偏航減速器損壞原因分析及預(yù)防

【摘要】風(fēng)力發(fā)電機組在運行過程中，需要不斷調(diào)整機艙角度，使機組正確對風(fēng)，保證葉輪垂直于來流風(fēng)向以獲得更高風(fēng)能，從而得到最優(yōu)的發(fā)電功率。偏航系統(tǒng)就是執(zhí)行這一任務(wù)的主要組件，為避免風(fēng)力發(fā)電機組在偏航過程中因載荷變化造成偏航振蕩，同時為避免因偏航系統(tǒng)載荷方向、大小突變導(dǎo)致機艙不受控地旋轉(zhuǎn)加速，因此在偏航過程中需要為偏航系統(tǒng)施加合適的偏航阻尼，保障整個偏航過程的安全性和平穩(wěn)性。若偏航阻尼過小、偏航電機電磁制動失效，將引發(fā)一系列問題。本文將重點從偏航時余壓、偏航電機的電磁制動等幾方面論述偏航減速器損壞的原因?！娟P(guān)鍵字】偏航減速器電磁剎車偏航余壓損壞原因分析預(yù)防１.偏航系統(tǒng)、偏航控制原理介紹1.1液壓阻尼偏航系統(tǒng)液壓阻尼式偏航系統(tǒng)主要包括偏航驅(qū)動（含偏航電機和偏航減速齒輪箱）、偏航軸承、偏航剎車盤、偏航制動器、液壓管道、潤滑系統(tǒng)、偏航編碼器、扭纜保護裝置、風(fēng)速儀風(fēng)向標(biāo)及偏航控制單元等。液壓阻尼式偏航形式采用一部分偏航制動器以額定力矩固定在偏航齒圈盤上，另一部分可由液壓單元控制夾緊或釋放偏航制動器。需要偏航動作時，液壓管路釋放一定壓力并保壓運行，機艙可在偏航電機的驅(qū)動力下進行額定轉(zhuǎn)速偏航；不需要偏航時，液壓管道加壓使偏航制動器與齒圈盤夾緊，從而與偏航電機電磁剎車共同實現(xiàn)機組制動效果。1.2偏航控制原理由圖2可知：當(dāng)機組的風(fēng)速、風(fēng)向傳感器將信號傳輸至主控制器，主控制器通過內(nèi)部控制邏輯，判斷偏航的方向和角度，并控制軟啟動器和調(diào)相接觸器控制偏航電機驅(qū)動偏航系統(tǒng)動作，通過液壓式剎車部分投入的方式提供阻尼（偏航余壓）。機艙在偏航過程中，無論其驅(qū)動系統(tǒng)是否出力，偏航制動盤始終存在摩擦阻尼，最終讓機艙平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)達(dá)到對風(fēng)目的。當(dāng)對風(fēng)結(jié)束以后，偏航電機停止工作，液壓剎車完全投入，偏航過程結(jié)束。2.偏航減速器損壞分析隨著時間的推移，大量的風(fēng)電機組進入十年疲勞期，陸陸續(xù)續(xù)出現(xiàn)機械構(gòu)件的批量損壞情況，此論文以偏航減速器為例，進行闡述、分析。某風(fēng)電場運行的過程中，風(fēng)力發(fā)電機組頻繁發(fā)生偏航減速器斷齒損壞、偏航電機損壞等情況，如下圖3、圖4和圖5。通過圖4、圖5和圖6現(xiàn)場設(shè)備的照片，不難發(fā)現(xiàn)該減速器已嚴(yán)重打齒、磨損，不能繼續(xù)使用，需更換。2.1偏航控制邏輯分析風(fēng)電機組偏航動作控制邏輯分析：偏航啟動邏輯：主控檢測風(fēng)向，判斷對風(fēng)角度，當(dāng)風(fēng)向滿足偏航要求時，發(fā)出偏航指令，此時偏航電機電磁剎車打開、偏航半泄壓打開，15s后偏航接觸器（334K1或334K2）得電、主控給軟啟輸出使能信號，1.5s后主控給軟啟啟動信號，此后7.5s內(nèi)軟啟進入斜坡啟動階段（偏航電機軟啟動），之后軟啟進入旁路狀態(tài)（偏航電機全壓啟動）。偏航停止邏輯：當(dāng)風(fēng)向滿足要求時，發(fā)出偏航停止指令，此時偏航接觸器（334K1或334K2）失電、軟啟使能信號失電、軟啟啟動信號失電，2s后偏航電機電磁剎車失電（抱閘）、偏航半泄閥關(guān)閉。