1.5MW雙饋型風(fēng)電機(jī)組液壓偏航制動(dòng)器滲漏油問題的解決方案

胡仕明，梅國(guó)剛

（東方汽輪機(jī)有限公司，德陽 618000）

1.5MW雙饋型風(fēng)電機(jī)組液壓偏航制動(dòng)器滲漏油問題的解決方案

胡仕明，梅國(guó)剛

（東方汽輪機(jī)有限公司，德陽 618000）

隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)量的增加、運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，很多風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組偏航制動(dòng)器開始出現(xiàn)不同程度的滲漏油問題。本文通過對(duì)目前國(guó)內(nèi)常用的偏航制動(dòng)器制動(dòng)原理及動(dòng)作機(jī)理，從不同品牌剎車器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上，科學(xué)地分析出了偏航剎車器滲漏油原因，提出合理的解決方案。

偏航剎車制動(dòng)器； 動(dòng)作機(jī)理； 滲漏油原因 ；解決方案

0 引言

國(guó)內(nèi)很多風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組偏航制動(dòng)器在運(yùn)行1至2年后，開始出現(xiàn)不同程度的滲漏油，成為風(fēng)電機(jī)組維護(hù)中不易處理的頑疾，通過更換密封件后又很快重復(fù)出現(xiàn)滲油，最后只好更換剎車器來延長(zhǎng)維修周期，極大地增加了維護(hù)成本。實(shí)際上，如果結(jié)構(gòu)合理、密封件選材得當(dāng)，3至5年內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)滲漏油現(xiàn)象。對(duì)于已在役使用的剎車器，若在第一次采取合理的維護(hù)、維修，可在以后風(fēng)電機(jī)組20年壽命期內(nèi)降低至少一半的維護(hù)維修頻次。

1 偏航制動(dòng)器作用

偏航制動(dòng)器用于風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙制動(dòng)和偏航，一般設(shè)計(jì)成7組左右。如圖1所示，偏航剎車器靠液壓制動(dòng)，作用于剎車盤，在兩種壓力下工作。在機(jī)艙偏航到順風(fēng)向位置過程中，剎車壓力減小到約15bar，保持有一定的剎車力矩，預(yù)防偏航齒輪嚙合搖擺，使機(jī)艙穩(wěn)定偏航轉(zhuǎn)動(dòng)。偏航完成后，液壓系統(tǒng)以約160bar壓力作用于偏航剎車制動(dòng)器，持續(xù)力矩可靠剎住剎車盤，防止機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。對(duì)于1.5MW風(fēng)電機(jī)組整個(gè)剎車器，按Φ90mm活塞直徑計(jì)算，兩塊夾鉗制動(dòng)力為162800N,夾緊力為203500N.

2 風(fēng)電機(jī)組偏航制動(dòng)機(jī)理及結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于1.5MW雙饋風(fēng)電機(jī)組，液壓偏航制動(dòng)器的液壓原理和構(gòu)造都大致相同，液壓原理如圖2所示。

圖1 偏航剎車器安裝示意圖

圖2 偏航剎車器液壓原理

一整套偏航剎車器是由完全對(duì)稱的上、下兩部分組成，每部分各有兩個(gè)油缸和活塞，油缸的進(jìn)油口兩兩貫通，泄油端兩兩貫通，再用管路將上、下兩部分的油缸串聯(lián)起來，進(jìn)油口和泄油端分別兩兩貫通，可以充分保證活塞同時(shí)動(dòng)作，協(xié)調(diào)一致[2]。

