閆珺，邢立華，付紅偉，韓雪濤，楊洋，葛方俊

(北京興華機(jī)械廠，北京 100854)

0 引言

風(fēng)電滑環(huán)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成構(gòu)件，是傳輸輪轂和機(jī)艙之間動(dòng)力電源信號(hào)和電氣信號(hào)的樞紐，滑環(huán)的電刷壓力、接觸電阻是影響其性能的關(guān)鍵參數(shù)，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(huán)的性能就越好，將壓力控制在一定限度內(nèi)有利于滑環(huán)性能的提升，但過(guò)大的壓力也會(huì)造成電刷觸點(diǎn)和金屬環(huán)摩擦加劇[1]。因此，導(dǎo)電滑環(huán)電刷壓力的測(cè)量是導(dǎo)電滑環(huán)性能指標(biāo)檢測(cè)的重要環(huán)節(jié)，壓力的精確測(cè)試方法和技術(shù)也成為滑環(huán)裝備測(cè)試研究和風(fēng)電滑環(huán)提升整體性能必須攻克的技術(shù)瓶頸[2]。

常用的電刷壓力測(cè)試方法包括測(cè)力計(jì)直接測(cè)試法和蜂鳴器斷路測(cè)試法。直接測(cè)試法是手持測(cè)力計(jì)測(cè)得電刷工作壓力數(shù)值，方法便捷但手持測(cè)試會(huì)造成測(cè)力計(jì)測(cè)試位置和讀數(shù)不穩(wěn)定;蜂鳴器斷路測(cè)試法是在直接測(cè)試法中加入蜂鳴器裝置，通過(guò)蜂鳴器狀態(tài)判斷測(cè)力計(jì)停止位置，該方法提高了測(cè)力計(jì)測(cè)試位置的準(zhǔn)確性[1]。

為進(jìn)一步提高電刷接觸壓力的測(cè)試效率和測(cè)試精確度，設(shè)計(jì)一套通用風(fēng)電滑環(huán)刷絲接觸壓力檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多型號(hào)風(fēng)電滑環(huán)電刷壓力的快速準(zhǔn)確測(cè)量。

1 電刷接觸壓力精密測(cè)試系統(tǒng)

1.1 刷絲的結(jié)構(gòu)形式

圖1給出14環(huán)風(fēng)電滑環(huán)外形結(jié)構(gòu)示意圖。電刷作為風(fēng)電滑環(huán)核心零件，由貴金屬電刷觸點(diǎn)、鈹青銅彈性刷臂和固定件組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，在與其他零件裝配后刷臂觸點(diǎn)分別壓緊在導(dǎo)電環(huán)外側(cè)，其中在信號(hào)環(huán)多采用單根或雙根刷絲并列形式，在功率環(huán)采用多根刷絲并列形式。

圖1 14環(huán)風(fēng)電滑環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 刷絲結(jié)構(gòu)

裝配后的14環(huán)風(fēng)電滑環(huán)，其電刷和導(dǎo)電環(huán)相對(duì)位置關(guān)系如圖3所示，電刷在工作狀態(tài)發(fā)生撓性變形，變形角度可利用式 (1)的懸臂梁的轉(zhuǎn)角公式[3]進(jìn)行計(jì)算。表1列出了電刷的基本設(shè)計(jì)參數(shù)，由此得到電刷的設(shè)計(jì)接觸壓力為0.1922 N。

圖3 電刷和導(dǎo)電環(huán)相對(duì)位置

式中:θ為電刷刷臂轉(zhuǎn)角， (°);F為電刷接觸壓力，N;L為電刷臂長(zhǎng)，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(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 接觸壓力測(cè)試原理

導(dǎo)電滑環(huán)完成刷絲與滑環(huán)安裝后需要對(duì)每根電刷壓力進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否合格。電刷的壓力完全依賴(lài)于刷臂彈力，故只要在刷絲壓力測(cè)試過(guò)程中保證刷絲拉伸至工作形變，即可通過(guò)拉力計(jì)表征導(dǎo)電滑環(huán)工作狀態(tài)刷絲壓力值，而由滑環(huán)導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)可知每個(gè)刷絲觸電與導(dǎo)電環(huán)形成閉合回路，因此刷絲和導(dǎo)電環(huán)的導(dǎo)通與否可以作為刷絲變形判斷臨界點(diǎn)。圖4所示為風(fēng)電滑環(huán)刷絲接觸壓力檢測(cè)系統(tǒng)原理圖。