如圖6所示：風(fēng)電場對偏航動作過程數(shù)據(jù)進行分析，采集偏航軟啟使能信號、偏航軟啟啟動信號、偏航位置信號、以及液壓站偏航半泄壓力值等數(shù)據(jù)，具體故障數(shù)據(jù)分析如下（分偏航余壓滿足要求與不滿足要求兩種情況）：當(dāng)偏航余壓（20bar）滿足設(shè)計要求時，根據(jù)圖7可以看出機組在并網(wǎng)運行過程中控制器發(fā)出偏航指令，電磁剎車打開且液壓站泄壓，但是由圖8可以看出偏航電機沒有動作之前，機艙位置幾乎無變化，保持在280°左右，偏航軟啟EN（使能）信號以及偏航軟啟啟動信號，機艙位置開始變化，機組對風(fēng)。當(dāng)偏航余壓（5bar）不滿足設(shè)計要求時，根據(jù)圖9可以看出機組在并網(wǎng)運行過程中控制器發(fā)出偏航指令，電磁剎車打開且液壓站泄壓，但是由圖10可以看出偏航電機沒有動作之前，機艙位置已經(jīng)“滑動”26°，即偏航誤差在原基礎(chǔ)上增加26°，當(dāng)偏航電機通電后，此偏航電機先減速運行，之后出現(xiàn)約2s的堵轉(zhuǎn)，然后電機驅(qū)動偏航減速器運轉(zhuǎn)，直至到額定轉(zhuǎn)速繼續(xù)對風(fēng)，前后機組工作115s，偏航時間比正常多30s。2.2偏航制動器余壓以目前風(fēng)電場采用的偏航制動器（TAC-WIND90-S-401）為例，對于整組制動器其主要參數(shù)如表1所示：制動器型號90-S-401活塞面積A（cm2）127摩擦系數(shù)（μ）0.4工作壓力P（bar）（額定）150夾緊力（N）=工作壓力×10×活塞面積190,500制動力（N）=2×μ×夾緊力152，400根據(jù)相應(yīng)參數(shù)，當(dāng)風(fēng)電機組實際壓力為135-150bar時，取150bar計算。制動力矩：MB=N*制動力*{(Φ-0.1）/2)}=10*152.4*1.1=167.64KN·m（N=制動器數(shù)量，Φ=制動盤直徑）。當(dāng)偏航時，偏航余壓20bar為例：制定力矩為22.352KN·m；偏航余壓過小時，偏航余壓為5bar為例，制定力矩僅為5.588KN·m。通過現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)對比與理論計算分析，不難判斷，當(dāng)偏航余壓小于5bar時將導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機機組的偏航外載扭矩遠(yuǎn)大于制動力矩，出現(xiàn)打滑現(xiàn)象且比較嚴(yán)重，這種情況會加劇風(fēng)力發(fā)電機偏航振動和產(chǎn)生噪聲，嚴(yán)重時會在特定外載條件下，使偏航減速器超出設(shè)計耐受極限而使減速機斷齒，或使偏航電機超載燒毀。2.3偏航電機電磁剎車偏航剎車力矩的選定以風(fēng)機不允許偏航時，能夠利用偏航剎車與偏航電機把機艙固定住為設(shè)計原則。選定的剎車鉗的剎車扭矩加上偏航電機提供的電磁剎車的扭矩需大于正常發(fā)電的時的偏航扭矩。風(fēng)電場風(fēng)機所用制動器為液壓鉗閘式制動器，偏航電機尾部電磁剎車制動力矩為46N·m。主要參數(shù)如表2所示：偏航電機數(shù)量4個電磁剎車力矩46N·m傳動比1113偏航小齒輪數(shù)14個偏航大齒輪數(shù)138個4個偏航電磁剎車力矩折算到偏航軸承上扭矩為：4×46×1113×138/14=2018.646KN·m，風(fēng)電場機組運行3-5年后，偏航電機的電磁剎車失效較為嚴(yán)重，現(xiàn)實情況下風(fēng)電場發(fā)現(xiàn)多臺機組的偏航電機電磁剎車失效，普遍每臺機組失效2-4個。失效原因分析：因電氣系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)功能試驗的響應(yīng)時間有一定差別，如同時發(fā)出指令，電機尾部的電磁剎車首先實現(xiàn)制動功能，而剎車卡鉗受液壓系統(tǒng)建壓時間影響，尤其運行時間較長的機組，液壓站建壓時間過長，導(dǎo)致機艙偏航時的動能并未完全衰減，偏航電機電磁剎車超過允許的滑動值，長時間運行后偏航電機的電磁剎車快速失效，由于偏航電磁剎車失效，偏航結(jié)束時機艙由于受偏航外載荷影響（慣性動能），會再次出現(xiàn)“打滑”偏航減速器勢必也會出現(xiàn)損傷，同時也縮短偏航剎車片的使用壽命。