CN101588112B - 含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环故障诊断装置 - Google Patents
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Abstract
一种含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环故障诊断装置，电刷滑环故障诊断装置含有：固定电刷的机器外壳上的一个以上的振动冲击传感器，或/和一个轴电压检测传感器，与振动冲击传感器及轴电压检测传感器连接的、带有电刷滑环故障诊断软件的振动及共振解调故障诊断仪；由振动及共振解调故障诊断仪的电刷滑环故障诊断软件对振动冲击传感器获取的振动冲击或/和轴电压检测传感器获取的信号进行分析，识别电刷滑环的故障；所述振动及共振解调故障诊断仪含有振动检测通道、共振解调检测通道和带有AD转换采集器及诊断软件的计算机，其中的振动冲击传感器或/和轴电压检测传感器的检测信号接到振动检测通道和共振解调检测通道的输入端，振动检测通道和共振解调检测通道的输出振动和冲击信号接到带有AD转换采集器及诊断软件的计算机的AD输入端，其所采集的信息由计算机的诊断软件进行故障诊断、故障机理分析，并最终做出对电刷滑环进行维修及改进设计的决策。
Description
技术领域
本发明涉及一种含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环故障诊断装置，属于故障诊断与安全技术领域；尤其适用于风力发电机的双馈发电机等和轨道交通接地回路等电刷滑环的运行故障和结构故障诊断及处理。
背景技术
在现有风力发电机中，双馈式发电机占有主流地位；而其中带有电刷滑环的“有刷双馈发电机”又占有很大比重。此类发电机大量发生电刷滑环故障，轻则引起自动跳闸停止发电，重则发生强烈的破坏作用，严重损害风力发电机组的安全。在其他交流发电机中为了避免转子感应的轴电压流过和损伤轴承，要求将轴承对机器外壳绝缘安装，将轴上的轴电压通过与之连接的滑环和电刷接机器外壳(地)，却时常因为电刷滑环故障断路而引发其他故障。
此外，在轨道交通设备中，电力供给的接地回路是通过电刷滑环将电流传输到车轮然后由车轮传输到钢轨实现的，同样易发生电刷滑环故障。因此，有必要提出识别运转中电刷滑环故障及故障机理，并据此指导电刷滑环的先进维修以及改进设计的方法，以便能及时实现对相应故障进行机理诊断和及时维修，防止危害风力发电机和轨道交通设备等安全事故的发生。
此外，在轨道交通设备中，电力供给的接地回路是通过电刷滑环将电流传输到车轮然后由车轮传输到钢轨实现的，同样易发生电刷滑环故障。因此，有必要提出识别运转中电刷滑环故障及故障机理，并据此指导电刷滑环的先进维修以及改进设计的方法，以便能及时实现对相应故障进行机理诊断和及时维修，防止危害风力发电机和轨道交通设备等安全事故的发生。
以双馈式风力发电机为例，该发电机可以在转子的转速频率FN不等于发电频率FG(中国电网规定为50Hz)的整分数时发出频率等于FG的电压，其解决的方法是对转子的电磁铁以频率FK的交流电励磁，例如，电磁铁的磁极对数为N(通常N＝2)时，如果转子转速频率FN＜FG/N，则控制励磁电源的频率FK＝(FG/N-FN)，使磁场的旋转频率为N(FN+FK)＝N(FN+FG/N-FN)＝FG，则可以保障所发电压的频率等于FG，从而为所发电能并网馈送准备一个必要条件。为了对转子有效励磁，通常采用3相4线的方式对转子馈电，于是设有A、B、C、D等4个滑环，分别通过电刷连接相应的、频率等于FK的A、B、C3相电压馈送线和星形连接绕组中性点的接地线；其中，A、B、C相馈送的是相互相位相差120度的电压较高、电流较大的电压。因此，为了馈电可靠，一般采用均布的Z组电刷，例如Z＝2～3，而用于连接绕组中性点或者用于断路轴电压的D相的电刷则只有1组电刷甚至只有1个电刷，因为传统设计思想认为在理想的状况下，D相没有或只有不大的电压和电流。有的D相滑环还与发电机转子直接连接，目的是把转子感应的“轴电流”通过D相的滑环和电刷接地；而在用永磁励磁的发电机中可以没有A、B、C三相励磁电压和对应的电刷滑环，但一定有为了克服感应轴电流而设的D相(可以没有D代号)接地滑环和电刷；而在轨道交通领域中，则是通过安装在车轴上的滑环(可以直接使用车轴代替滑环)和电刷，将来自车外电力线经过受电弓、车上用电设备的电流回路接到车轴和车轮，进而通过与轨道接触的车轮，将电流引到连接供电地线的轨道。
实际运行过程中，由于发电机的转子与定子可能存在偏心，由于还可能存在其它异常，特别是励磁电压并非理想的正弦电压和电流，而是以PWM方式产生的电压和电流，因此，D相时常存在电压，特别是存在电流，其中包括绕组中性点的不平衡电流或感应产生的轴电流。而对于轨道交通而言，其接地电刷滑环则必然通过所有的电流。一旦发电机转子相对定子产生偶然的较大随机振动，就必然出现现有设计的D相滑环与D相唯一的电刷瞬间脱开，就会使D相的电刷滑环之间因发生拉弧而烧伤；继而该烧伤的滑环与电刷因为相对转动而发生相对转子转速频率FN的、周而复始的摩擦冲击，从而进一步激发转子产生较大的、周期性的振动；转子的该周期性的振动，又激励所有A、B、C、D相的滑环与其电刷相继瞬时脱开/接触而产生强大的冲击，危及风力发电机等的机械安全。而上述的机械故障引发电刷滑环出现瞬时断开时，还引起风力发电机励磁异常，发电频率或电压变化，被并网控制装置识别而令发电机对电网跳闸断开，直接导致风力发电机停止发电；或者引起轨道交通电力动车瞬时断电，最终造成运行事故。
