，由貴金屬電刷觸點、鈹青銅彈性刷臂和固定件組成，其結構如圖2所示，在與其他零件裝配后刷臂觸點分別壓緊在導電環外側，其中在信號環多采用單根或雙根刷絲并列形式，在功率環采用多根刷絲并列形式。

圖1 14環風電滑環結構示意圖

圖2 刷絲結構

裝配后的14環風電滑環，其電刷和導電環相對位置關系如圖3所示，電刷在工作狀態發生撓性變形，變形角度可利用式 (1)的懸臂梁的轉角公式[3]進行計算。表1列出了電刷的基本設計參數，由此得到電刷的設計接觸壓力為0.1922 N。

圖3 電刷和導電環相對位置

式中:θ為電刷刷臂轉角， (°);F為電刷接觸壓力，N;L為電刷臂長，m;E為電刷彈性模量，GPa;I為電刷截面的軸慣性矩，m4。

表1 電刷設計參數

1.2 接觸壓力測試原理

導電滑環完成刷絲與滑環安裝后需要對每根電刷壓力進行檢測，判斷是否合格。電刷的壓力完全依賴于刷臂彈力，故只要在刷絲壓力測試過程中保證刷絲拉伸至工作形變，即可通過拉力計表征導電滑環工作狀態刷絲壓力值，而由滑環導通實驗可知每個刷絲觸電與導電環形成閉合回路，因此刷絲和導電環的導通與否可以作為刷絲變形判斷臨界點。圖4所示為風電滑環刷絲接觸壓力檢測系統原理圖。

圖4 風電滑環刷絲接觸壓力檢測系統原理圖

其中，拉力測試儀和計算機是壓力數據采集模塊，萬用表和蜂鳴器是壓力數據采集模塊的觸發開關，風電滑環臺架是滑環測試的支撐和相對移動模塊。

1.3 系統構成

為了能夠實現對每根刷絲的連續測量，要求測試過程能夠保證滑環的軸向位移運動。根據測試原理設計一套壓力測試系統，該系統主要由AGS-X拉力測試數控平臺、風電滑環臺架、測試夾具、計算機和測試軟件構成，示意圖5給出三項關鍵部件的基本結構和相對位置關系。風電滑環放置于風電滑環臺架上合適位置，測試夾具上固定剛性拉繩用于抬升電刷，當電刷與導電環由通路變為斷路時，AGS-X拉力測試數控平臺停止對電刷的抬升，并記錄臨界點的壓力值。

圖5 壓力測試系統示意圖

其中，風電滑環臺架是壓力測試系統的機械結構，由一個可做Z方向滑動的溜板支架臺和固定支架組成，以實現滑環刷絲測量的軸向位移運動。刷絲數量多、刷絲與導電環壓力小、刷絲間距大等特點要求溜板支架臺須滑動平穩且定位準確。因此風電滑環臺架的Z向運動采用直線軸承和滾珠絲杠來實現，通過操作人員搖動手輪進行定位。

AGS-X拉力測試數控平臺進行刷絲壓力的采集工作，主要包括運動控制單元、傳感器控制單元、電源模塊、電子報警單元、PC機和數據后處理軟件。刷絲壓力值小要求測試系統選用靈敏度高的高精度型載荷傳感器，誤差僅在指示值的±0.5%。因此在測試過程中應滿足兩個要求:一是保證刷絲夾具和載荷傳感器的垂直度;二是保證刷絲夾具與刷絲的接觸位置盡量靠近電刷觸點，以復現刷絲的實際工作狀況，保證數據采集的準確度和可信度。

1.4 測試流程

風電滑環刷絲壓力測試系統采用TRAPEZIUM LITE X程序對電刷接觸壓力硬件測試系統進行控制，主要實現測試傳感器的初始化和校準、運動位移的初始化和校準、刷絲接觸壓力值的采集和記錄，其具體測試流程如圖6所示。按照如圖的測量流程可實現系統的連續測量模式和定點測量模式，連續測量模式即順序測量并記錄每根刷絲壓力，定點測量模式即抽測個別刷絲壓力。

