耐用型滑環(huán)制作工藝常見問題及應(yīng)對(duì)策略分析

易柏偉

（深圳市嘉馳機(jī)電科技有限公司，廣東深圳 518000）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，大多數(shù)啟動(dòng)鏈和安全鏈故障都是由設(shè)備打滑引起的。因此，優(yōu)化和改善滑轉(zhuǎn)引起的誤差，制定滑轉(zhuǎn)后的維修計(jì)劃，對(duì)提高風(fēng)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 耐用型滑環(huán)常見問題

1.1 滑環(huán)發(fā)展及維護(hù)現(xiàn)狀

我國(guó)早期風(fēng)力渦輪機(jī)所使用的滑環(huán)大部分來源于進(jìn)口。通過不斷引入和吸收了國(guó)外先進(jìn)的滑環(huán)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，我國(guó)國(guó)內(nèi)公司也已掌握了生產(chǎn)高性能、優(yōu)質(zhì)滑環(huán)的技術(shù)。

調(diào)查結(jié)果顯示，國(guó)內(nèi)部分風(fēng)電機(jī)組的滑環(huán)已發(fā)生了多處故障，由于滑環(huán)密封性能不足，膠粉進(jìn)入了鎖緊軸承，造成滑環(huán)污染嚴(yán)重。這將會(huì)引起安全信號(hào)的閃爍，從而需要對(duì)設(shè)備操作情況進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)。許多的風(fēng)力渦輪設(shè)備也只是需要簡(jiǎn)單清洗滑環(huán)，又因?yàn)闆]有專門潤(rùn)滑劑，滑環(huán)和手刷也根本無法高效潤(rùn)滑，這就更加加劇了滑環(huán)的老化。

1.2 精密導(dǎo)電滑環(huán)制造方案與工藝分析

在精密數(shù)控車床上，采用多刃車刀的切削工藝，在絕緣材料薄壁圓筒（導(dǎo)電棒基板）的外周表面上加工均勻的圓形微通道，或采用單刃刀具的多刃切削工藝，切削圓形微通道。形成多個(gè)邊緣或切割一個(gè)邊緣，不僅可以避免真空注射或環(huán)氧樹脂變形硬化造成的孔隙，而且可以避免切割過程中切割力造成的絕緣環(huán)彎曲變形?？梢垣@得高精度的滑環(huán)驅(qū)動(dòng)器。

在放大器的幫助下，每個(gè)環(huán)槽中的微孔通過高速鉆孔和圓形螺釘進(jìn)行加工。在許多鉆孔方式過程中，只有高速鉆孔才能達(dá)到高精度。由于孔直徑僅為0.2 mm，因此需要借助鉸刀移動(dòng)孔和鉆頭以完成孔加工。圓螺紋加工可確保15根微絲不纏繞在螺紋后面，從而避免了直螺紋的纏繞問題。

微孔直接連接到導(dǎo)線上，以防止導(dǎo)線脫落。挖掘微孔時(shí)，微孔的直徑通常小于鉆頭的直徑。為了確保導(dǎo)線不會(huì)脫落，可以將導(dǎo)線直接擰入微孔中。微通道的表面質(zhì)量易于粘合，這可以通過直接滲透避免。

圓柱形薄絕緣材料（導(dǎo)電棒排列）的整個(gè)邊緣表面都是具有導(dǎo)電性的。電鍍是一項(xiàng)采用電化學(xué)沉積原理，在物質(zhì)表層上加工高導(dǎo)電性貴金屬的工藝技術(shù)。因?yàn)樵诔练e過程中需要電子運(yùn)動(dòng)，所以棒的外表面也需要具備良好的導(dǎo)電性。所以，就需要先對(duì)薄壁或圓柱形絕緣體（導(dǎo)電棒排列）的外圓表面進(jìn)行導(dǎo)電性處理。

采用脈沖電化學(xué)沉積法，首先在金屬層上鍍銅，然后再鍍合金層。在這個(gè)過程中，貴金屬被電化學(xué)沉積分離，以取代原來的導(dǎo)電環(huán)。低速銑削用于去除圓柱形薄絕緣材料（導(dǎo)電棒非金屬）最平坦的金屬涂層，并將金屬涂層保持在環(huán)形微通道中。有必要將氣缸外表面和金屬環(huán)上的涂層與導(dǎo)電桿外表面分離，因此有必要去除汽缸外表面上的涂層。由于該工藝屬于二次加工，必須通過相應(yīng)的固定件和數(shù)控中心在車床上進(jìn)行精密加工。

為了保證溝槽的形狀精度和導(dǎo)電層的均勻厚度，通過微加工形成溝槽銑削。相反，如果使用切割成型方法，則可直接切割或撕裂導(dǎo)電層。對(duì)精密磨環(huán)驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試和分析，驗(yàn)證了新工藝方案的可行性。