此外，上述双馈发电机的电刷滑环及轨道交通接地电刷滑环不同于直流电机的换向器，换向器的滑环是由大量的、沿圆周分布的、相互绝缘的圆弧组成的，而双馈发电机和轨道交通接地的滑环则是整体的圆环。在经典的设计中，几乎都是采用软弹性的弹簧将电刷压在滑环上实现引电的。这是因为人们根据经典理论认为：如果烧伤的滑环或换向器与电刷接触摩擦产生的振动频率H*FN高，而电刷支撑系统设计得很软以致固有频率FS很低时，则电刷受滑环或换向器振动激励的电刷振动很小，可能具有更好的安全性和寿命(如图1所示)。为了说明激励振动与受迫振动的量值、频率和相位的关系，暂时假设滑环只激励电刷振动而不限制电刷振动的情况：
设电刷的(低)固有频率为FS＝10Hz，共振放大因子G＝10；转速1500r/min，滑环的振动频率为FN＝25Hz，可见电刷受滑环激励的振动增益是-14.39dB，即电刷的振动是滑环振动的0.1908倍。但是这种设计忽视了电刷相对滑环的振动相位特性：电刷的振动比滑环的振动滞后近180度，也就是说，在实际振动产生过程中，当滑环向着电刷运动时，电刷也正好向着滑环运动(如图2所示)。当振动峰值为1mm的滑环向电刷运动到原始临界位置(位移为0)时，电刷却试图撞入滑环11.88um，两者反向运动接触时必然发生碰撞冲击，显然该设计未能防范本专利技术将要解决的系统强烈冲击问题。事实上，质量相对小的电刷总是在受到滑环振动的强迫牵制和限制，在配合运转状态下，电刷的正向运动不能小于滑环的正向运动，不然，滑环就强迫它运动，但电刷的正向运动可以大于滑环的正向运动，就是在受到滑环撞击时可以弹跳；反之，电刷的反向运动不能超越滑环的反向运动，否则将受到滑环的阻挡，但可以滞后于滑环的运动与滑环分离。物理模型如图3所示。
图4是滑环振动与FS＝100Hz的电刷振动相互作用的力学模型仿真图。设电刷的共振频率为FS＝100Hz，谐振增益G＝10，开关SW1～SW3的开启门限为10n，关闭门限为0，目的在于取得正的振幅；开关SW4～SW6的开启门限为-10n，关闭门限为0，目的在于取得负的振幅；图示状态切入25Hz、1mm的正弦“滑环振动”；
SW1取出电刷的正运动，SW2取出滑环的正运动，用U2作比较：滑环的正运动减去电刷的正运动，若为正，则通过SW3取出该正运动，经过SW7、U4、SW9和U6(强迫放大100倍)，再经过U1加速驱动电刷运动，以便令电刷强迫向正方向运动，直至它与滑环同步(没有滞后)作正向运动；
SW4取出电刷的负运动，SW5取出滑环的负运动，用U3作比较：电刷的负运动减去滑环的负运动，若为负，则通过SW6取出该负运动，经U6反相，经过SW8、U4、SW9和U6(强迫放大)，再经过U1加速驱动电刷运动，以便令电刷强迫减小负方向运动，直至它与滑环同步(没有超前)作负向运动。
考察“F100G10电刷”振动、在滑环正向振动有大于电刷正向振动趋势时的“环驱动刷”冲击、在电刷负向振动有绝对值大于滑环负向绝对值振动趋势时的“环阻挡刷”冲击、以及电刷滑环之间的冲击“总冲击”如图5。
从图5-1可见：由于滑环的振动为-1mm～1mm的正弦运动，共振频率FS＝100Hz、谐振增益G＝10倍的电刷的负向运动没有小于-1mm，因为它受到滑环的阻挡；但电刷的正运动到1.08mm，因为滑环不能拉住它。这就证明电刷滑环在振动时出现了分离。如果滑环对应的电刷只有一个，则这种分离就必然导致断电、拉弧、和电刷滑环烧伤。这就是双馈发电机励磁组件的D相滑环发生故障的机理；这也就是必须在滑环圆周均布2个及以上电刷的原理。因为多个均布于滑环圆周的电刷与滑环的分离虽不可免，却是分时发生的，其中一个电刷与滑环分离时，还有其它与之并联的电刷与滑环接通，电路并没有截断，拉弧便无由发生，电刷滑环便不会因此烧伤。电刷滑环在接触时发生的再冲击，既有滑环驱动电刷的冲击，也有滑环阻挡电刷的冲击。图5-2的频谱分析证明，只有一个电刷时的这些冲击及其总冲击频谱的1阶频率，等于安装在转子上的滑环的(正弦)振动的频率FN。显然，如果滑环圆周存在S个均布的电刷，则总冲击的1阶频率便是S*FN。反之，若S个均布电刷组件的测点出现S*FN的冲击频谱，则说明滑环存在不圆度、故障或转子存在不平衡振动。可以作为电刷滑环将发生故障的最早预警信息，预示着终将引起单电刷的D相滑环损坏。
发明内容
本发明的目的：旨在解决风力发电机和轨道交通设备等多发电刷滑环故障的问题，提出一种含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环诊断装置，包括防止或降低电刷滑环故障的先进维修以及改进设计的方案，和针对设备现有电刷滑环故障的故障诊断装置以及故障机理诊断方法。
这种含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环故障诊断装置，
A、所述电刷滑环诊断装置含有：安装在固定电刷的机器外壳上的一个以上的振动冲击传感器1，或/和一个轴电压检测传感器3，与振动冲击传感器1及轴电压检测传感器3连接的、带有电刷滑环故障诊断软件的振动及共振解调故障诊断仪2；
B、由振动及共振解调故障诊断仪2的电刷滑环故障诊断软件对振动冲击传感器1获取的振动冲击或/和轴电压检测传感器3获取的信号进行分析，识别电刷滑环的故障；