圖4 風(fēng)電滑環(huán)刷絲接觸壓力檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

其中，拉力測(cè)試儀和計(jì)算機(jī)是壓力數(shù)據(jù)采集模塊，萬(wàn)用表和蜂鳴器是壓力數(shù)據(jù)采集模塊的觸發(fā)開(kāi)關(guān)，風(fēng)電滑環(huán)臺(tái)架是滑環(huán)測(cè)試的支撐和相對(duì)移動(dòng)模塊。

1.3 系統(tǒng)構(gòu)成

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每根刷絲的連續(xù)測(cè)量，要求測(cè)試過(guò)程能夠保證滑環(huán)的軸向位移運(yùn)動(dòng)。根據(jù)測(cè)試原理設(shè)計(jì)一套壓力測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由AGS-X拉力測(cè)試數(shù)控平臺(tái)、風(fēng)電滑環(huán)臺(tái)架、測(cè)試夾具、計(jì)算機(jī)和測(cè)試軟件構(gòu)成，示意圖5給出三項(xiàng)關(guān)鍵部件的基本結(jié)構(gòu)和相對(duì)位置關(guān)系。風(fēng)電滑環(huán)放置于風(fēng)電滑環(huán)臺(tái)架上合適位置，測(cè)試夾具上固定剛性拉繩用于抬升電刷，當(dāng)電刷與導(dǎo)電環(huán)由通路變?yōu)閿嗦窌r(shí)，AGS-X拉力測(cè)試數(shù)控平臺(tái)停止對(duì)電刷的抬升，并記錄臨界點(diǎn)的壓力值。

圖5 壓力測(cè)試系統(tǒng)示意圖

其中，風(fēng)電滑環(huán)臺(tái)架是壓力測(cè)試系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，由一個(gè)可做Z方向滑動(dòng)的溜板支架臺(tái)和固定支架組成，以實(shí)現(xiàn)滑環(huán)刷絲測(cè)量的軸向位移運(yùn)動(dòng)。刷絲數(shù)量多、刷絲與導(dǎo)電環(huán)壓力小、刷絲間距大等特點(diǎn)要求溜板支架臺(tái)須滑動(dòng)平穩(wěn)且定位準(zhǔn)確。因此風(fēng)電滑環(huán)臺(tái)架的Z向運(yùn)動(dòng)采用直線軸承和滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)操作人員搖動(dòng)手輪進(jìn)行定位。

AGS-X拉力測(cè)試數(shù)控平臺(tái)進(jìn)行刷絲壓力的采集工作，主要包括運(yùn)動(dòng)控制單元、傳感器控制單元、電源模塊、電子報(bào)警單元、PC機(jī)和數(shù)據(jù)后處理軟件。刷絲壓力值小要求測(cè)試系統(tǒng)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(cè)試過(guò)程中應(yīng)滿(mǎn)足兩個(gè)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(diǎn)，以復(fù)現(xiàn)刷絲的實(shí)際工作狀況，保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度和可信度。

1.4 測(cè)試流程

風(fēng)電滑環(huán)刷絲壓力測(cè)試系統(tǒng)采用TRAPEZIUM LITE X程序?qū)﹄娝⒔佑|壓力硬件測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行控制，主要實(shí)現(xiàn)測(cè)試傳感器的初始化和校準(zhǔn)、運(yùn)動(dòng)位移的初始化和校準(zhǔn)、刷絲接觸壓力值的采集和記錄，其具體測(cè)試流程如圖6所示。按照如圖的測(cè)量流程可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)測(cè)量模式和定點(diǎn)測(cè)量模式，連續(xù)測(cè)量模式即順序測(cè)量并記錄每根刷絲壓力，定點(diǎn)測(cè)量模式即抽測(cè)個(gè)別刷絲壓力。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 接觸壓力分析

按照1.2和1.4所述檢測(cè)原理和檢測(cè)流程對(duì)14環(huán)風(fēng)電滑環(huán)的刷絲接觸壓力進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，依次對(duì)每環(huán)單根刷絲測(cè)試6次，獲得單根刷絲的接觸壓力檢測(cè)數(shù)據(jù)平均值如表2所示。

圖6 壓力檢測(cè)流程

表2 14環(huán)風(fēng)電滑環(huán)電刷接觸壓力測(cè)試值

統(tǒng)計(jì)測(cè)試壓力平均值為0.1974 N，與理論設(shè)計(jì)值0.1922 N相比，誤差僅為5 mN，說(shuō)明風(fēng)電滑環(huán)刷絲接觸壓力檢測(cè)系統(tǒng)能夠精確測(cè)量電刷壓力。

之后，通過(guò)壓力測(cè)試系統(tǒng)完成對(duì)31環(huán)風(fēng)電滑環(huán)電刷壓力進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如表3所示。