液壓偏航制動(dòng)器的工作環(huán)境為－30℃－+150℃，一年冷熱交替，并且溫差較大，這就要求密封件材料必須要有優(yōu)良的耐高溫低溫性能。

液壓偏航剎車器平時(shí)都是在一個(gè)保壓的工作狀態(tài)，壓力隨時(shí)維持在160bar左右，即處于剎車狀態(tài)。從平時(shí)保壓的剎車狀態(tài)到偏航狀態(tài)，活塞在油缸內(nèi)行程極短，可以把活塞和油缸之間的密封近似地看待為靜密封。但在偏航和剎車的切換瞬時(shí)，制動(dòng)盤通過摩擦片對(duì)活塞產(chǎn)生極大的徑向剪切力，偏心負(fù)載使活塞在油缸內(nèi)產(chǎn)生軸向偏擺，造成密封件振動(dòng)和徑向不同程度的擠壓，而此時(shí)油缸內(nèi)液壓壓力處在峰值狀態(tài)，容易使密封件和活塞之間產(chǎn)生間隙而滲油。這種工況是造成滲油的最大原因，因此，密封的結(jié)構(gòu)及性能，必須具有很好的抗活塞偏擺造成的振動(dòng)和擠壓、優(yōu)良的高壓穩(wěn)定性以及很好的耐磨性與補(bǔ)償磨耗的能力。

液壓偏航制動(dòng)器的油缸和活塞都處于垂直方向，特別是活塞朝下而密封件磨損或由于偏擺造成密封件與活塞產(chǎn)生間隙的時(shí)候，即使是無壓端，即使有泄油口，低于泄油口高度的油也會(huì)在重力作用下，順著活塞往下滲漏。另外，活塞外端環(huán)境惡劣，塵埃嚴(yán)重。因此，對(duì)于無壓端的密封，應(yīng)具有密封和防塵的雙重作用，其結(jié)構(gòu)和性能，必須具有很好的抗活塞偏擺造成的振動(dòng)和擠壓，以及好的補(bǔ)償磨耗的能力[3]。

3 幾種液壓偏航制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

為了深入研究，得出科學(xué)合理的結(jié)論，對(duì)國(guó)內(nèi)采用的幾種進(jìn)口液壓偏航制動(dòng)器如SUNMOT、ANTEC、BUBENZER、SIME等品牌進(jìn)行解析，分別在萊茲三坐標(biāo)檢測(cè)儀上進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)油缸和活塞的配合精度、密封結(jié)構(gòu)以及密封件的組合形式，以及密封件與溝槽的配合精度等，客觀科學(xué)地分析出各自利弊，找出滲油的真正原因，從而根據(jù)各自結(jié)構(gòu)尋求最佳的解決方案。SUNMOT液壓偏航制動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（1）油缸尺寸：Φ90+0.065，活塞尺寸：Φ90－0.08；活塞和油缸的間隙為0.145mm，較為合理；

（2）為了控制活塞因偏心負(fù)載而造成的軸向偏擺，使用了兩條聚四氟乙烯復(fù)合材料導(dǎo)向帶，較為合理。但該材料抗偏擺擠壓和振動(dòng)的能力不是很好，容易在長(zhǎng)期使用中因磨損失效而使活塞接觸油缸，造成研傷；

圖3 SUNMOT液壓偏航制動(dòng)器原結(jié)構(gòu)示意圖

（3）其采用了自帶唇口的Y型聚氨酯密封圈，在壓力油的作用下，密封圈的內(nèi)外唇口分別與活塞和油缸貼合緊密，以此達(dá)到密封的效果，但這種密封圈抗活塞偏擺造成的振動(dòng)和擠壓的能力不強(qiáng)，徑向磨耗后補(bǔ)償能力也不夠，長(zhǎng)期使用中會(huì)因磨損而導(dǎo)致密封失效；

（4）自帶唇口的聚氨酯防塵圈，處于油缸外端，起著防塵和密封的作用。因?yàn)樘幱谟透谉o壓端，只能靠自身唇口的彈性來補(bǔ)償磨耗；因?yàn)樘幱谟透淄舛?，活塞在此處偏擺幅度最大，而這種密封圈抗振動(dòng)、擠壓和補(bǔ)償磨耗的能力不強(qiáng)，容易造成密封和活塞之間的間隙而滲油[4]。