C、所述振动及共振解调故障诊断仪2含有振动检测通道2-1、共振解调检测通道2-2和带有AD转换采集器及诊断软件的计算机2-3，其中的振动冲击传感器1或/和轴电压检测传感器3的检测信号接到振动检测通道2-1和共振解调检测通道2-2的输入端，振动检测通道2-1和共振解调检测通道2-2的输出振动和冲击信号接到带有AD转换采集器及诊断软件的计算机2-3的AD输入端，其所采集的信息由计算机的诊断软件进行故障诊断、故障机理分析，并最终做出对电刷滑环进行维修及改进设计的决策。
识别电刷滑环故障的诊断软件分析方法是：
A、对于只设有1套电刷滑环的机械，在全转速范围内，当转速频率为FN时，冲击的幅度IFD＜＝1500SV，冲击频率FC＝S*FN时，则诊断为含有均布的电刷数S；若S＝1，则诊断为只有一个电刷或只有一个方位设有电刷；诊断决策的维修设计方案是：沿滑环圆周增加均布的并联电刷数到3个及以上；
B、设额定转速频率FNM，低转速频率为FNL＜0.4*FNM，高转速频率为FNH＞0.6*FNM，低转速L下的等于转速频率FNL整倍数S的冲击幅度为IFDL(FNL，S)，高转速下的等于转速频率FNH整倍数S的冲击幅度为IFDH(FNH，S)时；如果全转速下的冲击幅度IFD不大于2000SV、高转速下的冲击幅度IFDH(FNH，S)＞低转速下的冲击幅度IFDL(FNL，S)、并且IFDH(FNH，S)/IFDL(FNL，S)＞(FNH/FNL)2，则诊断为：电刷压紧弹簧的刚度低、电刷系统的固有频率亦即共振频率FS小于高转速频率FNH；诊断决策维修设计方案是：增加电刷压紧弹簧的刚度，使其固有频率亦即共振频率FS大于转子的最高旋转频率FNH的1.5倍及以上；
C、对于已设有多套电刷滑环的机械，只要有某组电刷滑环含有S个或S组均布的电刷，冲击的频率FC＝S*FN时，则诊断为：滑环具有不圆度或转子的不平衡振动VIB大于1个重力加速度g；诊断决策维修设计方案是：对滑环修圆或对转子进行平衡修正；
D、当多套电刷滑环中有一个滑环对应的电刷数最小值SL＝1，而检测得到的冲击值达到IFD＞＝3000SV或振动加速度峰值达到VIB＞＝5g，并且冲击或振动频谱含有转速频率FN的X倍的突出频谱FT＝FN*X时，则诊断为：该单电刷的滑环存在X处基本均布的故障；诊断决策维修设计方案是：更换磨损的电刷，沿滑环圆周将并联电刷增加到均布3个及以上，并修圆已经损伤的滑环或更换滑环。
机理诊断时依据电刷滑环故障的波形和频谱规律做出诊断如下：
A、在检测发现机器外壳安装电刷处存在的强烈冲击频谱的1阶频率FC，等于滑环激振频率FJ之小于1的整数比值1/2、1/3、2/3、1/4、3/4……，也即FC＝FJ*整数比值为1/2、1/3、2/3、1/4、3/4……时，则诊断结论为：电刷弹簧疲劳后的刚度下降，其共振频率FS下降到小于激振频率FJ，诊断决策的维修设计方案为：更换用合格的弹簧或/和支架组件，使之满足电刷共振频率FS大于滑环激振频率FJ的1.5倍；
B、对于只有单个电刷的电刷滑环，即S＝1时，在机器外壳安装电刷处存在每个转子转动周期对应多个振动冲击波形，并且总冲击IFD＞2000SV或者总振动VIB＞3g时，则诊断为：滑环上存在与该振动冲击波形个数规律对应的故障数；
C、在每个转子转动周期中，在机器外壳安装电刷处存在多组电刷、或各组电刷沿滑环圆周规律分布、或各个电刷沿圆周分布规律一一对应的振动冲击波形，则诊断为滑环存在不圆度或不平衡振动；
D、滑环对应的基本均布电刷组数或电刷个数为S个，转速频率为FN，机器外壳安装电刷处存在的振动和冲击共振解调分析谱中突出的频谱F，若F＝S*FN，则诊断为滑环存在的不圆度或不平衡振动。
提高所有各滑环对应的电刷的阻尼以便使其谐振增益限制于G＝5～10，建议G＝7。
支持包括3相4线制的滑环A、B、C、D和对应的电刷在内的维修设计，所有电刷与其压紧弹簧组成的机械二阶系统的固有频率FS大于转子的最高旋转频率FNH的1.5倍及以上，或/和大于FN与滑环上的换向片数或故障数或最高激振源数H的乘积H*FN的1.5倍及以上。
所有各滑环对应的电刷沿滑环圆周基本均布3个及3个以上。
所述“电刷沿滑环圆周基本均布”，是在每组电刷只有单个电刷时，每个电刷按照滑环圆周基本均布。
所含检测电刷滑环故障的轴电压检测传感器3，含有连接在轴承座上的信号线3-1和连接在机器外壳的信号地线3-2，以及电阻器R12～R15，电容器C11，二极管SD1、二极管SD2和电源VDD、地线NGND，信号线3-1接到电阻器R12的一端，电阻器R12的另一端接到电阻器R13的一端和电容器C11的负端，电容器C11的正端接电阻器R15的一端和二极管SD1的负端，二极管SD2的正端和电阻器R15的另一端接电源VDD，电容器C11的正端还接到二极管SD2的负端，二极管SD2的正端接地线NGND，电阻器R12的另一端接地线NGND，信号地线3-2接到电阻器R13的一端，电阻器R13的另一端接到地线NGND，从电容器C11的正端输出对轴电压经过降压和直流电平移位的“轴电压脉冲”。
根据以上技术方案提出的这种含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环故障诊断装置，含有故障“机理诊断”方法所赋予的功能，还含有基于对被诊断对象的机理诊断，识别对象发生故障的原因或部位，不仅决策出对对象的维修方法，并在识别和调查对象的故障特征之机理的基础上识别现有对象的设计缺陷，提出对对象改进设计以降低其故障率的方法，既可以及时对故障进行故障机理诊断，同时也及时提出了维修和设计改进方案。显然它不仅为用户、设备管理者和设计者，也为防止危害风力发电机和轨道交通设备的安全提出了切实可行的技术支持。
