利用FMECA法的兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)故障模式分析

周新建，李志強(qiáng)

（華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌330013）

利用FMECA法的兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)故障模式分析

周新建，李志強(qiáng)

（華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌330013）

在分析1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成基礎(chǔ)上，建立了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功能框圖以及任務(wù)可靠性邏輯框圖。針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵工作部分的風(fēng)輪、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、永磁同步發(fā)電機(jī)、機(jī)艙底座、塔架、測(cè)風(fēng)共7個(gè)子系統(tǒng)，利用FMECA法對(duì)其進(jìn)行故障模式分析。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)的運(yùn)營(yíng)和故障維護(hù)數(shù)據(jù)，歸納統(tǒng)計(jì)了各機(jī)組子系統(tǒng)可能的故障模式，并對(duì)每個(gè)故障模式進(jìn)行了故障原因、故障影響以及危害度分析，對(duì)每個(gè)故障模式進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)，找出風(fēng)機(jī)薄弱環(huán)節(jié)，得到FMECA分析結(jié)果表，為后續(xù)子系統(tǒng)的可靠性分配以及后期風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中的故障監(jiān)測(cè)和診斷提供了參考。

1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)；FMECA；危害性分析；風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

風(fēng)電因其清潔、無(wú)污染、可再生，近些年備受重視，發(fā)展迅速。截止2015年年底，全球風(fēng)電裝機(jī)累計(jì)432 419 MW，累計(jì)年增長(zhǎng)率達(dá)到17%。這其中，中國(guó)風(fēng)電2015年新增裝機(jī)容量30 500 MW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到145 104 MW，累計(jì)裝機(jī)容量占到了全球風(fēng)電的33.6%，居世界第一[1]。從裝機(jī)機(jī)型來(lái)看，三葉片、變槳變速、恒頻輸出的機(jī)型是主流，從裝機(jī)功率來(lái)看，大功率的MW級(jí)風(fēng)機(jī)是趨勢(shì)，其中典型代表是兆瓦級(jí)的雙饋異步式風(fēng)機(jī)和永磁直驅(qū)同步式風(fēng)機(jī)。

與雙饋式風(fēng)機(jī)相比，直驅(qū)式風(fēng)機(jī)采用永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，減去了齒輪箱，主電路采用AC-DC-AC的變流方式，最終形成恒頻，恒壓的交流電輸出[2－4]。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)化了風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，減少了由異步發(fā)電機(jī)帶來(lái)的故障率，但同時(shí)，也帶來(lái)了永磁體磁極制造費(fèi)用較高、永磁體因?yàn)楦邷?、振?dòng)等原因容易產(chǎn)生退磁以及變流系統(tǒng)中的變頻器需要采用全功率等問(wèn)題[5]。再加上對(duì)風(fēng)機(jī)工作環(huán)境惡劣以及由于風(fēng)機(jī)大型化、故障所導(dǎo)致的停機(jī)損失和維護(hù)難度增大的考慮；因此對(duì)兆瓦級(jí)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行可靠性以及維修性方面的研究，對(duì)保障該機(jī)型風(fēng)電機(jī)組的安全有效運(yùn)行，減少維修損失等都具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

故障模式、影響及危害性分析FMECA由故障模式及影響性分析FMEA以及危害性分析CA組成。作為一種有效的產(chǎn)品可靠性分析方法，F(xiàn)MECA很早就被引入到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)當(dāng)中。劉興莉等探討了該法在風(fēng)機(jī)可靠性分析領(lǐng)域中的應(yīng)用，并和其它方法進(jìn)行了比較[6]。何成兵等應(yīng)用FMEA法對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，但其中并沒(méi)有對(duì)各個(gè)故障模式的發(fā)生率，危害度等進(jìn)行定量的計(jì)算，沒(méi)有找出相應(yīng)的薄弱環(huán)節(jié)[7]。宋磊運(yùn)用FMEA法對(duì)雙饋異步型風(fēng)機(jī)進(jìn)行了粗略的故障模式分析，其中也僅僅給出了故障原因和故障影響分析[8]。楊明明運(yùn)用FMECA法對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了故障模式分析，并對(duì)故障模式的危害度和發(fā)生率進(jìn)行評(píng)分[9]。因此，針對(duì)1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，建立風(fēng)機(jī)的功能框圖和可靠性邏輯框圖，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用FMECA法對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行故障分析，歸納分析其主要子系統(tǒng)和零部件的故障模式和影響，找出薄弱環(huán)節(jié)，并提出相應(yīng)補(bǔ)償改進(jìn)措施，對(duì)后續(xù)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的可靠性分配，風(fēng)電機(jī)組的故障診斷和維護(hù)都有重要作用。

