风电滑环电刷接触压力精密测试技术与试验研究

闫珺，邢立华，付红伟，韩雪涛，杨洋，葛方俊

(北京兴华机械厂，北京 100854)

0 引言

风电滑环是风力发电系统的重要组成构件，是传输轮毂和机舱之间动力电源信号和电气信号的枢纽，滑环的电刷压力、接触电阻是影响其性能的关键参数，压力大小直接决定了刷丝的接触电阻值。压力越大接触电阻越小，滑环的性能就越好，将压力控制在一定限度内有利于滑环性能的提升，但过大的压力也会造成电刷触点和金属环摩擦加剧[1]。因此，导电滑环电刷压力的测量是导电滑环性能指标检测的重要环节，压力的精确测试方法和技术也成为滑环装备测试研究和风电滑环提升整体性能必须攻克的技术瓶颈[2]。

常用的电刷压力测试方法包括测力计直接测试法和蜂鸣器断路测试法。直接测试法是手持测力计测得电刷工作压力数值，方法便捷但手持测试会造成测力计测试位置和读数不稳定;蜂鸣器断路测试法是在直接测试法中加入蜂鸣器装置，通过蜂鸣器状态判断测力计停止位置，该方法提高了测力计测试位置的准确性[1]。

为进一步提高电刷接触压力的测试效率和测试精确度，设计一套通用风电滑环刷丝接触压力检测系统，实现多型号风电滑环电刷压力的快速准确测量。

1 电刷接触压力精密测试系统

1.1 刷丝的结构形式

图1给出14环风电滑环外形结构示意图。电刷作为风电滑环核心零件，由贵金属电刷触点、铍青铜弹性刷臂和固定件组成，其结构如图2所示，在与其他零件装配后刷臂触点分别压紧在导电环外侧，其中在信号环多采用单根或双根刷丝并列形式，在功率环采用多根刷丝并列形式。

图1 14环风电滑环结构示意图

图2 刷丝结构

装配后的14环风电滑环，其电刷和导电环相对位置关系如图3所示，电刷在工作状态发生挠性变形，变形角度可利用式 (1)的悬臂梁的转角公式[3]进行计算。表1列出了电刷的基本设计参数，由此得到电刷的设计接触压力为0.1922 N。

图3 电刷和导电环相对位置

式中:θ为电刷刷臂转角， (°);F为电刷接触压力，N;L为电刷臂长，m;E为电刷弹性模量，GPa;I为电刷截面的轴惯性矩，m4。

表1 电刷设计参数

1.2 接触压力测试原理

导电滑环完成刷丝与滑环安装后需要对每根电刷压力进行检测，判断是否合格。电刷的压力完全依赖于刷臂弹力，故只要在刷丝压力测试过程中保证刷丝拉伸至工作形变，即可通过拉力计表征导电滑环工作状态刷丝压力值，而由滑环导通实验可知每个刷丝触电与导电环形成闭合回路，因此刷丝和导电环的导通与否可以作为刷丝变形判断临界点。图4所示为风电滑环刷丝接触压力检测系统原理图。

图4 风电滑环刷丝接触压力检测系统原理图

其中，拉力测试仪和计算机是压力数据采集模块，万用表和蜂鸣器是压力数据采集模块的触发开关，风电滑环台架是滑环测试的支撑和相对移动模块。

1.3 系统构成

为了能够实现对每根刷丝的连续测量，要求测试过程能够保证滑环的轴向位移运动。根据测试原理设计一套压力测试系统，该系统主要由AGS-X拉力测试数控平台、风电滑环台架、测试夹具、计算机和测试软件构成，示意图5给出三项关键部件的基本结构和相对位置关系。风电滑环放置于风电滑环台架上合适位置，测试夹具上固定刚性拉绳用于抬升电刷，当电刷与导电环由通路变为断路时，AGS-X拉力测试数控平台停止对电刷的抬升，并记录临界点的压力值。

图5 压力测试系统示意图

其中，风电滑环台架是压力测试系统的机械结构，由一个可做Z方向滑动的溜板支架台和固定支架组成，以实现滑环刷丝测量的轴向位移运动。刷丝数量多、刷丝与导电环压力小、刷丝间距大等特点要求溜板支架台须滑动平稳且定位准确。因此风电滑环台架的Z向运动采用直线轴承和滚珠丝杠来实现，通过操作人员摇动手轮进行定位。

AGS-X拉力测试数控平台进行刷丝压力的采集工作，主要包括运动控制单元、传感器控制单元、电源模块、电子报警单元、PC机和数据后处理软件。刷丝压力值小要求测试系统选用灵敏度高的高精度型载荷传感器，误差仅在指示值的±0.5%。因此在测试过程中应满足两个要求:一是保证刷丝夹具和载荷传感器的垂直度;二是保证刷丝夹具与刷丝的接触位置尽量靠近电刷触点，以复现刷丝的实际工作状况，保证数据采集的准确度和可信度。