附图说明
图1为低谐振频率FS＝10Hz电刷的孤立振动、相位频率特性分析示意图；
图2为低谐振频率FS＝10Hz电刷的受FN＝25Hz的滑环振动激励的孤立波形与相位分析示意图；
图3为电刷滑环振动分析模型示意图；
图4为滑环振动与FS＝100Hz电刷振动相互作用的力学模型仿真图；
图5-1为FS＝100Hz的电刷受25Hz滑环振动激励的响应波形示意图；
图5-2为FS＝100Hz的电刷受25Hz滑环振动激励的响应频谱示意图；
图5-3为电刷滑环的故障诊断装置结构示意图；
图5-4为诊断软件流程图之一；
图5-5为振动及共振解调故障诊断仪2的组成结构示意图；
图6为滑环振动与FS＝10Hz电刷振动相互作用的力学模型仿真图；
图7-1为FS＝10Hz谐振电刷受25Hz滑环振动激励的响应示意图；
图7-2为FS＝10Hz谐振电刷受25Hz滑环振动激励的响应频谱示意图；
图8-1为100HzG＝10电刷受75Hz滑环振动激励的响应示意图；
图8-2为100HzG＝100电刷受75Hz滑环振动激励的响应示意图；。
图8-3为诊断软件流程图之二；
图9-1为转频FN＝25Hz，单电刷共振频率降低到10Hz，总冲击出现三分之二转频12.5Hz频谱示意图；
图9-2为转频FN＝36Hz，单电刷共振频率降低到10Hz，总冲击出现二分之一转频18Hz频谱示意图；
图9-3为转频FN＝45Hz，单电刷共振频率降低到10Hz，总冲击出现二分之一转频22.5Hz频谱；
图9-4，转频FN＝50Hz，单电刷共振频率降低到10Hz，总冲击出现约三分之一转频16.5Hz频谱示意图；
图9-5为转频FN＝75Hz，单电刷共振频率降低到10Hz，总冲击出现四分之一转频18.75Hz频谱示意图；
图9-6为转频FN＝23Hz，单电刷共振频率降低到10Hz，总冲击出现四分之三转频18.75Hz频谱示意图；
图10-1为转频FN＝25Hz，滑环3基本均布故障，单电刷共振频率FS＝100Hz，电刷振动近似3组波，总冲击出现复杂波形示意图；
图10-2为滑环存在基本3处均布故障，振动3阶谱突出，冲击7阶谱突出示意图；。
图11-1为单电刷的振动与机器外壳总冲击示意图；
图11-2为3均布电刷的振动与机器外壳总冲击示意图；
图11-3为3均布电刷冲击与机器外壳总冲击的频谱示意图；
图12-1为AS19风机均布6电刷(缺1)的结构示意图示意图；
图12-2为6均布电刷(缺1)的冲击频频谱为6FN频谱图示意图；
图12-3为6均布电刷(缺1)的冲击频频谱为6FN频谱图；
图13为轴电压检测示意图；
图14-1为轴电压检测传感器电路图；
图14-2为轴电压检测信号。
标号说明：a为AS19风机的定子；b为AS19风机的滑环；c-1、c-2、c-3、c-4、c-5和c-6为AS19风机的电刷，其中c-6的电刷缺少。
具体实施方式：
下面结合实施例的分析进一步阐述本发明。
如附图5-3所示的一种含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环诊断装置包括防止或降低电刷滑环故障的先进维修以及改进设计方案和对设备现有电刷滑环故障进行诊断的故障诊断装置及故障机理诊断方法。
所述的电刷滑环的故障诊断装置，含有安装在固定电刷的机器外壳上的一个以上的振动冲击传感器1，或/和一个轴电压检测传感器3，与振动冲击传感器1及轴电压检测传感器3连接的、带有电刷滑环故障诊断软件的振动及共振解调故障诊断仪2。
由振动及共振解调故障诊断仪2的电刷滑环故障诊断软件对振动冲击信号或/和轴电压检测传感器3获取的信号进行分析，识别电刷滑环的故障，如附图5-3；
所述振动及共振解调故障诊断仪2，含有振动检测通道2-1、共振解调检测通道2-2和带有AD转换采集器及诊断软件的计算机2-3，振动冲击传感器1或/和一个轴电压检测传感器3的检测信号接到振动检测通道2-1和共振解调检测通道2-2的输入端，振动检测通道2-1和共振解调检测通道2-2的输出信号接到带有AD转换采集器及诊断软件的计算机2-3的AD输入端，其所采集的信息由计算机的诊断软件进行故障诊断、故障机理分析，并最终做出对电刷滑环进行先进维修及改进设计的决策，如附图5-5。
如果诊断发现电刷滑环的故障，则按照下列方法对电刷滑环进行维修、设计。
A、对于只设有1套电刷滑环的机械，在全转速范围内，当转速频率为FN时，冲击的幅度IFD＜＝1500SV，冲击频率FC＝S*FN时，则诊断为含有均布的电刷数S；若S＝1，则诊断为只有一个电刷或只有一个方位设有电刷；诊断决策的维修设计方案是沿滑环圆周增加均布的并联电刷数到3个及以上。
B、设额定转速频率FNM，低转速频率为FNL＜0.4*FNM，高转速频率为FNH＞0.6*FNM，低转速L下的等于转速频率FNL整倍数S的冲击幅度为IFDL(FNL，S)，高转速下的等于转速频率FNH整倍数S的冲击幅度为IFDH(FNH，S)；如果全转速下的冲击幅度IFD不大于2000SV、高转速下的冲击幅度IFDH(FNH，S)＞低转速下的冲击幅度IFDL(FNL，S)、并且IFDH(FNH，S)/IFDL(FNL，S)＞(FNH/FNL)2，则诊断为电刷压紧弹簧的刚度低、电刷系统的固有频率亦即共振频率FS小于高转速频率FNH；诊断决策维修设计方案是增加电刷压紧弹簧的刚度，使其固有频率亦即共振频率FS大于转子的最高旋转频率FNH的1.5倍及以上。