1 故障模式分析方法（FMECA）介紹

FMECA即故障模式、影響及危害性分析，由故障模式及影響性分析FMEA以及危害性分析CA組成[6]，其通過(guò)對(duì)所研究對(duì)象可能發(fā)生的故障模式進(jìn)行歸納統(tǒng)計(jì)，分析每個(gè)故障模式可能發(fā)生原因和潛在的故障影響，并按照每個(gè)故障模式產(chǎn)生影響的嚴(yán)重程度、發(fā)生概率以及不可探測(cè)性對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分，按照風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)其進(jìn)行分類，以便鑒別設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)，并通過(guò)采取補(bǔ)償措施來(lái)消除或減輕薄弱環(huán)節(jié)的影響。20世紀(jì)50年代初，F(xiàn)MEA法首次被美國(guó)格魯曼公司應(yīng)用到戰(zhàn)斗機(jī)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析當(dāng)中，效果良好[10－11]。隨后FMEA逐漸被應(yīng)用到了汽車、航空等諸多領(lǐng)域，在保證產(chǎn)品可靠性方面發(fā)揮了重要作用[12－15]。目前，F(xiàn)MECA法已經(jīng)成為對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性及預(yù)防性設(shè)計(jì)的重要手段之一。對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行FMECA分析，其主要步驟如圖1所示。

其中，在系統(tǒng)定義階段需要明確研究對(duì)象以及分析層次，同時(shí)需要對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行功能分析，繪制系統(tǒng)功能框圖以及系統(tǒng)的可靠性邏輯框圖；在故障模式分析階段應(yīng)該盡可能多的找出產(chǎn)品可能發(fā)生的故障模式；在故障影響分析階段，應(yīng)該分析故障模式對(duì)局部、高一層次、最終3個(gè)階段的影響；故障檢測(cè)方法的手段一般包括目視檢查、原位檢查以及離位檢查等。

圖1 FMECA步驟流程圖Fig.1 The process diagram of FMECA

在CA危害性分析階段，利用風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)RPN（risk priority number）法去量化評(píng)價(jià)各故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其綜合考慮的因素包括故障潛在影響的嚴(yán)酷度（S），故障發(fā)生的頻度（O）和故障可探測(cè)度（D），RPN數(shù)值越大，表示故障的潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越高，需要采取優(yōu)先補(bǔ)償和改進(jìn)措施的要求越急切，反之則相反。根據(jù)RPN值的大小，可以鑒別系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，其中，風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)RPN=嚴(yán)重度（S）×頻度（O）×探測(cè)度（D）。故障模式的嚴(yán)酷度（S），發(fā)生頻度（O）以及探測(cè)度（D）的評(píng)分等級(jí)具體可根據(jù)相關(guān)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)確定。

2 1.5 MW型永磁直驅(qū)式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖的建立

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能并聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的機(jī)電一體化裝置，通過(guò)葉片自身空氣動(dòng)力學(xué)外形吸收風(fēng)能，并將流動(dòng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬于市場(chǎng)上主流的三葉片、變槳變速、恒頻輸出的機(jī)型范疇，其風(fēng)輪軸不通過(guò)增速齒輪箱直接和永磁同步電機(jī)相連，因?yàn)闆](méi)有齒輪箱增速，故其轉(zhuǎn)子磁極級(jí)數(shù)增多，所以一般永磁發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子尺寸都較大。直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變流系統(tǒng)采用AC-DC-AC的變流方式，先由整流模塊將發(fā)電機(jī)輸出的不穩(wěn)定交流電整流成直流電，然后通過(guò)逆變器將直流電逆變成與電網(wǎng)同頻的交流電，實(shí)現(xiàn)恒頻輸出；因此變流系統(tǒng)中的變頻器功率不能小于發(fā)電機(jī)的額定功率[4]，對(duì)于1.5 MW的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其變流系統(tǒng)中變頻器的功率范圍必須大于1.5 MW。