2 試驗與分析

2.1 接觸壓力分析

按照1.2和1.4所述檢測原理和檢測流程對14環風電滑環的刷絲接觸壓力進行連續測試，依次對每環單根刷絲測試6次，獲得單根刷絲的接觸壓力檢測數據平均值如表2所示。

圖6 壓力檢測流程

表2 14環風電滑環電刷接觸壓力測試值

統計測試壓力平均值為0.1974 N，與理論設計值0.1922 N相比，誤差僅為5 mN，說明風電滑環刷絲接觸壓力檢測系統能夠精確測量電刷壓力。

之后，通過壓力測試系統完成對31環風電滑環電刷壓力進行測試，其結果如表3所示。

表3 31環風電滑環刷絲接觸壓力測試值

根據表2與表3的數據顯示可知兩種型號滑環刷絲的接觸壓力波動值在－50～50 mN之間，從圖7的數據分布情況可以判斷31環同一刷架上單根電刷接觸壓力是基本處于0.45～0.50 N，1環和25環電刷出現壓力異常值，其原因可能是剛性拉繩與電刷的接觸位置變化較大造成。

圖7 31環風電滑環刷絲接觸壓力測試值分布趨勢

2.2 摩擦力矩分析

摩擦力矩作為風電滑環中的設計指標，總摩擦力矩是由電刷導電環間的動摩擦力矩、兩端軸承的靜摩擦力矩和其他部件引起的摩擦力矩共同作用的結果。其中滑環電刷和滑環間的摩擦力矩可以按照式 (2)進行計算[4]。

式中:n為中心觸點數，14環96個觸點;F為電刷接觸壓力，N;μ為電刷與導電環之間的摩擦系數，μ=0.15;r為滑環半徑，mm，設計值30 mm。結合測試得到的電刷接觸壓力平均值可獲得電刷導電環間的動摩擦力矩為0.085 Nm。但是檢測風電滑環合格與否，需要對風電滑環的總摩擦力矩測試，因此利用接觸壓力測試系統對14環風電滑環的啟動摩擦力進行測試，其數值如表4所示。

表4 14環風電滑環的啟動摩擦力 N

通過式 (3)計算滑環啟動摩擦力矩[5]

式中:Ff為風電滑環啟動摩擦力，N;R為啟動摩擦力旋轉半徑，mm，設計值45 mm。

由此得到風電滑環總摩擦力矩為0.225 Nm，則風電滑環各摩擦力矩計算結果如表5所示。

表5 摩擦力矩

由表5分析可知，實際測量獲得的總摩擦力矩小于滑環轉動力矩的設計值，并且電刷導電環間摩擦力矩遠小于轉動力矩設計值，因此滑環力矩指標能夠達到設計標準。

由表2和表3數據結果可以說明所設計的風電滑環刷絲接觸壓力檢測系統能夠獲得較為精確的壓力值，表5數據結果可以驗證兩種型號的風電滑環均滿足設計和實際使用要求，也進一步說明檢測系統能夠實現和滿足風電滑環刷絲壓力的檢測要求。

3 結論

1)以電刷和導電環的導通臨界點作為電刷正常工作狀態的判斷依據，提出了風電滑環電刷接觸壓力測量的方法;

2)設計一套風電滑環電刷接觸壓力測試系統，實現了對風電滑環裝配后刷絲壓力的連續精確測量，主要特點包括滑環軸向的連續運動和微小接觸壓力的測試、記錄;

3)風電滑環電刷接觸壓力測試系統提高了風電滑環電刷壓力的測量效率，并通過此系統獲得了兩種型號滑環的電刷壓力，其測試值波動小于50 mN，壓力平均值與理論值僅5 mN誤差，說明測試系統能夠精確測量電刷接觸壓力;并且通過摩擦力矩驗證了風電滑環能滿足滑環的設計和工作要求。

[1]郝建剛，姜校亮，杜玉娟.風電滑環電刷壓力測量方法[J].艦船科學技術，2012(34):72－73.

[2]鄧衛東，宋光.小型導電環電刷壓力測試技術研究[C]//控制與應用第十三屆學術年會6－09.北京:中國航空學會，2008.

[3]聞邦椿.機械設計手冊 [M].5版.北京:機械工業出版社，2010.

[4]葉威，李雙，胡國良.環刷刷絲接觸壓力檢測系統設計.[J].計測技術，2011，31(3):14－16.

[5]單輝祖.材料力學教程 [M].2版.北京:國防工業出版社，1982.