偏航减速器损坏原因分析及预防

【摘要】风力发电机组在运行过程中，需要不断调整机舱角度，使机组正确对风，保证叶轮垂直于来流风向以获得更高风能，从而得到最优的发电功率。偏航系统就是执行这一任务的主要组件，为避免风力发电机组在偏航过程中因载荷变化造成偏航振荡，同时为避免因偏航系统载荷方向、大小突变导致机舱不受控地旋转加速，因此在偏航过程中需要为偏航系统施加合适的偏航阻尼，保障整个偏航过程的安全性和平稳性。若偏航阻尼过小、偏航电机电磁制动失效，将引发一系列问题。本文将重点从偏航时余压、偏航电机的电磁制动等几方面论述偏航减速器损坏的原因。【关键字】偏航减速器电磁刹车偏航余压损坏原因分析预防１.偏航系统、偏航控制原理介绍1.1液压阻尼偏航系统液压阻尼式偏航系统主要包括偏航驱动（含偏航电机和偏航减速齿轮箱）、偏航轴承、偏航刹车盘、偏航制动器、液压管道、润滑系统、偏航编码器、扭缆保护装置、风速仪风向标及偏航控制单元等。液压阻尼式偏航形式采用一部分偏航制动器以额定力矩固定在偏航齿圈盘上，另一部分可由液压单元控制夹紧或释放偏航制动器。需要偏航动作时，液压管路释放一定压力并保压运行，机舱可在偏航电机的驱动力下进行额定转速偏航；不需要偏航时，液压管道加压使偏航制动器与齿圈盘夹紧，从而与偏航电机电磁刹车共同实现机组制动效果。1.2偏航控制原理由图2可知：当机组的风速、风向传感器将信号传输至主控制器，主控制器通过内部控制逻辑，判断偏航的方向和角度，并控制软启动器和调相接触器控制偏航电机驱动偏航系统动作，通过液压式刹车部分投入的方式提供阻尼（偏航余压）。机舱在偏航过程中，无论其驱动系统是否出力，偏航制动盘始终存在摩擦阻尼，最终让机舱平稳旋转达到对风目的。当对风结束以后，偏航电机停止工作，液压刹车完全投入，偏航过程结束。2.偏航减速器损坏分析随着时间的推移，大量的风电机组进入十年疲劳期，陆陆续续出现机械构件的批量损坏情况，此论文以偏航减速器为例，进行阐述、分析。某风电场运行的过程中，风力发电机组频繁发生偏航减速器断齿损坏、偏航电机损坏等情况，如下图3、图4和图5。通过图4、图5和图6现场设备的照片，不难发现该减速器已严重打齿、磨损，不能继续使用，需更换。2.1偏航控制逻辑分析风电机组偏航动作控制逻辑分析：偏航启动逻辑：主控检测风向，判断对风角度，当风向满足偏航要求时，发出偏航指令，此时偏航电机电磁刹车打开、偏航半泄压打开，15s后偏航接触器（334K1或334K2）得电、主控给软启输出使能信号，1.5s后主控给软启启动信号，此后7.5s内软启进入斜坡启动阶段（偏航电机软启动），之后软启进入旁路状态（偏航电机全压启动）。偏航停止逻辑：当风向满足要求时，发出偏航停止指令，此时偏航接触器（334K1或334K2）失电、软启使能信号失电、软启启动信号失电，2s后偏航电机电磁刹车失电（抱闸）、偏航半泄阀关闭。如图6所示：风电场对偏航动作过程数据进行分析，采集偏航软启使能信号、偏航软启启动信号、偏航位置信号、以及液压站偏航半泄压力值等数据，具体故障数据分析如下（分偏航余压满足要求与不满足要求两种情况）：当偏航余压（20bar）满足设计要求时，根据图7可以看出机组在并网运行过程中控制器发出偏航指令，电磁刹车打开且液压站泄压，但是由图8可以看出偏航电机没有动作之前，机舱位置几乎无变化，保持在280°左右，偏航软启EN（使能）信号以及偏航软启启动信号，机舱位置开始变化，机组对风。当偏航余压（5bar）不满足设计要求时，根据图9可以看出机组在并网运行过程中控制器发出偏航指令，电磁刹车打开且液压站泄压，但是由图10可以看出偏航电机没有动作之前，机舱位置已经“滑动”26°，即偏航误差在原基础上增加26°，当偏航电机通电后，此偏航电机先减速运行，之后出现约2s的堵转，然后电机驱动偏航减速器运转，直至到额定转速继续对风，前后机组工作115s，偏航时间比正常多30s。2.2偏航制动器余压以目前风电场采用的偏航制动器（TAC-WIND90-S-401）为例，对于整组制动器其主要参数如表1所示：制动器型号90-S-401活塞面积A（cm2）127摩擦系数（μ）0.4工作压力P（bar）（额定）150夹紧力（N）=工作压力×10×活塞面积190,500制动力（N）=2×μ×夹紧力152，400根据相应参数，当风电机组实际压力为135-150bar时，取150bar计算。制动力矩：MB=N*制动力*{(Φ-0.1）/2)}=10*152.4*1.1=167.64KN·m（N=制动器数量，Φ=制动盘直径）。当偏航时，偏航余压20bar为例：制定力矩为22.352KN·m；偏航余压过小时，偏航余压为5bar为例，制定力矩仅为5.588KN·m。