C、对于已设有多套电刷滑环的机械，只要有某组电刷滑环含有S个或S组均布的电刷，冲击的频率FC＝S*FN时，则诊断为滑环具有不圆度或转子的不平衡振动VIB大于1个重力加速度g；诊断决策维修设计方案是对滑环修圆或对转子进行平衡修正。
D、如果多套电刷滑环中有一个滑环对应的电刷数最小值SL＝1，而检测得到的冲击值达到IFD＞＝3000SV或振动加速度峰值达到VIB＞＝5g，并且冲击或振动频谱含有转速频率FN的X倍的突出频谱FT＝FN*X时，则诊断为该单电刷的滑环存在X处基本均布的故障；诊断决策维修设计方案是更换磨损的电刷，沿滑环圆周将并联电刷增加到均布3个及以上，并修圆已经损伤的滑环或更换滑环。其诊断软件流程图如图5-4。
一种含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环故障诊断装置支持包括3相4线制的滑环A、B、C、D和对应的电刷在内的维修、设计，所有电刷与其压紧弹簧组成的机械二阶系统的固有频率FS大于转子的最高旋转频率FNH的1.5倍及以上或/和大于FN与滑环上的换向片数或故障数或最高激振源数H的乘积H*FN的1.5倍及以上。例如转轴含有柔性联轴器的爪数为H，则转轴的激振源频率为H*FN；例如滑环含有H处均布故障，则转轴的激振源频率也为H*FN；例如滑环含有H片均布换向器，则转轴的激振源频率也为H*FN。
根据一种含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环故障诊断装置所有各滑环对应的电刷沿滑环圆周基本均布3个及3个以上。即每个滑环对应的、基本均布的并联电刷数量不得少于3个，最好采用3个以上。
一种含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环故障诊断装置所谓“电刷沿滑环圆周基本均布”，是在每组电刷只有单个电刷时，每个电刷按照滑环圆周基本均布，例如有S个电刷，则它们相互的中心间距为360°/S加减0％～10％；例如有S组电刷而每组电刷有2个并联电刷时，则每组电刷的中心间距为360°/S加减0％～10％。
实施例1：
本技术方案将电刷的共振频率FS设计为大于滑环的最高激振频率FNH。如果反之，则引起强烈的冲击。仿真分析如下：
如图6是分析滑环振动与FS＝10Hz电刷振动相互作用的力学模型仿真图，与图4的差别主要在于将电刷的谐振频率有100Hz改为10Hz，用“F10G10电刷”取代“F100G10电刷”。所描述的电刷的共振频率为FS＝10Hz，谐振增益G＝10，滑环对于电刷的强迫作用为1mm。开关SW1～SW3的开启量为10n，关闭量为0；开关SW4～SW6的开启量为-10n，关闭量为0；图示状态为25Hz1mm的滑环正弦振动，考察F10G10滑环的振动、在滑环正向振动有大于电刷正向振动趋势时的“环驱动刷”冲击、在滑环负向振动有大于电刷负向振动趋势时的“环阻挡刷”冲击、以及电刷滑环之间的冲击“总冲击”。
仿真结果表明：谐振频率FS＝10Hz、谐振放大因子G＝10的电刷，受到频率FN＝25Hz幅度为1mm的滑环正弦振动激励，电刷与滑环的振动反相，电刷最大的正振幅达到2.84mm，发生在滑环负向振动最大振幅-1mm时，电刷与滑环分离的最大距离为3.84mm；电刷反向振动的最小振幅0.741mm，发生在滑环最大正向振幅1mm时，电刷受到滑环的撞击，撞击运动幅度0.246mm。电刷的振动基本频率等于滑环的激振频率FN。在滑环转动一周时，电刷长时间脱离滑环，并在接触时产生0.246mm的强烈冲击。
图4、图5的滑环振动为-1mm～1mm的正弦运动，电刷共振频率FS＝100Hz、谐振增益G＝10倍的情况：负向运动没有小于-1mm；但电刷的正运动到1.08mm，电刷与滑环分离的最大距离为0.08mm；电刷的振动是近似简谐振动，基本频率等于滑环的激振频率FN。在滑环转动一周时，电刷将1次脱离滑环，并在接触时产生6.34um的微小过冲冲击。
电刷谐振频率FS＝100Hz与电刷谐振频率FS＝10Hz两个方案的效果比较如下：
表1，电刷谐振频率FS＝100Hz与电刷谐振频率FS＝10Hz的效果比较
| 电刷谐频Hz | 10 | 100 | 高谐频电刷/低谐频电刷 | 说明 |
| 最大正向振幅um | 2840 | 1080 | 0.38 | 无意义 |
| 正向分离距离um | 3840 | 80 | 0.02 | 有意义 |
| 最大反向振幅um | 741 | -11000000 | 无意义 | |
| 反向分离\变形um | 246 | 0 | 0 | 有意义 |
| 总冲击幅度um | 246 | 6.34 | 0.026 | 有意义 |
上表的比较结果表明：选用高谐振频率电刷的方案明显优于选用低谐振频率电刷的方案；但即使选用高谐振频率电刷的方案，也不能在滑环存在振动的条件下保证电刷与滑环的接触时间达到100％，也就是说，在电刷滑环接触面法向振动大的条件下，使用单一电刷的引电方式是不可靠的。至少应当使用均布的2个电刷；根据下述的分析，最好使用均布的3个及以上的电刷。
根据一种含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环故障诊断装置所有各滑环对应的电刷应设计为较高的阻尼以便使其谐振增益限制于G＝5～10，建议值为G＝7。
图8-1是使用谐振增益为G＝10、谐振频率FS＝100Hz的电刷受到滑环FN＝75Hz振动激励时的仿真，图8-2是使用谐振增益为G＝100、谐振频率FS＝100Hz的电刷受到滑环FN＝75Hz振动激励时的仿真。