3.1 解決方案一

為了最大限度地節(jié)約成本，降低維修費(fèi)用，盡量利用原有的密封溝槽，取長(zhǎng)補(bǔ)短，充分考慮到密封件抗振動(dòng)、擠壓和補(bǔ)償磨耗的能力，在密封件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，如圖4所示。

（1）活塞和油缸配合的精度不變；

（2）為了有效控制活塞偏擺，兩條導(dǎo)向帶的材料改為耐磨性和強(qiáng)度更高的夾布酚醛；

（3） 將原來主密封換為矩形密封，設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 15242 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NOK SPN系列，它是由聚四氟乙烯復(fù)合材料制成起密封作用的矩形耐磨圈和一個(gè)由丁晴橡膠制成起補(bǔ)償作用的彈性矩形密封圈組成。矩形橡膠圈提供足夠的密封力，并對(duì)密封圈的磨耗起補(bǔ)償作用，矩形橡膠接觸壓力高、抗扭轉(zhuǎn)、負(fù)荷能力較高。該矩形密封具有：

1）負(fù)荷下具有非常高的壓力穩(wěn)定性；

2）非常好的抗擠壓可靠性；

3）高耐磨，摩擦力小，使用壽命長(zhǎng)；

4）該組合密封的使用溫度范圍：－40℃－+200℃。

（4）將原來的防塵圈改為雙唇四氟防塵圈，設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn) MERKEL PT1，由一個(gè)異型環(huán)和兩個(gè)O型橡膠密封圈組成，異型環(huán)帶有一個(gè)密封刃口和一個(gè)防塵刃口，具有密封防塵雙重作用。兩個(gè)O型圈提供預(yù)緊力，可有效地消除活塞偏擺形成的間隙和補(bǔ)償異型環(huán)的磨損。兩個(gè)O型圈由丁晴橡膠制成，異型環(huán)由聚四氟乙烯復(fù)合材料制成，使用溫度范圍：－40℃－+200℃；

（5）為了保證密封的可靠性，參照GD/T15242企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NOK SPN系列以及標(biāo)準(zhǔn)MERKEL PT1，對(duì)油缸的密封溝槽要作些改動(dòng)[5]。

3.2 解決方案二

如果要在風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)以低成本、及時(shí)有效地解決漏油問題，則可采用下述不處理油缸及活塞尺寸，更換密封材料的解決方案。

（1）兩條導(dǎo)向帶按上述方案仍采用耐磨性和強(qiáng)度高的夾布酚醛。

（2）將原來主密封換為U－T20型聚氨酯材料密封圈，并優(yōu)化密封材料及密封件尺寸。該密封具有：

1）工作溫度范圍寬，－30℃－+120℃；

2）在40Mpa壓力范圍內(nèi)，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)密封性能都比較好；

3）耐油，耐磨，使用壽命長(zhǎng)。

（3）采用U型雙唇聚氨酯防塵圈，推薦選用MERKEL。該防塵圈耐壓能力可達(dá)1.6Mpa,具有密封防塵雙重作用。

其它幾種液壓偏航制動(dòng)器，如SIME－STOMAG、ANTEC和BUBENZER等，有的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有的較為簡(jiǎn)單，但原理相同，其改進(jìn)優(yōu)化的方案與上述類似。

SIME-STOMAG沒有設(shè)計(jì)導(dǎo)向帶，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靠油缸與活塞的配合精度來實(shí)現(xiàn)活塞的導(dǎo)向及控制活塞的軸向偏擺，在偏心負(fù)載的情況下，容易研傷活塞和油缸。主密封由一個(gè)O型丁晴橡膠密封圈及一個(gè)純四氟乙烯擋圈組成，可改為矩形組合密封以及雙唇四氟防塵圈或者雙唇聚氨酯防塵圈，擋圈材料采用聚四氟乙烯復(fù)合材料，其具有低蠕變、耐腐蝕、高耐磨、高硬度、熱線膨脹系數(shù)小、抗沖擊、抗疲勞、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