風(fēng)力發(fā)電機組使用4臺偏航電機，當(dāng)一臺偏航電機的電磁制動的制動能力喪失，偏航軸承處的總制動力矩值為其余三臺偏航電機電磁剎車制動力矩與偏航制動器制動力矩值總和，長時間運行，可能出現(xiàn)機艙不能完全制動而造成偏航電磁剎車批量性損壞。2.4偏航減速器承受載荷過大風(fēng)向變化頻繁，此時的偏航載荷很大。如風(fēng)向變化頻繁，風(fēng)機會頻繁發(fā)出偏航動作，風(fēng)機偏航齒輪與偏航軸承內(nèi)齒圈嚙合部位將承受很大的偏航載荷，如制動器無法有效降低機頭動能，嚙合部位的載荷會更大，可能導(dǎo)致偏航結(jié)構(gòu)件損傷。2.5偏航減速器制造裝配因素偏航減速器軸承裝配游隙控制不當(dāng)——合適的安裝游隙有助于滾動軸承的正常工作，游隙過小，滾動軸承溫度升高，無法正常工作，以至滾動體卡死；游隙過大，設(shè)備振動大，滾動軸承噪聲大，軸承的支撐剛度不足，軸承的受力變形量大，并導(dǎo)致軸承附近的密封件變形量大，出現(xiàn)偏航減速器潤滑油滲漏或泄露。潤滑油掉落至偏航制動盤后，偏航主制動力大幅下降，加大偏航系統(tǒng)傳動件載荷。偏航減速器內(nèi)部選用軸承與載荷不匹配——軸承的承載能力低于實際載荷，導(dǎo)致軸承出現(xiàn)損壞和較大變形，并伴隨出現(xiàn)偏航減速器潤滑油滲漏或泄露，進而進一步惡化。2.6軸承軸向定位因素軸向定位摩擦面過多，各摩擦面間的抗滑移性能下降，無法有效承載齒輪箱的設(shè)計扭矩，導(dǎo)致減速器內(nèi)部的軸承的鎖緊螺母松動并引起軸向失效。在風(fēng)機頻繁左、右偏航的共同作用下，軸承軸向鎖緊螺母的失效概率大幅度提高，止動墊圈在長時間沖擊下斷裂，輸出軸逐漸掉落，軸承游隙增大，軸承的支撐剛度不足，出現(xiàn)齒輪箱潤滑油滲漏或泄露，進而進一步惡化。軸承軸向定位的可靠性——裝配過程中，由于裝配操作出現(xiàn)偏差，止動墊圈定位在輸出軸部分可能早期出現(xiàn)裂紋損傷，在風(fēng)機偏航制動過程中，傳動件承受頻繁的沖擊載荷，加劇止動墊圈裂紋部分的擴展，并最終導(dǎo)致止動墊圈的失效，偏航減速器內(nèi)部狀態(tài)不斷惡化，進而損壞。2.7偏航減速器輸出軸與內(nèi)齒圈間隙偏航軸承側(cè)隙是指偏航軸承大齒輪與偏航減速器小齒輪嚙合時非工作齒面之間所形成的間隙。偏航軸承側(cè)隙不合理，將發(fā)生偏航減速器小齒輪和偏航軸承斷齒、小齒輪斷軸和機艙振動等故障。齒側(cè)間隙的不一致會產(chǎn)生齒間沖擊，影響齒輪傳動的平穩(wěn)性和載荷分布均勻性。3.降低風(fēng)電場偏航減速箱斷齒故障率的對策首先，定期檢查偏航時余壓（偏航半泄壓），液壓站建壓時間，測試偏航電機的電磁剎車，防止失效，確保偏航電機電磁剎車制動力矩及偏航制動器制動力矩大于偏航載荷，避免偏航半泄壓和電磁剎車制動失效對整個偏航系統(tǒng)帶來影響，從而降低斷齒故障率。其次，風(fēng)場機組無偏航速度過快故障報警、無機艙滑動故障判斷邏輯，風(fēng)速較大時候，當(dāng)偏航余壓過小時，偏航電機未動作，偏航速度可超過1.8°/s，遠(yuǎn)超正常值，建議進一步優(yōu)化偏航控制邏輯與故障判斷，提高偏航系統(tǒng)的可靠性。再次，根據(jù)現(xiàn)場風(fēng)機運維情況也相應(yīng)做出整改排查：查找風(fēng)機在大風(fēng)工況下出現(xiàn)偏航過多的原因；對偏航減速器、液壓站等零部件進行重點排查，徹底解決漏油點異常問題，保障偏航制動盤與偏航制動器摩擦片間的摩擦系數(shù)；觀察各偏航減速器的聯(lián)結(jié)螺栓位置螺栓的油漆是否開裂，如出現(xiàn)開裂需要按照齒輪箱廠家設(shè)定的力矩值進行緊定；對偏航減速器進行排查，齒輪箱運轉(zhuǎn)時是否存在異響，如有異響需立即整改或更換；出現(xiàn)偏航跳空開的故障，需檢查齒輪箱