表2，谐振频率FS＝100Hz但不同放大增益的电刷滑环的振动冲击比较
| 电刷谐振增益(倍) | 100 | 10 | 高增益法/低增益法 | 说明 |
| 最大正向振幅um | 1880 | 1620 | 1.16 | ＞1mm，分离 |
| 正向分离距离um | 880 | 620 | 1.42 | |
| 最大反向振幅um | -946 | -964 | ＞-1mm，分离 | |
| 反相分离距离um | 54 | 36 | 1.50 | |
| 总冲击峰值幅度um | 71.64 | 60.62 | 1.18 | |
| 总冲击平均值um | 3.221 | 3.103 | 1.04 |
仿真结果表明：
特别在滑环及振动频率虽然小于但接近电刷共振频率时，高品质因素、高谐振增益的电刷不如上述指标低的电刷，如表2。因为每个电刷在滑环振动的正负峰值时都发生与滑环的分离，证明滑环只用2个均布的电刷时不能够克服滑环与这2个并联的电刷组的分离现象。为了保障可靠引电，消除拉弧损伤，必须均布3个及以上的并联电刷。
谐振品质太高如G＝100的电刷，与谐振品质低如G＝10的电刷比较，各项减小振动和冲击的指标都变坏。这是因为谐振品质高的电刷振动阻尼太小，一旦受到冲激就发生过冲振动。这里的谐振品质的限制，主要应通过增加弹簧材料内阻尼实现，和辅以电刷与其导向定位装置的摩擦来实现。但因为运动不灵活的电刷是不利于跟踪滑环振动实现良好引电的，因此，不能主要依靠电刷与其导向定位装置的摩擦来实现。
每个滑环使用多个并联电刷有利于克服滑环大振动状况下引电失效的理由在于，因为滑环的振动，例如正弦振动，实际是滑环的中心作圆周运动的表现，在各个方向的正弦振动不是同相的，而是存在与电刷分布的方向角相同的相位差的。均布安装的每一个电刷受滑环振动引起的分离时机和方向也按电刷方向分时出现而不失同时出现，以致并联的电刷组则始终没有与滑环分离，保障了可靠引电。
对于现有不符合上述要求而发生故障的电刷滑环进行维修的方法是，按照上述要求，增加电刷的数量(例如D相原来只有1个电刷的)到按照滑环圆周基本均布的3个或3个以上；更改压紧弹簧的刚度K，例如使用恒压电刷，使其与电刷的组合质量M组成的机械二阶系统的固有频率FS，提高到符合上述要求的大于滑环的最高激振频率的1.5倍以上；增加弹簧-电刷的阻尼，使谐振增益上升到5～10倍以内。
所述一种电刷滑环的设计、维修及故障诊断装置，识别电刷滑环故障的分析方法是，在电机轴承座上安装振动冲击传感器1，将所获得的信号送到基于振动和共振解调检测技术的共振解调检测仪2进行振动与共振解调分析，由其波形和频谱规律根据故障机理做出诊断：
A、如果检测发现机器外壳安装电刷处存在的强烈冲击频谱的1阶频率FC，等于滑环激振频率FJ之小于1的整数比值1/2、1/3、2/3、1/4、3/4……，即FC＝FJ*整数比值为1/2、1/3、2/3、1/4、3/4……时，则诊断结论为电刷弹簧疲劳后的刚度下降，其共振频率FS下降到小于激振频率FJ，诊断决策的维修设计方案为更换为合格的弹簧或和支架组件，满足电刷共振频率FS大于滑环激振频率FJ的1.5倍。
B、对于只有单个电刷的电刷滑环，即S＝1，若机器外壳安装电刷处存在每个转子转动周期对应多个振动冲击波形，并且总冲击IFD＞2000SV或者总振动VIB＞3g，则诊断为滑环上存在与该振动冲击波形个数规律对应的故障数。
C、在每个转子转动周期中，若机器外壳安装电刷处存多组电刷的各组电刷沿滑环圆周分布规律或各个电刷沿圆周分布规律一一对应的振动冲击波形，则诊断为滑环存在不圆度或不平衡振动；
D、滑环对应的基本均布电刷组数或电刷个数为S个，转速频率为FN，机器外壳安装电刷处存在的振动和冲击共振解调分析谱中突出的频谱F，若F＝S*FN，则诊断为滑环存在的不圆度或不平衡振动。
例如A，转速频率为FN＝25Hz、36Hz、45Hz、50Hz、75Hz、23Hz，单电刷的共振频率下降到FS＝10Hz，电刷共振放大因数G＝10，检测得到的频谱分别出现转速频率的2/3、1/2、1/2、1/3、1/4、3/4的频谱。如图9所示。
例如B，对于只有单个电刷的电刷滑环，滑环转速频率为FN＝25Hz，单电刷的共振频率下降到FS＝10Hz，电刷共振放大因数G＝10；由于滑环上存在多个并不均布的故障引起滑环与电刷接触面振动，它们与单个电刷冲击引起电刷振动和总冲击，则引起机器外壳安装电刷处存在与转子转动周期以及电刷圆周故障对应的振动冲击波形，表明滑环上存在与该振动冲击波形规律对应的故障。但是，由于既有滑环故障与电刷的冲击，有激发电刷共振后与滑环的冲击，因此冲击波形复杂化；特别是由于滑环故障并非均布，因此冲击波形也不均布，其频谱虽然按照“多个同类故障的归类准则”具有与滑环转速频率相等的频谱及其高阶谱，但其最突出的高阶谱频率未必等于转速频率与故障数的乘积。由于这个特点，使得通过冲击频谱各阶幅度分布规律查找故障原因变得捉摸不定和缺乏一一对应的关系，但振动频谱、波形与故障分布则有较为确定的、一一对应的关系。
例如C，对于拥有多个电刷的电刷滑环，若机器外壳安装电刷处存在与转子转动周期及多组电刷的各组电刷沿滑环圆周分布规律或各个电刷沿圆周分布规律一一对应的振动冲击波形，则表明滑环存在不圆度或不平衡振动；
例如D，当某个滑环对应的多电刷基本均布时，滑环存在的不圆度或不平衡引起的振动和冲击共振解调分析谱中有突出的等于基本均布电刷组数倍或电刷个数倍于转速频率FN的突出频谱。