1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要核心部件包括：吸收風(fēng)能的風(fēng)輪，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的永磁同步發(fā)電機(jī)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)方向的偏航系統(tǒng)，調(diào)節(jié)葉片槳距角的變槳系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的變流系統(tǒng)以及起到支撐風(fēng)機(jī)的機(jī)艙底座和塔架，實(shí)現(xiàn)電能恒頻輸出的變流系統(tǒng)，為發(fā)電機(jī)軸承、變槳軸承以及變槳耦合，偏航軸承以及偏航耦合提供潤(rùn)滑的潤(rùn)滑系統(tǒng)，為偏航制動(dòng)以及轉(zhuǎn)子制動(dòng)提供液壓力的液壓系統(tǒng)以及控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行的電氣、控制系統(tǒng)等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)示意圖Fig.2 The schematic diagram of 1.5 MW permanent magnet direct-drive wind power generator

其中風(fēng)輪主要包括風(fēng)機(jī)葉片，輪轂以及防雷系統(tǒng)；變槳系統(tǒng)主要包括變槳電機(jī)，變槳減速器，變槳軸承，變槳盤(pán)及其它附件；發(fā)電機(jī)主要包括定子，轉(zhuǎn)子，定子主軸，轉(zhuǎn)子主軸，主軸軸承以及其它附件；偏航系統(tǒng)主要包括偏航驅(qū)動(dòng)，偏航制動(dòng)，偏航執(zhí)行等；測(cè)風(fēng)系統(tǒng)屬于電氣、控制系統(tǒng)，主要包括風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)等；塔架和機(jī)艙底座支撐整個(gè)風(fēng)機(jī)；除此以外，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)還有液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、變流系統(tǒng)等一系列組成部分。通過(guò)分析1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，由此可以建立永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)功能框圖如圖3所示。

圖3 1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功能框圖Fig.3 The function frame diagram of 1.5 MW permanent magnet direct-drive wind power generator

考慮到風(fēng)機(jī)的各子系統(tǒng)都為保障風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行所必不可少的部分，只要有一個(gè)子系統(tǒng)發(fā)生故障，則整個(gè)風(fēng)電機(jī)組就不能正常工作；因此各子系統(tǒng)之間關(guān)系為串聯(lián)的邏輯關(guān)系，由此可以得到兆瓦級(jí)永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)的任務(wù)可靠性邏輯框圖如圖4所示。

圖4 永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)任務(wù)可靠性邏輯框圖Fig.4 The mission reliability diagram of 1.5 MW permanent magnet direct-drive wind power generator

3 1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)FMECA分析

根據(jù)所繪制的兆瓦級(jí)永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖，選取風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)中的風(fēng)輪、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、塔架，底座等支撐部件以及電氣、控制系統(tǒng)中的測(cè)風(fēng)系統(tǒng)等7個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)各子系統(tǒng)中各組成部分的故障模式之間的比較分析，并參考某風(fēng)電場(chǎng)30臺(tái)該型1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在2012—2014年的運(yùn)行和故障維修數(shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)FMECA法進(jìn)行故障模式、影響及危害性的歸納統(tǒng)計(jì)分析。以風(fēng)機(jī)風(fēng)輪中的葉片為例，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2012—2014年風(fēng)機(jī)系統(tǒng)總故障次數(shù)為169次，其中風(fēng)輪中葉片共發(fā)生故障5次，葉片局部開(kāi)裂4次（風(fēng)沙、水汽磨蝕3次、雷擊1次），表面出現(xiàn)裂紋1次（全為葉片表面覆冰、油污導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)質(zhì)量不平衡導(dǎo)致），同時(shí)可以得到各故障維修所需的平均停機(jī)維修時(shí)間，具體如表1所示。其中，葉片各故障模式的嚴(yán)重度（S）、發(fā)生頻度（O）、探測(cè)度（D）的具體評(píng)分可以根據(jù)表2、表3、表4的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估得到。考慮到對(duì)風(fēng)輪進(jìn)行FMECA分析盡可能多地參考葉片所有可能的故障模式；因此對(duì)于FMECA中出現(xiàn)，但在維護(hù)數(shù)據(jù)中并未出現(xiàn)的故障模式，其發(fā)生頻度（O）評(píng)分都相對(duì)取最低等級(jí)，而嚴(yán)重度（S）和探測(cè)度（D）則通過(guò)與其它故障進(jìn)行比較的方式得出，對(duì)于風(fēng)機(jī)其它子系統(tǒng)的零部件進(jìn)行的FMECA分析可以參照葉片的FMECA進(jìn)行。