1.3 多刃成形車刀加工工藝

旋轉(zhuǎn)成形工具用于在車床上加工內(nèi)外車削表面。刀尖的形狀不同于普通車刀。邊緣的形狀主要由加工對(duì)象的輪廓導(dǎo)出和計(jì)算。因此，成形車刀是一種只能加工某些加工產(chǎn)品的專用工具。成形車刀通用性差，但加工效率高，刀具壽命長(zhǎng)，加工質(zhì)量好。用多工裝精密模具加工導(dǎo)電環(huán)微通道的具體工作方法如下。

在單刃開槽刀具的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種精密導(dǎo)電滑環(huán)多刃成形刀具。根據(jù)單刃組合刀具的結(jié)構(gòu)，槽刀具的側(cè)刃在工作過程中位移大，軸向力大。同時(shí)，當(dāng)兩個(gè)微通道之間的距離約為0.5 mm 時(shí)，軸向力產(chǎn)生的擠出比聚氨酯等高加工性熱塑性塑料更明顯。

旋轉(zhuǎn)成形工具用于加工對(duì)象，當(dāng)加工表面對(duì)應(yīng)的切削行程完成時(shí)，加工表面完成。因此，處理過程簡(jiǎn)單有效。旋轉(zhuǎn)成型工具的輪廓是根據(jù)工作輪廓設(shè)計(jì)的。圖1顯示了絕緣微槽基本形狀。

圖1 絕緣微槽基本形狀

1.4 單刃車刀加工分析

單個(gè)切削刃的尺寸必須符合傳統(tǒng)切削刃的設(shè)計(jì)要求和單個(gè)切削刃的形狀，如圖2所示。

圖2 單刃切槽刀的結(jié)構(gòu)示意圖

切割頭設(shè)計(jì)為等邊三角形。該切割頭不僅保證了刀片足夠鋒利，切割力小，而且可以直接切割所需的三角槽。同時(shí)，通過選擇與旋轉(zhuǎn)刀具邊緣成13°的角度，可以減少刀具表面和滑環(huán)之間的摩擦。

切削參數(shù)的選擇。切割時(shí)，切割力作用在微通道絕緣體上，容易導(dǎo)致微通道絕緣體變形。因此，有必要通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削深度和計(jì)算角度。通常采用有限元仿真軟件abqus 對(duì)切削過程進(jìn)行仿真。將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合，分析這些因素對(duì)滑環(huán)絕緣子槽導(dǎo)線切割精度的影響，得出最佳切割工藝參數(shù)。

在上述描述中，需找到加工表面顆粒的最佳加工方法，即單刃或多刃車削，切削主軸轉(zhuǎn)速為560 r/min，進(jìn)給速度為0，切削參數(shù)的選擇以及數(shù)控車床的相關(guān)數(shù)據(jù)。選擇5 mm，切割深度為0.2 mm。為了執(zhí)行正確的滑動(dòng)驅(qū)動(dòng)，按指定順序進(jìn)行。

如圖3所示，這種切削車刀可以避免塑料碎屑，并確保微通道的表面質(zhì)量滿足精度要求，因?yàn)樗３衷谖⑼ǖ乐小Ｈ欢?，由于微槽與微槽之間的距離較小，切削力受微槽橫向彎曲變形的影響較小，不能滿足微槽橫向彎曲變形高精度的要求，切削參數(shù)對(duì)車刀的切削力影響不大。因此，如果多刃車刀的切削不能滿足微通道表面質(zhì)量的要求，有必要深入研究切削過程中的主要參數(shù)對(duì)微通道彎曲變形的影響。獲得滿足工藝要求的微通道處理參數(shù)范圍。

圖3 單刃切槽車刀車削工藝流程圖

2 耐用型滑常見問題應(yīng)對(duì)策略

2.1 滑環(huán)長(zhǎng)期維護(hù)策略

目前，隨著傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)的廢棄，傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)的年度效益不容樂觀。一旦舊滑環(huán)發(fā)生故障，必須換新型滑環(huán)。目前，中國(guó)國(guó)內(nèi)滑環(huán)廠家都只能供應(yīng)價(jià)格相對(duì)低廉而且升級(jí)迅速的舊滑環(huán)產(chǎn)品。建議如果購(gòu)買了國(guó)產(chǎn)滑環(huán)，可以用進(jìn)口滑環(huán)替代。同時(shí)，建議購(gòu)買一定數(shù)量的備件和維修工具，如無水酒精、軟刷、熱風(fēng)槍、鋼筋等成套材料。

為改正滑環(huán)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，有必要及時(shí)地為這些問題建立和配備相應(yīng)的整流器。因?yàn)榛h(huán)密封特性不足，滑環(huán)在驅(qū)動(dòng)主軸上形成了大量粉塵。而通過主軸用PVC 管上再加裝一次密封圈，就能夠更有效地隔離污染，從而防止了滑環(huán)軸承、導(dǎo)電環(huán)和手刷等受到污染。因軸承行業(yè)在運(yùn)輸前并未做好全面潤(rùn)滑，將機(jī)組的滑環(huán)全部替換為備件，整機(jī)也替換了滑環(huán)，并對(duì)軸承進(jìn)行了清洗、潤(rùn)滑和更新。并建議交替存放。不影響設(shè)備工作，可正常維修。