1.4 测试流程

风电滑环刷丝压力测试系统采用TRAPEZIUM LITE X程序对电刷接触压力硬件测试系统进行控制，主要实现测试传感器的初始化和校准、运动位移的初始化和校准、刷丝接触压力值的采集和记录，其具体测试流程如图6所示。按照如图的测量流程可实现系统的连续测量模式和定点测量模式，连续测量模式即顺序测量并记录每根刷丝压力，定点测量模式即抽测个别刷丝压力。

2 试验与分析

2.1 接触压力分析

按照1.2和1.4所述检测原理和检测流程对14环风电滑环的刷丝接触压力进行连续测试，依次对每环单根刷丝测试6次，获得单根刷丝的接触压力检测数据平均值如表2所示。

图6 压力检测流程

表2 14环风电滑环电刷接触压力测试值

统计测试压力平均值为0.1974 N，与理论设计值0.1922 N相比，误差仅为5 mN，说明风电滑环刷丝接触压力检测系统能够精确测量电刷压力。

之后，通过压力测试系统完成对31环风电滑环电刷压力进行测试，其结果如表3所示。

表3 31环风电滑环刷丝接触压力测试值

根据表2与表3的数据显示可知两种型号滑环刷丝的接触压力波动值在－50～50 mN之间，从图7的数据分布情况可以判断31环同一刷架上单根电刷接触压力是基本处于0.45～0.50 N，1环和25环电刷出现压力异常值，其原因可能是刚性拉绳与电刷的接触位置变化较大造成。

图7 31环风电滑环刷丝接触压力测试值分布趋势

2.2 摩擦力矩分析

摩擦力矩作为风电滑环中的设计指标，总摩擦力矩是由电刷导电环间的动摩擦力矩、两端轴承的静摩擦力矩和其他部件引起的摩擦力矩共同作用的结果。其中滑环电刷和滑环间的摩擦力矩可以按照式 (2)进行计算[4]。

式中:n为中心触点数，14环96个触点;F为电刷接触压力，N;μ为电刷与导电环之间的摩擦系数，μ=0.15;r为滑环半径，mm，设计值30 mm。结合测试得到的电刷接触压力平均值可获得电刷导电环间的动摩擦力矩为0.085 Nm。但是检测风电滑环合格与否，需要对风电滑环的总摩擦力矩测试，因此利用接触压力测试系统对14环风电滑环的启动摩擦力进行测试，其数值如表4所示。

表4 14环风电滑环的启动摩擦力 N

通过式 (3)计算滑环启动摩擦力矩[5]

式中:Ff为风电滑环启动摩擦力，N;R为启动摩擦力旋转半径，mm，设计值45 mm。

由此得到风电滑环总摩擦力矩为0.225 Nm，则风电滑环各摩擦力矩计算结果如表5所示。

表5 摩擦力矩

由表5分析可知，实际测量获得的总摩擦力矩小于滑环转动力矩的设计值，并且电刷导电环间摩擦力矩远小于转动力矩设计值，因此滑环力矩指标能够达到设计标准。

由表2和表3数据结果可以说明所设计的风电滑环刷丝接触压力检测系统能够获得较为精确的压力值，表5数据结果可以验证两种型号的风电滑环均满足设计和实际使用要求，也进一步说明检测系统能够实现和满足风电滑环刷丝压力的检测要求。

3 结论

1)以电刷和导电环的导通临界点作为电刷正常工作状态的判断依据，提出了风电滑环电刷接触压力测量的方法;

2)设计一套风电滑环电刷接触压力测试系统，实现了对风电滑环装配后刷丝压力的连续精确测量，主要特点包括滑环轴向的连续运动和微小接触压力的测试、记录;

3)风电滑环电刷接触压力测试系统提高了风电滑环电刷压力的测量效率，并通过此系统获得了两种型号滑环的电刷压力，其测试值波动小于50 mN，压力平均值与理论值仅5 mN误差，说明测试系统能够精确测量电刷接触压力;并且通过摩擦力矩验证了风电滑环能满足滑环的设计和工作要求。

[1]郝建刚，姜校亮，杜玉娟.风电滑环电刷压力测量方法[J].舰船科学技术，2012(34):72－73.

[2]邓卫东，宋光.小型导电环电刷压力测试技术研究[C]//控制与应用第十三届学术年会6－09.北京:中国航空学会，2008.

[3]闻邦椿.机械设计手册 [M].5版.北京:机械工业出版社，2010.

[4]叶威，李双，胡国良.环刷刷丝接触压力检测系统设计.[J].计测技术，2011，31(3):14－16.

[5]单辉祖.材料力学教程 [M].2版.北京:国防工业出版社，1982.