ANTEC和BUBENZER，這兩種液壓偏航制動(dòng)器內(nèi)部尺寸和結(jié)構(gòu)相同。三坐標(biāo)測(cè)得：油缸尺寸：Φ90+0.47，活塞尺寸：Φ90－0.08，活塞和油缸的間隙為0.55mm，間隙過大，增加了有效控制偏擺和密封的難度。如果要徹底解決漏油，則必須改變活塞和油缸的配合間隙，一般在0.12－0.14mm比較合理。主密封可改為采用矩形組合密封以及雙唇四氟防塵圈或者雙唇聚氨酯防塵圈，要求密封材料選擇優(yōu)質(zhì)品牌。

4 統(tǒng)一解決方案

以上的解決方案是為了最大限度地降低維修成本而盡量少改動(dòng)缸體的密封溝槽等尺寸精度，充分考慮到密封件抗偏擺振動(dòng)、擠壓和補(bǔ)償磨耗的能力，只在密封件結(jié)構(gòu)形式上作出相應(yīng)改動(dòng)，雖然維修成本可以降到最低，但因?yàn)閹追N液壓偏航制動(dòng)器的油缸內(nèi)溝槽尺寸不盡相同，密封件搭配使用的情況也不一樣，造成各自的密封配件都不一樣，為了實(shí)現(xiàn)密封件標(biāo)準(zhǔn)化和互換性，根據(jù)幾種液壓偏航制動(dòng)器的位置尺寸，在此，做一個(gè)科學(xué)合理的統(tǒng)一的解決方案，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

（1） 將原來的油缸孔加大，統(tǒng)一加一個(gè)缸套，缸套和缸體為過盈配合，過盈量為0.04至0.06之間，缸套內(nèi)徑為 ；

圖5 統(tǒng)一改進(jìn)結(jié)構(gòu)示意圖

（3） 為了有效控制活塞偏擺，采用兩條材料為夾布酚醛導(dǎo)向帶；

（4）為了提高密封件抗擠壓和補(bǔ)償磨耗的能力，采用孔用矩形油封和雙唇四氟防塵圈，其作用、性能和優(yōu)點(diǎn)前面已闡述，不再重復(fù)。

可以看出，這方案雖然統(tǒng)一了結(jié)構(gòu)形式，密封件也可互換，但需加工缸體，新做活塞，甚至壓力油孔和泄油孔都得重新上機(jī)床加工，因此，維修成本較高。如果制造新產(chǎn)品可參考該結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

上述部分方案已在酒泉地區(qū)某幾個(gè)風(fēng)電場(chǎng)試行，根據(jù)反饋的信息，質(zhì)量穩(wěn)定，使用狀況良好。國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組偏航剎車器結(jié)構(gòu)、動(dòng)作原理基本類似，本文介紹的方案可作為風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組偏航制動(dòng)器維護(hù)、維修、改造的參考。

[1]姚興佳,宋俊.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

[2] 葉杭治.風(fēng)力風(fēng)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與維護(hù)[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2010.

[3] 秦大國(guó),謝里陽.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[4] 丁惠麟,等.機(jī)械零件缺陷、失效分析與案例[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013.

[5] 李新華.密封元件選用手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

Solutions for Oil Leak of 1.5MW Doubly-fed Wind Turbine Hydraulic Yaw Brake

Hu Shiming, Mei Guogang
(Dongfang Turbine Co., Ltd., Deyang 618000, China)

With the increase of domestic wind turbine installment and operating hours, a lot of yaw brakes have oil leakage problems to varying degrees. Based on the domestic commonly-used yaw brake principle and mechanism of action and the structural characteristics of di ff erent brand brakes, this paper analyzed the oil leakage reasons and provided reasonable solutions.

yaw brake; operation mechanism; oil leakage causes; solutions

TM614

A

1674-9219(2013)11-0120-04

2013-10-05。

胡仕明（1972-），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事風(fēng)電機(jī)組機(jī)械部套相關(guān)技術(shù)工作。

梅國(guó)剛（1963-），男，本科，高級(jí)工程師，從事風(fēng)電技術(shù)工作。