图11-1是在滑环存在不平衡正弦振动，只有1个电刷时的电刷安装机器外壳的振动冲击。图11-2、图11-3则是在滑环存在不平衡正弦振动，但有3个按照120度均布的电刷时的电刷安装机器外壳的振动冲击及其频谱。可见：总的冲击的基本频率3倍于1个电刷冲击的基本频率。
对滑环故障直接激发的振动冲击与滑环正弦振动跟多电刷作用的振动冲击相比较，可以发现：
如果仅仅有与电刷分布规律对应的振动冲击波形、频谱而幅度相对小，则是滑环存在不圆度或转子不平衡振动的表现；如果存在强烈的不与电刷分布规律对应的振动冲击波形和频谱，则是滑环存在损伤的表现；
滑环的损伤基本只有集中在单电刷对应的滑环上的可能性。
滑环和电刷的损伤能够引起滑环和轴的相应振动；它们通过多电刷与其对应的滑环的冲击将引起更复杂的冲击。
实施例2：均布电刷与无故障滑环在滑环1阶振动频率FN激励下发生等于电刷数量S＝6倍频的冲击
图12-1是AS19风力发电机的电刷分布结构示意图。已知该电刷滑环尚未发生故障。根据本专利技术的故障诊断方法推测，该电刷应当存在转速频率FN的S阶突出冲击谱。用根据本专利技术制造的带有电刷滑环故障诊断软件的振动及共振解调故障诊断仪2检测，发现如下：
得到的数据及分析得到的谱图之一如图12-2，在一个转动周期中的冲击脉冲为6簇。图中突出的谱线频率FS＝101.22Hz，图中转速1010r/min，转速频率FN＝1010/60＝16.8333Hz，其S＝6倍频率S*FN＝6FN＝101Hz，与FS＝101.22Hz吻合。还存在3FN的谱线，表征电刷分布为3组；
得到的数据及分析得到的谱图之二如图12-3，在一个转动周期中的冲击脉冲为6簇。图中突出的谱线频率FS＝92.53Hz，图中转速935r/min，转速频率FN＝935/60＝15.5833Hz，其S＝6倍频率S*FN＝6FN＝93.5Hz，与FS＝92.53Hz吻合，误差是测量引起的。还存在3FN的谱线，表征电刷分布为3组。
虽然6个均布电刷缺第6个，但与之轴对称的第3个电刷在轴振动正负两个半波的两次冲击，弥补了没有第6个电刷(冲击)的波形。
实施例3：
本方案的一种检测电刷滑环故障的轴电压检测传感器3，是一种检测滑环所在轴的绝缘轴承座上出现的相对电刷所接机器外壳的“轴电压脉冲信号检测传感器”，其特征是含有连接在轴承座上的信号线3-1和连接在机器外壳的地线3-2，如图13的“轴电压检测示意图”，以及电阻器R12～R15，电容器C11，二极管SD1、SD2和电源VDD、地线NGND，信号线3-1接到电阻器R12的一端，R12的另一端接到电阻器R13的一端和C11的负端，C11的正端接电阻器R15的一端和二极管SD1的负端，SD2的正端和电阻器R15的另一端接电源VDD，C11的正端还接到二极管SD2的负端，SD2的正端接地线NGND，电阻器R12的另一端接地线NGND，信号地线3-2接到电阻器R13的一端，电阻器R13的另一端接到地线NGND，从电容器C11的正端输出对轴电压经过降压和直流电平移位的“轴电压脉冲”，如附图14-1的轴电压检测传感器电路图；该轴电压检测传感器3电路与后续的故障诊断仪2电路的输入电阻R2+R3继续分压和作直流电平移动和处理，从后续仪器的“仪器前置”端输出信号到故障诊断仪2，按照1g/100mv振动等效和10SV/1mv的冲击等效，以处理振动冲击信号的相同方式，分析处理本传感器的“轴电压脉冲”信号。
当发电机的接地电刷滑环因为故障而断路时，绝缘轴承座对机器外壳出现未被短路的轴电压，本轴电压检测传感器3则检测该电压并输出轴电压脉冲信号到故障诊断仪2，由相应软件实现故障诊断和发出维修建议。
图14-1所示的“轴电压检测传感器电路图”具体电路，把滑环因电刷瞬时与滑环接触不良而开路时出现的40VPP电压衰减到1/10，即约4VPP，并移位到直流电平5V上，如图14-2的轴电压检测信号。
Claims (8)
1.一种含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环故障诊断装置，其特征在于：
A、所述电刷滑环故障诊断装置含有：安装在固定电刷的机器外壳上的一个以上的振动冲击传感器(1)，或/和一个轴电压检测传感器(3)，与振动冲击传感器(1)及轴电压检测传感器(3)连接的、带有电刷滑环故障诊断软件的振动及共振解调故障诊断仪(2)；
B、由振动及共振解调故障诊断仪(2)的电刷滑环故障诊断软件对振动冲击传感器(1)获取的振动冲击或/和轴电压检测传感器(3)获取的信号进行分析，识别电刷滑环的故障；
C、所述振动及共振解调故障诊断仪(2)含有振动检测通道(2-1)、共振解调检测通道(2-2)和带有AD转换采集器及诊断软件的计算机(2-3)，其中的振动冲击传感器(1)或/和轴电压检测传感器(3)的检测信号接到振动检测通道(2-1)和共振解调检测通道(2-2)的输入端，振动检测通道(2-1)和共振解调检测通道(2-2)的输出振动和冲击信号接到带有AD转换采集器及诊断软件的计算机(2-3)的AD输入端，其所采集的信息由计算机的诊断软件进行故障诊断、故障机理分析，并最终做出对电刷滑环进行维修及改进设计的决策。
2.根据权利要求1所述的含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环故障诊断装置，其特征在于：识别电刷滑环故障的诊断软件分析方法是：