表1 葉片故障模式統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.1 The statistical data of wind generator’s failure modes

表2 嚴(yán)酷度評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 The evaluation standard for the impact severity

表3 發(fā)生頻度評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 The evaluation standard for the occurrence frequency

表4 探測(cè)度評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 The evaluation standard for the detectable property

3.1 風(fēng)輪FMECA分析

風(fēng)輪主要包括風(fēng)機(jī)葉片和輪轂及其它安裝附件，其中葉片本身具有空氣動(dòng)力的外部形態(tài)，當(dāng)氣流流過(guò)時(shí)，風(fēng)輪受力開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，輪轂再把轉(zhuǎn)矩傳給轉(zhuǎn)子主軸，其中葉片是最重要的吸收風(fēng)力能源的裝置，葉片通過(guò)變槳軸承和輪轂聯(lián)接起來(lái)，輪轂主要的作用就是把各個(gè)葉片固定聯(lián)接起來(lái)，同時(shí)承受來(lái)自葉片的轉(zhuǎn)矩和重量，防雷系統(tǒng)防止雷電對(duì)風(fēng)機(jī)葉片以及內(nèi)部電子元器件的損害。風(fēng)機(jī)風(fēng)輪FMECA結(jié)果如表5所示。

表5 風(fēng)輪FMECA分析結(jié)果Tab.5 The FMECA result of wind wheel

3.2 變槳系統(tǒng)FMECA分析

變槳系統(tǒng)主要關(guān)鍵部件包括變槳電機(jī)，變槳減速器，變槳軸承等，其中變槳電機(jī)為葉片變槳提供驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)變槳改變?nèi)~片的迎風(fēng)角度，從而控制風(fēng)機(jī)的輸出功率以及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。主控系統(tǒng)全程監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)工作時(shí)的輸出功率和槳距角，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速加快，輸出功率增加，主控系統(tǒng)控制葉片變槳，調(diào)整葉片槳距角，轉(zhuǎn)速降低，輸出功率相應(yīng)降低，防止風(fēng)機(jī)發(fā)生過(guò)載。風(fēng)機(jī)風(fēng)輪的的每一個(gè)葉片上都有一套相互獨(dú)立的變槳系統(tǒng)，氣動(dòng)剎車時(shí)，葉片槳距角調(diào)整到順槳（90°）位置，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，直到風(fēng)機(jī)停機(jī)。變槳系統(tǒng)FMECA結(jié)果如表6所示。

表6 風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)FMECA分析結(jié)果Tab.6 The FMECA result of variable propeller pitch system

3.3 永磁同步發(fā)電機(jī)FMECA分析

發(fā)電機(jī)作為風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，與雙饋型風(fēng)電機(jī)組相比，直驅(qū)型風(fēng)機(jī)的發(fā)電機(jī)為永磁多級(jí)同步發(fā)電機(jī)。永磁同步發(fā)電機(jī)是由定子、定子支架、定子主軸、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、前后軸承及其它附件構(gòu)成，定子通過(guò)定子支架安裝固定在定子主軸上，定子支架是焊接結(jié)構(gòu)，是鐵芯，疊片和3組繞組的支撐部件，定子主軸固定在底座上，通過(guò)螺栓聯(lián)接。空心的轉(zhuǎn)動(dòng)軸套在定子主軸前段，與風(fēng)輪輪轂相聯(lián)接，風(fēng)輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)動(dòng)軸聯(lián)接，從而也帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。該風(fēng)機(jī)采用的是外轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，這主要是為了考慮實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的自然風(fēng)冷，風(fēng)機(jī)在工作過(guò)程中冷空氣通過(guò)風(fēng)道直接吹到發(fā)電機(jī)疊片上，風(fēng)速越高，風(fēng)機(jī)發(fā)熱越大，但風(fēng)冷效果越好，兩者正好保持平衡。永磁同步發(fā)電機(jī)FMECA的結(jié)果如表7所示。

表7 永磁同步電機(jī)FMECA分析結(jié)果Tab.7 The FMECA result of permanent magnet synchronous generator