通过现场实际数据对比与理论计算分析，不难判断，当偏航余压小于5bar时将导致风力发电机机组的偏航外载扭矩远大于制动力矩，出现打滑现象且比较严重，这种情况会加剧风力发电机偏航振动和产生噪声，严重时会在特定外载条件下，使偏航减速器超出设计耐受极限而使减速机断齿，或使偏航电机超载烧毁。2.3偏航电机电磁刹车偏航刹车力矩的选定以风机不允许偏航时，能够利用偏航刹车与偏航电机把机舱固定住为设计原则。选定的刹车钳的刹车扭矩加上偏航电机提供的电磁刹车的扭矩需大于正常发电的时的偏航扭矩。风电场风机所用制动器为液压钳闸式制动器，偏航电机尾部电磁刹车制动力矩为46N·m。主要参数如表2所示：偏航电机数量4个电磁刹车力矩46N·m传动比1113偏航小齿轮数14个偏航大齿轮数138个4个偏航电磁刹车力矩折算到偏航轴承上扭矩为：4×46×1113×138/14=2018.646KN·m，风电场机组运行3-5年后，偏航电机的电磁刹车失效较为严重，现实情况下风电场发现多台机组的偏航电机电磁刹车失效，普遍每台机组失效2-4个。失效原因分析：因电气系统与液压系统功能试验的响应时间有一定差别，如同时发出指令，电机尾部的电磁刹车首先实现制动功能，而刹车卡钳受液压系统建压时间影响，尤其运行时间较长的机组，液压站建压时间过长，导致机舱偏航时的动能并未完全衰减，偏航电机电磁刹车超过允许的滑动值，长时间运行后偏航电机的电磁刹车快速失效，由于偏航电磁刹车失效，偏航结束时机舱由于受偏航外载荷影响（惯性动能），会再次出现“打滑”偏航减速器势必也会出现损伤，同时也缩短偏航刹车片的使用寿命。风力发电机组使用4台偏航电机，当一台偏航电机的电磁制动的制动能力丧失，偏航轴承处的总制动力矩值为其余三台偏航电机电磁刹车制动力矩与偏航制动器制动力矩值总和，长时间运行，可能出现机舱不能完全制动而造成偏航电磁刹车批量性损坏。2.4偏航减速器承受载荷过大风向变化频繁，此时的偏航载荷很大。如风向变化频繁，风机会频繁发出偏航动作，风机偏航齿轮与偏航轴承内齿圈啮合部位将承受很大的偏航载荷，如制动器无法有效降低机头动能，啮合部位的载荷会更大，可能导致偏航结构件损伤。2.5偏航减速器制造装配因素偏航减速器轴承装配游隙控制不当——合适的安装游隙有助于滚动轴承的正常工作，游隙过小，滚动轴承温度升高，无法正常工作，以至滚动体卡死；游隙过大，设备振动大，滚动轴承噪声大，轴承的支撑刚度不足，轴承的受力变形量大，并导致轴承附近的密封件变形量大，出现偏航减速器润滑油渗漏或泄露。润滑油掉落至偏航制动盘后，偏航主制动力大幅下降，加大偏航系统传动件载荷。偏航减速器内部选用轴承与载荷不匹配——轴承的承载能力低于实际载荷，导致轴承出现损坏和较大变形，并伴随出现偏航减速器润滑油渗漏或泄露，进而进一步恶化。2.6轴承轴向定位因素轴向定位摩擦面过多，各摩擦面间的抗滑移性能下降，无法有效承载齿轮箱的设计扭矩，导致减速器内部的轴承的锁紧螺母松动并引起轴向失效。在风机频繁左、右偏航的共同作用下，轴承轴向锁紧螺母的失效概率大幅度提高，止动垫圈在长时间冲击下断裂，输出轴逐渐掉落，轴承游隙增大，轴承的支撑刚度不足，出现齿轮箱润滑油渗漏或泄露，进而进一步恶化。轴承轴向定位的可靠性——装配过程中，由于装配操作出现偏差，止动垫圈定位在输出轴部分可能早期出现裂纹损伤，在风机偏航制动过程中，传动件承受频繁的冲击载荷，加剧止动垫圈裂纹部分的扩展，并最终导致止动垫圈的失效，偏航减速器内部状态不断恶化，进而损坏。2.7偏航减速器输出轴与内齿圈间隙偏航轴承侧隙是指偏航轴承大齿轮与偏航减速器小齿轮啮合时非工作齿面之间所形成的间隙。偏航轴承侧隙不合理，将发生偏航减速器小齿轮和偏航轴承断齿、小齿轮断轴和机舱振动等故障。齿侧间隙的不一致会产生齿间冲击，影响齿轮传动的平稳性和载荷分布均匀性。3.降低风电场偏航减速箱断齿故障率的对策首先，定期检查偏航时余压（偏航半泄压），液压站建压时间，测试偏航电机的电磁刹车，防止失效，确保偏航电机电磁刹车制动力矩及偏航制动器制动力矩大于偏航载荷，避免偏航半泄压和电磁刹车制动失效对整个偏航系统带来影响，从而降低断齿故障率。其次，风场机组无偏航速度过快故障报警、无机舱滑动故障判断逻辑，风速较大时候，当偏航余压过小时，偏航电机未动作，偏航速度可超过1.8°/s，远超正常值，建议进一步优化偏航控制逻辑与故障判断，提高偏航系统的可靠性。再次，根据现场风机运维情况也相应做出整改排查：查找风机在大风工况下出现偏航过多的原因；对偏航减速器、液压站等零部件进行重点排查，彻底解决漏油点异常问题，保障偏航制动盘与偏航制动器摩擦片间的摩擦系数；观察各偏航减速器的联结螺栓位置螺栓的油漆是否开裂，如出现开裂需要按照齿轮箱厂家设定的力矩值进行紧定；对偏航减速器进行排查，齿轮箱运转时是否存在异响，如有异响需立即整改或更换；出现偏航跳空开的故障，需检查齿轮箱