定期維護(hù)?；h(huán)和設(shè)備的定期維護(hù)工作通常需要半年的時(shí)間同步。同時(shí)，對(duì)滑動(dòng)元件的頻繁清洗也會(huì)影響滑動(dòng)元件的使用壽命。建議在定期維護(hù)時(shí)檢測(cè)滑環(huán)的驅(qū)動(dòng)環(huán)，并依據(jù)具體情況選擇是否進(jìn)行修復(fù)工作。在清洗過程中，禁止應(yīng)用油基洗滌劑清潔集成電路板，以避免對(duì)滑環(huán)和手刷的銹蝕。在清洗后，用熱氣吹干，并將潤(rùn)滑劑滴入每個(gè)導(dǎo)電環(huán)節(jié)中。

優(yōu)化和更新?；h(huán)公司大部分是以德國(guó)產(chǎn)品為代表的國(guó)內(nèi)公司。在中國(guó)的售后服務(wù)價(jià)值也相對(duì)較高。同時(shí)，因?yàn)閲?guó)內(nèi)代理商的壟斷，企業(yè)也不得不在市場(chǎng)上大量收購(gòu)舊滑環(huán)刷配件，但參考價(jià)格仍然很高昂。舊滑環(huán)備件的價(jià)格和新滑環(huán)的采購(gòu)價(jià)格很相似。目前，在我國(guó)已有兩種風(fēng)磨環(huán)，滑圈為硬金環(huán)及鐵合金刷架構(gòu)的設(shè)計(jì)。由于新材料新科技的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)滑環(huán)企業(yè)使用纖維刷構(gòu)成的銀變形銅合金環(huán)，制作成本也相對(duì)較低。所以，企業(yè)可尋找第三方的滑環(huán)企業(yè)合作，以手刷代替硬變形銅合金環(huán)或?qū)κ炙⒔Y(jié)構(gòu)。磨碎價(jià)格的這種變動(dòng)，比單個(gè)磨碎價(jià)格的1/6更為合理，這能夠明顯減少損壞后的維護(hù)成本。

2.2 有限元仿真在切削中的應(yīng)用

有限元模擬廣泛應(yīng)用于制造過程分析。有限元模擬的應(yīng)用大大降低了科研成本，為制造過程提供了理論支持。B.E.klameck（1973）是世界上第一家提供金屬芯片的公司中從事組織研究的科學(xué)家。M.R.lajchook（1980）詳細(xì)研究了縮短產(chǎn)品研發(fā)的過程。此外，還包括有限元法與切削法相結(jié)合的研究方法。Jiujing和Baijia 開始逐步將剪切過程應(yīng)用于有限元分析。Strengowski 和Carroll 研究了一種新的標(biāo)準(zhǔn)切削分離模型（基于塑性變形），并考慮了之前模擬中忽略的因素，刀具和切屑之間的摩擦，如刀具和彈性體。

正交截面模型最初由九井和白家提出。在有限元分析的基礎(chǔ)上，對(duì)刀具角度和切削變形進(jìn)行了深入模擬。同時(shí)，利用該模型描述了切削過程中的應(yīng)力曲線。

隨著世界各國(guó)技術(shù)的發(fā)展，有限元方法得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家首次將工程領(lǐng)域與有限元方法相結(jié)合，有限元方法在機(jī)械加工中的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。通常這些模型主要模擬壓力、變形、切削溫度、切削力等。

3 結(jié)束語

通過對(duì)滑環(huán)誤差的詳細(xì)分析，改進(jìn)控制系統(tǒng)的電路，增加了安全鏈傳動(dòng)信號(hào)環(huán)的電刷數(shù)量，固件的滑動(dòng)誤差得到有效控制，誤差數(shù)量大大減少，可有效提高滑環(huán)的使用壽命，顯著降低研磨刷的維護(hù)成本和導(dǎo)電備用環(huán)的更換方案。傳統(tǒng)的導(dǎo)電滑環(huán)制造方法存在的問題是，導(dǎo)電滑環(huán)的精度難以滿足當(dāng)前工業(yè)發(fā)展的要求。真空環(huán)氧樹脂法的絕緣電阻降低，實(shí)驗(yàn)不方便。同時(shí)，這種方法必須以高成本滿足綁定要求。填充質(zhì)量對(duì)整個(gè)滑環(huán)導(dǎo)體的電阻和絕緣有很大影響。動(dòng)態(tài)接觸電阻的波動(dòng)范圍不能滿足加熱要求。滑環(huán)導(dǎo)體傾斜后，重疊接頭使膜不均勻。同時(shí)，由于打樁過程中難以確保導(dǎo)電環(huán)的距離，滑環(huán)的距離可能不符合確切要求。新的制造工藝是采用精密車削工藝，直接確保絕緣環(huán)的穩(wěn)定性，微通道直接鉆入微孔和周圍的螺釘中，以確保電信號(hào)的傳輸。導(dǎo)電環(huán)電鍍成形時(shí)，不僅保證了導(dǎo)電環(huán)的精度，而且通過二次加工完成了導(dǎo)電環(huán)的最終成形，保證了其穩(wěn)定性，能夠滿足接觸電阻變化范圍和滑環(huán)距離的要求。