表3 31環(huán)風(fēng)電滑環(huán)刷絲接觸壓力測(cè)試值

根據(jù)表2與表3的數(shù)據(jù)顯示可知兩種型號(hào)滑環(huán)刷絲的接觸壓力波動(dòng)值在－50～50 mN之間，從圖7的數(shù)據(jù)分布情況可以判斷31環(huán)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(huán)和25環(huán)電刷出現(xiàn)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(huán)風(fēng)電滑環(huán)刷絲接觸壓力測(cè)試值分布趨勢(shì)

2.2 摩擦力矩分析

摩擦力矩作為風(fēng)電滑環(huán)中的設(shè)計(jì)指標(biāo)，總摩擦力矩是由電刷導(dǎo)電環(huán)間的動(dòng)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(jié)果。其中滑環(huán)電刷和滑環(huán)間的摩擦力矩可以按照式 (2)進(jìn)行計(jì)算[4]。

式中:n為中心觸點(diǎn)數(shù)，14環(huán)96個(gè)觸點(diǎn);F為電刷接觸壓力，N;μ為電刷與導(dǎo)電環(huán)之間的摩擦系數(shù)，μ=0.15;r為滑環(huán)半徑，mm，設(shè)計(jì)值30 mm。結(jié)合測(cè)試得到的電刷接觸壓力平均值可獲得電刷導(dǎo)電環(huán)間的動(dòng)摩擦力矩為0.085 Nm。但是檢測(cè)風(fēng)電滑環(huán)合格與否，需要對(duì)風(fēng)電滑環(huán)的總摩擦力矩測(cè)試，因此利用接觸壓力測(cè)試系統(tǒng)對(duì)14環(huán)風(fēng)電滑環(huán)的啟動(dòng)摩擦力進(jìn)行測(cè)試，其數(shù)值如表4所示。

表4 14環(huán)風(fēng)電滑環(huán)的啟動(dòng)摩擦力 N

通過(guò)式 (3)計(jì)算滑環(huán)啟動(dòng)摩擦力矩[5]

式中:Ff為風(fēng)電滑環(huán)啟動(dòng)摩擦力，N;R為啟動(dòng)摩擦力旋轉(zhuǎn)半徑，mm，設(shè)計(jì)值45 mm。

由此得到風(fēng)電滑環(huán)總摩擦力矩為0.225 Nm，則風(fēng)電滑環(huán)各摩擦力矩計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 摩擦力矩

由表5分析可知，實(shí)際測(cè)量獲得的總摩擦力矩小于滑環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的設(shè)計(jì)值，并且電刷導(dǎo)電環(huán)間摩擦力矩遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)動(dòng)力矩設(shè)計(jì)值，因此滑環(huán)力矩指標(biāo)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

由表2和表3數(shù)據(jù)結(jié)果可以說(shuō)明所設(shè)計(jì)的風(fēng)電滑環(huán)刷絲接觸壓力檢測(cè)系統(tǒng)能夠獲得較為精確的壓力值，表5數(shù)據(jù)結(jié)果可以驗(yàn)證兩種型號(hào)的風(fēng)電滑環(huán)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和實(shí)際使用要求，也進(jìn)一步說(shuō)明檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)和滿(mǎn)足風(fēng)電滑環(huán)刷絲壓力的檢測(cè)要求。

3 結(jié)論

1)以電刷和導(dǎo)電環(huán)的導(dǎo)通臨界點(diǎn)作為電刷正常工作狀態(tài)的判斷依據(jù)，提出了風(fēng)電滑環(huán)電刷接觸壓力測(cè)量的方法;

2)設(shè)計(jì)一套風(fēng)電滑環(huán)電刷接觸壓力測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)電滑環(huán)裝配后刷絲壓力的連續(xù)精確測(cè)量，主要特點(diǎn)包括滑環(huán)軸向的連續(xù)運(yùn)動(dòng)和微小接觸壓力的測(cè)試、記錄;

3)風(fēng)電滑環(huán)電刷接觸壓力測(cè)試系統(tǒng)提高了風(fēng)電滑環(huán)電刷壓力的測(cè)量效率，并通過(guò)此系統(tǒng)獲得了兩種型號(hào)滑環(huán)的電刷壓力，其測(cè)試值波動(dòng)小于50 mN，壓力平均值與理論值僅5 mN誤差，說(shuō)明測(cè)試系統(tǒng)能夠精確測(cè)量電刷接觸壓力;并且通過(guò)摩擦力矩驗(yàn)證了風(fēng)電滑環(huán)能滿(mǎn)足滑環(huán)的設(shè)計(jì)和工作要求。

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