耐用型滑環制作工藝常見問題及應對策略分析

易柏偉

（深圳市嘉馳機電科技有限公司，廣東深圳 518000）

風力發電機組中，大多數啟動鏈和安全鏈故障都是由設備打滑引起的。因此，優化和改善滑轉引起的誤差，制定滑轉后的維修計劃，對提高風電機組的經濟效益具有重要意義。

1 耐用型滑環常見問題

1.1 滑環發展及維護現狀

我國早期風力渦輪機所使用的滑環大部分來源于進口。通過不斷引入和吸收了國外先進的滑環設計和制造技術，我國國內公司也已掌握了生產高性能、優質滑環的技術。

調查結果顯示，國內部分風電機組的滑環已發生了多處故障，由于滑環密封性能不足，膠粉進入了鎖緊軸承，造成滑環污染嚴重。這將會引起安全信號的閃爍，從而需要對設備操作情況進行嚴格檢測。許多的風力渦輪設備也只是需要簡單清洗滑環，又因為沒有專門潤滑劑，滑環和手刷也根本無法高效潤滑，這就更加加劇了滑環的老化。

1.2 精密導電滑環制造方案與工藝分析

在精密數控車床上，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。形成多個邊緣或切割一個邊緣，不僅可以避免真空注射或環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彎曲變形。可以獲得高精度的滑環驅動器。

在放大器的幫助下，每個環槽中的微孔通過高速鉆孔和圓形螺釘進行加工。在許多鉆孔方式過程中，只有高速鉆孔才能達到高精度。由于孔直徑僅為0.2 mm，因此需要借助鉸刀移動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。

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

圓柱形薄絕緣材料（導電棒排列）的整個邊緣表面都是具有導電性的。電鍍是一項采用電化學沉積原理，在物質表層上加工高導電性貴金屬的工藝技術。因為在沉積過程中需要電子運動，所以棒的外表面也需要具備良好的導電性。所以，就需要先對薄壁或圓柱形絕緣體（導電棒排列）的外圓表面進行導電性處理。

采用脈沖電化學沉積法，首先在金屬層上鍍銅，然后再鍍合金層。在這個過程中，貴金屬被電化學沉積分離，以取代原來的導電環。低速銑削用于去除圓柱形薄絕緣材料（導電棒非金屬）最平坦的金屬涂層，并將金屬涂層保持在環形微通道中。有必要將氣缸外表面和金屬環上的涂層與導電桿外表面分離，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，必須通過相應的固定件和數控中心在車床上進行精密加工。

為了保證溝槽的形狀精度和導電層的均勻厚度，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電層。對精密磨環驅動器的關鍵性能參數進行了測試和分析，驗證了新工藝方案的可行性。

1.3 多刃成形車刀加工工藝

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

在單刃開槽刀具的基礎上，設計了一種精密導電滑環多刃成形刀具。根據單刃組合刀具的結構，槽刀具的側刃在工作過程中位移大，軸向力大。同時，當兩個微通道之間的距離約為0.5 mm 時，軸向力產生的擠出比聚氨酯等高加工性熱塑性塑料更明顯。

旋轉成形工具用于加工對象，當加工表面對應的切削行程完成時，加工表面完成。因此，處理過程簡單有效。旋轉成型工具的輪廓是根據工作輪廓設計的。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

單個切削刃的尺寸必須符合傳統切削刃的設計要求和單個切削刃的形狀，如圖2所示。

圖2 單刃切槽刀的結構示意圖

切割頭設計為等邊三角形。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，通過選擇與旋轉刀具邊緣成13°的角度，可以減少刀具表面和滑環之間的摩擦。

切削參數的選擇。切割時，切割力作用在微通道絕緣體上，容易導致微通道絕緣體變形。因此，有必要通過實驗優化主軸轉速、進給量、切削深度和計算角度。通常采用有限元仿真軟件abqus 對切削過程進行仿真。將仿真結果與實驗方法相結合，分析這些因素對滑環絕緣子槽導線切割精度的影響，得出最佳切割工藝參數。

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，切削主軸轉速為560 r/min，進給速度為0，切削參數的選擇以及數控車床的相關數據。選擇5 mm，切割深度為0.2 mm。為了執行正確的滑動驅動，按指定順序進行。

