耐用型滑环制作工艺常见问题及应对策略分析

易柏伟

（深圳市嘉驰机电科技有限公司，广东深圳 518000）

风力发电机组中，大多数启动链和安全链故障都是由设备打滑引起的。因此，优化和改善滑转引起的误差，制定滑转后的维修计划，对提高风电机组的经济效益具有重要意义。

1 耐用型滑环常见问题

1.1 滑环发展及维护现状

我国早期风力涡轮机所使用的滑环大部分来源于进口。通过不断引入和吸收了国外先进的滑环设计和制造技术，我国国内公司也已掌握了生产高性能、优质滑环的技术。

调查结果显示，国内部分风电机组的滑环已发生了多处故障，由于滑环密封性能不足，胶粉进入了锁紧轴承，造成滑环污染严重。这将会引起安全信号的闪烁，从而需要对设备操作情况进行严格检测。许多的风力涡轮设备也只是需要简单清洗滑环，又因为没有专门润滑剂，滑环和手刷也根本无法高效润滑，这就更加加剧了滑环的老化。

1.2 精密导电滑环制造方案与工艺分析

在精密数控车床上，采用多刃车刀的切削工艺，在绝缘材料薄壁圆筒（导电棒基板）的外周表面上加工均匀的圆形微通道，或采用单刃刀具的多刃切削工艺，切削圆形微通道。形成多个边缘或切割一个边缘，不仅可以避免真空注射或环氧树脂变形硬化造成的孔隙，而且可以避免切割过程中切割力造成的绝缘环弯曲变形。可以获得高精度的滑环驱动器。

在放大器的帮助下，每个环槽中的微孔通过高速钻孔和圆形螺钉进行加工。在许多钻孔方式过程中，只有高速钻孔才能达到高精度。由于孔直径仅为0.2 mm，因此需要借助铰刀移动孔和钻头以完成孔加工。圆螺纹加工可确保15根微丝不缠绕在螺纹后面，从而避免了直螺纹的缠绕问题。

微孔直接连接到导线上，以防止导线脱落。挖掘微孔时，微孔的直径通常小于钻头的直径。为了确保导线不会脱落，可以将导线直接拧入微孔中。微通道的表面质量易于粘合，这可以通过直接渗透避免。

圆柱形薄绝缘材料（导电棒排列）的整个边缘表面都是具有导电性的。电镀是一项采用电化学沉积原理，在物质表层上加工高导电性贵金属的工艺技术。因为在沉积过程中需要电子运动，所以棒的外表面也需要具备良好的导电性。所以，就需要先对薄壁或圆柱形绝缘体（导电棒排列）的外圆表面进行导电性处理。

采用脉冲电化学沉积法，首先在金属层上镀铜，然后再镀合金层。在这个过程中，贵金属被电化学沉积分离，以取代原来的导电环。低速铣削用于去除圆柱形薄绝缘材料（导电棒非金属）最平坦的金属涂层，并将金属涂层保持在环形微通道中。有必要将气缸外表面和金属环上的涂层与导电杆外表面分离，因此有必要去除汽缸外表面上的涂层。由于该工艺属于二次加工，必须通过相应的固定件和数控中心在车床上进行精密加工。

为了保证沟槽的形状精度和导电层的均匀厚度，通过微加工形成沟槽铣削。相反，如果使用切割成型方法，则可直接切割或撕裂导电层。对精密磨环驱动器的关键性能参数进行了测试和分析，验证了新工艺方案的可行性。

1.3 多刃成形车刀加工工艺

旋转成形工具用于在车床上加工内外车削表面。刀尖的形状不同于普通车刀。边缘的形状主要由加工对象的轮廓导出和计算。因此，成形车刀是一种只能加工某些加工产品的专用工具。成形车刀通用性差，但加工效率高，刀具寿命长，加工质量好。用多工装精密模具加工导电环微通道的具体工作方法如下。

在单刃开槽刀具的基础上，设计了一种精密导电滑环多刃成形刀具。根据单刃组合刀具的结构，槽刀具的侧刃在工作过程中位移大，轴向力大。同时，当两个微通道之间的距离约为0.5 mm 时，轴向力产生的挤出比聚氨酯等高加工性热塑性塑料更明显。

旋转成形工具用于加工对象，当加工表面对应的切削行程完成时，加工表面完成。因此，处理过程简单有效。旋转成型工具的轮廓是根据工作轮廓设计的。图1显示了绝缘微槽基本形状。

图1 绝缘微槽基本形状

1.4 单刃车刀加工分析

单个切削刃的尺寸必须符合传统切削刃的设计要求和单个切削刃的形状，如图2所示。

图2 单刃切槽刀的结构示意图

切割头设计为等边三角形。该切割头不仅保证了刀片足够锋利，切割力小，而且可以直接切割所需的三角槽。同时，通过选择与旋转刀具边缘成13°的角度，可以减少刀具表面和滑环之间的摩擦。

切削参数的选择。切割时，切割力作用在微通道绝缘体上，容易导致微通道绝缘体变形。因此，有必要通过实验优化主轴转速、进给量、切削深度和计算角度。通常采用有限元仿真软件abqus 对切削过程进行仿真。将仿真结果与实验方法相结合，分析这些因素对滑环绝缘子槽导线切割精度的影响，得出最佳切割工艺参数。