A、对于只设有1套电刷滑环的机械，在全转速范围内，当转速频率为FN时，冲击的幅度IFD＜＝1500SV，冲击频率FC＝S*FN时，则诊断为含有均布的电刷数S；若S＝1，则诊断为只有一个电刷或只有一个方位设有电刷；诊断决策的维修设计方案是：沿滑环圆周增加均布的并联电刷数到3个及以上；
B、设额定转速频率FNM，低转速频率为FNL＜0.4*FNM，高转速频率为FNH＞0.6*FNM，低转速L下的等于转速频率FNL整倍数S的冲击幅度为IFDL(FNL，S)，高转速下的等于转速频率FNH整倍数S的冲击幅度为IFDH(FNH，S)时；如果全转速下的冲击幅度IFD不大于2000SV、高转速下的冲击幅度IFDH(FNH，S)＞低转速下的冲击幅度IFDL(FNL，S)、并且IFDH(FNH，S)/IFDL(FNL，S)＞(FNH/FNL)2，则诊断为：电刷压紧弹簧的刚度低、电刷系统的固有频率亦即共振频率FS小于高转速频率FNH；诊断决策维修设计方案是：增加电刷压紧弹簧的刚度，使其固有频率亦即共振频率FS大于转子的最高旋转频率FNH的1.5倍及以上；
C、对于已设有多套电刷滑环的机械，只要有某组电刷滑环含有S个或S组均布的电刷，冲击的频率FC＝S*FN时，则诊断为：滑环具有不圆度或转子的不平衡振动VIB大于1个重力加速度g；诊断决策维修设计方案是：对滑环修圆或对转子进行平衡修正；
D、当多套电刷滑环中有一个滑环对应的电刷数最小值SL＝1，而检测得到的冲击值达到IFD＞＝3000SV或振动加速度峰值达到VIB＞＝5g，并且冲击或振动频谱含有转速频率FN的X倍的突出频谱FT＝FN*X时，则诊断为：该单电刷的滑环存在X处基本均布的故障；诊断决策维修设计方案是：更换磨损的电刷，沿滑环圆周将并联电刷增加到均布3个及以上，并修圆已经损伤的滑环或更换滑环。
3.根据权利要求1的含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环故障诊断装置，其特征在于：机理诊断时依据电刷滑环故障的波形和频谱规律做出诊断如下：
A、在检测发现机器外壳安装电刷处存在的强烈冲击频谱的1阶频率FC，等于滑环激振频率FJ之小于1的整数比值1/2、1/3、2/3、1/4、3/4……，也即FC＝FJ*整数比值为1/2、1/3、2/3、1/4、3/4……时，则诊断结论为：电刷弹簧疲劳后的刚度下降，其共振频率FS下降到小于激振频率FJ，诊断决策的维修设计方案为：更换用合格的弹簧或/和支架组件，使之满足电刷共振频率FS大于滑环激振频率FJ的1.5倍；
B、对于只有单个电刷的电刷滑环，即S＝1时，在机器外壳安装电刷处存在每个转子转动周期对应多个振动冲击波形，并且总冲击IFD＞2000SV或者总振动VIB＞3g时，则诊断为：滑环上存在与该振动冲击波形个数规律对应的故障数；
C、在每个转子转动周期中，在机器外壳安装电刷处存在多组电刷、或各组电刷沿滑环圆周规律分布、或各个电刷沿圆周分布规律一一对应的振动冲击波形，则诊断为滑环存在不圆度或不平衡振动；
D、滑环对应的基本均布电刷组数或电刷个数为S个，转速频率为FN，机器外壳安装电刷处存在的振动和冲击共振解调分析谱中突出的频谱F，若F＝S*FN，则诊断为滑环存在的不圆度或不平衡振动。
4.根据权利要求2或3所述的含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环故障诊断装置，其特征在于：提高所有各滑环对应的电刷的阻尼以便使其谐振增益限制于G＝5～10。
5.根据权利要求2或3所述的含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环故障诊断装置，其特征在于：支持包括3相4线制的滑环A、B、C、D和对应的电刷在内的维修设计，所有电刷与其压紧弹簧组成的机械二阶系统的固有频率FS大于转子的最高旋转频率FNH的1.5倍及以上，或/和大于FN与滑环上的换向片数或故障数或最高激振源数H的乘积H*FN的1.5倍及以上。
6.根据权利要求2或3所述的含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环故障诊断装置，其特征在于：所有各滑环对应的电刷沿滑环圆周基本均布3个及3个以上。
7.根据权利要求6所述的含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环故障诊断装置，其特征在于：所述“电刷沿滑环圆周基本均布”，是在每组电刷只有单个电刷时，每个电刷按照滑环圆周基本均布。
8.根据权利要求1所述的含故障机理诊断和维修设计方法的电刷滑环故障诊断装置，其特征在于：所含检测电刷滑环故障的轴电压检测传感器(3)，含有连接在轴承座上的信号线3-1和连接在机器外壳的信号地线3-2，以及电阻器R12、电阻器R13、电阻器R14、电阻器R15，电容器C11，二极管SD1、二极管SD2和电源VDD、地线NGND，信号线3-1接到电阻器R12的一端，电阻器R12的另一端接到电阻器R13的一端和电容器C11的负端，电容器C11的正端接电阻器R15的一端和二极管SD1的负端，二极管SD2的正端和电阻器R15的另一端接电源VDD，电容器C11的正端还接到二极管SD2的负端，二极管SD2的正端接地线NGND，电阻器R12的另一端接地线NGND，信号地线3-2接到电阻器R13的一端，电阻器R13的另一端接到地线NGND，从电容器C11的正端输出对轴电压经过降压和直流电平移位的“轴电压脉冲”。
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