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量滿足精度要求，因為它保持在微通道中。然而，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，切削參數對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量的要求，有必要深入研究切削過程中的主要參數對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對策略

2.1 滑環長期維護策略

目前，隨著傳統風電場的廢棄，傳統風電場的年度效益不容樂觀。一旦舊滑環發生故障，必須換新型滑環。目前，中國國內滑環廠家都只能供應價格相對低廉而且升級迅速的舊滑環產品。建議如果購買了國產滑環，可以用進口滑環替代。同時，建議購買一定數量的備件和維修工具，如無水酒精、軟刷、熱風槍、鋼筋等成套材料。

為改正滑環的設計錯誤，有必要及時地為這些問題建立和配備相應的整流器。因為滑環密封特性不足，滑環在驅動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，從而防止了滑環軸承、導電環和手刷等受到污染。因軸承行業在運輸前并未做好全面潤滑，將機組的滑環全部替換為備件，整機也替換了滑環，并對軸承進行了清洗、潤滑和更新。并建議交替存放。不影響設備工作，可正常維修。

定期維護。滑環和設備的定期維護工作通常需要半年的時間同步。同時，對滑動元件的頻繁清洗也會影響滑動元件的使用壽命。建議在定期維護時檢測滑環的驅動環，并依據具體情況選擇是否進行修復工作。在清洗過程中，禁止應用油基洗滌劑清潔集成電路板，以避免對滑環和手刷的銹蝕。在清洗后，用熱氣吹干，并將潤滑劑滴入每個導電環節中。

優化和更新。滑環公司大部分是以德國產品為代表的國內公司。在中國的售后服務價值也相對較高。同時，因為國內代理商的壟斷，企業也不得不在市場上大量收購舊滑環刷配件，但參考價格仍然很高昂。舊滑環備件的價格和新滑環的采購價格很相似。目前，在我國已有兩種風磨環，滑圈為硬金環及鐵合金刷架構的設計。由于新材料新科技的發展，目前國內滑環企業使用纖維刷構成的銀變形銅合金環，制作成本也相對較低。所以，企業可尋找第三方的滑環企業合作，以手刷代替硬變形銅合金環或對手刷結構。磨碎價格的這種變動，比單個磨碎價格的1/6更為合理，這能夠明顯減少損壞后的維護成本。

2.2 有限元仿真在切削中的應用

有限元模擬廣泛應用于制造過程分析。有限元模擬的應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家。M.R.lajchook（1980）詳細研究了縮短產品研發的過程。此外，還包括有限元法與切削法相結合的研究方法。Jiujing和Baijia 開始逐步將剪切過程應用于有限元分析。Strengowski 和Carroll 研究了一種新的標準切削分離模型（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上，對刀具角度和切削變形進行了深入模擬。同時，利用該模型描述了切削過程中的應力曲線。

隨著世界各國技術的發展，有限元方法得到了廣泛的應用。近年來，國內外科學家首次將工程領域與有限元方法相結合，有限元方法在機械加工中的應用得到了迅速發展。通常這些模型主要模擬壓力、變形、切削溫度、切削力等。

3 結束語

通過對滑環誤差的詳細分析，改進控制系統的電路，增加了安全鏈傳動信號環的電刷數量，固件的滑動誤差得到有效控制，誤差數量大大減少，可有效提高滑環的使用壽命，顯著降低研磨刷的維護成本和導電備用環的更換方案。傳統的導電滑環制造方法存在的問題是，導電滑環的精度難以滿足當前工業發展的要求。真空環氧樹脂法的絕緣電阻降低，實驗不方便。同時，這種方法必須以高成本滿足綁定要求。填充質量對整個滑環導體的電阻和絕緣有很大影響。動態接觸電阻的波動范圍不能滿足加熱要求。滑環導體傾斜后，重疊接頭使膜不均勻。同時，由于打樁過程中難以確保導電環的距離，滑環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，直接確保絕緣環的穩定性，微通道直接鉆入微孔和周圍的螺釘中，以確保電信號的傳輸。導電環電鍍成形時，不僅保證了導電環的精度，而且通過二次加工完成了導電環的最終成形，保證了其穩定性，能夠滿足接觸電阻變化范圍和滑環距離的要求。