在上述描述中，需找到加工表面颗粒的最佳加工方法，即单刃或多刃车削，切削主轴转速为560 r/min，进给速度为0，切削参数的选择以及数控车床的相关数据。选择5 mm，切割深度为0.2 mm。为了执行正确的滑动驱动，按指定顺序进行。

如图3所示，这种切削车刀可以避免塑料碎屑，并确保微通道的表面质量满足精度要求，因为它保持在微通道中。然而，由于微槽与微槽之间的距离较小，切削力受微槽横向弯曲变形的影响较小，不能满足微槽横向弯曲变形高精度的要求，切削参数对车刀的切削力影响不大。因此，如果多刃车刀的切削不能满足微通道表面质量的要求，有必要深入研究切削过程中的主要参数对微通道弯曲变形的影响。获得满足工艺要求的微通道处理参数范围。

图3 单刃切槽车刀车削工艺流程图

2 耐用型滑常见问题应对策略

2.1 滑环长期维护策略

目前，随着传统风电场的废弃，传统风电场的年度效益不容乐观。一旦旧滑环发生故障，必须换新型滑环。目前，中国国内滑环厂家都只能供应价格相对低廉而且升级迅速的旧滑环产品。建议如果购买了国产滑环，可以用进口滑环替代。同时，建议购买一定数量的备件和维修工具，如无水酒精、软刷、热风枪、钢筋等成套材料。

为改正滑环的设计错误，有必要及时地为这些问题建立和配备相应的整流器。因为滑环密封特性不足，滑环在驱动主轴上形成了大量粉尘。而通过主轴用PVC 管上再加装一次密封圈，就能够更有效地隔离污染，从而防止了滑环轴承、导电环和手刷等受到污染。因轴承行业在运输前并未做好全面润滑，将机组的滑环全部替换为备件，整机也替换了滑环，并对轴承进行了清洗、润滑和更新。并建议交替存放。不影响设备工作，可正常维修。

定期维护。滑环和设备的定期维护工作通常需要半年的时间同步。同时，对滑动元件的频繁清洗也会影响滑动元件的使用寿命。建议在定期维护时检测滑环的驱动环，并依据具体情况选择是否进行修复工作。在清洗过程中，禁止应用油基洗涤剂清洁集成电路板，以避免对滑环和手刷的锈蚀。在清洗后，用热气吹干，并将润滑剂滴入每个导电环节中。

优化和更新。滑环公司大部分是以德国产品为代表的国内公司。在中国的售后服务价值也相对较高。同时，因为国内代理商的垄断，企业也不得不在市场上大量收购旧滑环刷配件，但参考价格仍然很高昂。旧滑环备件的价格和新滑环的采购价格很相似。目前，在我国已有两种风磨环，滑圈为硬金环及铁合金刷架构的设计。由于新材料新科技的发展，目前国内滑环企业使用纤维刷构成的银变形铜合金环，制作成本也相对较低。所以，企业可寻找第三方的滑环企业合作，以手刷代替硬变形铜合金环或对手刷结构。磨碎价格的这种变动，比单个磨碎价格的1/6更为合理，这能够明显减少损坏后的维护成本。

2.2 有限元仿真在切削中的应用

有限元模拟广泛应用于制造过程分析。有限元模拟的应用大大降低了科研成本，为制造过程提供了理论支持。B.E.klameck（1973）是世界上第一家提供金属芯片的公司中从事组织研究的科学家。M.R.lajchook（1980）详细研究了缩短产品研发的过程。此外，还包括有限元法与切削法相结合的研究方法。Jiujing和Baijia 开始逐步将剪切过程应用于有限元分析。Strengowski 和Carroll 研究了一种新的标准切削分离模型（基于塑性变形），并考虑了之前模拟中忽略的因素，刀具和切屑之间的摩擦，如刀具和弹性体。

正交截面模型最初由九井和白家提出。在有限元分析的基础上，对刀具角度和切削变形进行了深入模拟。同时，利用该模型描述了切削过程中的应力曲线。

随着世界各国技术的发展，有限元方法得到了广泛的应用。近年来，国内外科学家首次将工程领域与有限元方法相结合，有限元方法在机械加工中的应用得到了迅速发展。通常这些模型主要模拟压力、变形、切削温度、切削力等。

3 结束语

通过对滑环误差的详细分析，改进控制系统的电路，增加了安全链传动信号环的电刷数量，固件的滑动误差得到有效控制，误差数量大大减少，可有效提高滑环的使用寿命，显著降低研磨刷的维护成本和导电备用环的更换方案。传统的导电滑环制造方法存在的问题是，导电滑环的精度难以满足当前工业发展的要求。真空环氧树脂法的绝缘电阻降低，实验不方便。同时，这种方法必须以高成本满足绑定要求。填充质量对整个滑环导体的电阻和绝缘有很大影响。动态接触电阻的波动范围不能满足加热要求。滑环导体倾斜后，重叠接头使膜不均匀。同时，由于打桩过程中难以确保导电环的距离，滑环的距离可能不符合确切要求。新的制造工艺是采用精密车削工艺，直接确保绝缘环的稳定性，微通道直接钻入微孔和周围的螺钉中，以确保电信号的传输。导电环电镀成形时，不仅保证了导电环的精度，而且通过二次加工完成了导电环的最终成形，保证了其稳定性，能够满足接触电阻变化范围和滑环距离的要求。