3.4 自動(dòng)偏航系統(tǒng)的FMECA分析

1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)采用主動(dòng)偏航對(duì)風(fēng)方式，偏航系統(tǒng)包括偏航驅(qū)動(dòng)、偏航執(zhí)行、偏航制動(dòng)三部分。其中，偏航驅(qū)動(dòng)包括一個(gè)末端帶有電磁剎車裝置的電磁制動(dòng)三相異步電機(jī)以及一個(gè)四級(jí)行星減速齒輪箱；偏航執(zhí)行部分包括一個(gè)經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的帶外齒圈的四點(diǎn)接觸球軸承和偏航油氈小齒輪；偏航制動(dòng)分為兩部分，與偏航電機(jī)直接相連的電磁剎車，還有一個(gè)就是液壓剎車，其由偏航剎車盤(pán)和液壓制動(dòng)器組成，液壓系統(tǒng)為其提供壓力。制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器閘片緊壓剎車盤(pán)，確保制動(dòng)；偏航時(shí)，壓緊力釋放，但閘片仍對(duì)剎車盤(pán)保持一定的余壓，這樣偏航時(shí)仍會(huì)有一定的阻尼力矩，可以有效避免偏航過(guò)程的沖擊和振動(dòng)，保證偏航時(shí)的平穩(wěn)性，避免了偏航嚙合齒輪的損傷。偏航系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向標(biāo)采集的數(shù)據(jù)來(lái)判斷是否工作。其FMECA結(jié)果如表8所示。

表8 自動(dòng)偏航系統(tǒng)FMECA分析結(jié)果Tab.8 The FMECA result of yaw system

3.5 測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的FMECA分析

風(fēng)機(jī)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)主要包括風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀、測(cè)風(fēng)支架等。風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)速，風(fēng)向標(biāo)測(cè)量機(jī)艙和主風(fēng)向之間的偏差角度并將信息傳遞給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)控制風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)工作，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的主動(dòng)對(duì)風(fēng)。其FMECA結(jié)果如表9所示。

表9 測(cè)風(fēng)系統(tǒng)FMECA分析結(jié)果Tab.9 The FMECA result of wind direction&speed detection system

3.6 機(jī)艙底座以及塔架的FMECA分析

永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)的風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)等都是通過(guò)定子主軸支撐，定子主軸最終與機(jī)艙底座聯(lián)接，機(jī)艙底座通過(guò)偏航軸承與塔架相連，形成一個(gè)類似懸臂支撐方式；因此機(jī)艙底座和塔架為整體風(fēng)機(jī)提供支撐力，并將載荷傳遞到基礎(chǔ)上，底座和塔架應(yīng)該具有足夠的動(dòng)、靜強(qiáng)度承受來(lái)自整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的載荷壓力，塔架主要是由三段錐形的空心筒狀鋼管組成，內(nèi)部的空心為風(fēng)機(jī)的維修提供了通道，考慮到風(fēng)機(jī)的載荷為交變振動(dòng)載荷，因此設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其疲勞壽命。底座和塔筒FMECA結(jié)果如表10所示。

表10 機(jī)艙底座及塔筒FMECA分析結(jié)果Tab.10 The FMECA result of wind turbine set and tubular tower

4 結(jié)論

在對(duì)某型1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)FMECA法對(duì)風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)進(jìn)行了故障模式分析。其中，歸納分析了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、永磁同步發(fā)電機(jī)、機(jī)艙底座、塔架、測(cè)風(fēng)共7個(gè)子系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)鍵子部件相應(yīng)的故障模式以及潛在影響，并根據(jù)該風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)，計(jì)算了相應(yīng)故障模式發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，通過(guò)評(píng)分進(jìn)行了比較。

通過(guò)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)RPN進(jìn)行比較，其中，各子系統(tǒng)中風(fēng)險(xiǎn)較高的故障模式依次是葉片局部開(kāi)裂、變槳電機(jī)溫升過(guò)高以及變槳小齒輪表面磨損、永磁體失磁以及發(fā)電機(jī)軸承內(nèi)外圈磨損、偏航電機(jī)溫升過(guò)高、風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)速儀損壞和測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、塔筒的疲勞裂紋損傷。從故障模式的應(yīng)對(duì)策略措施中可以看出加強(qiáng)對(duì)風(fēng)機(jī)重要工作部分的溫度和振動(dòng)等狀態(tài)的監(jiān)測(cè)以及風(fēng)機(jī)關(guān)鍵工作零部件的疲勞和可靠性設(shè)計(jì)對(duì)保障風(fēng)機(jī)運(yùn)行以及故障維護(hù)都具有重要作用；因此，針對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行FMECA分析，對(duì)于其在后期運(yùn)行中的故障監(jiān)測(cè)和診斷、維修以及設(shè)計(jì)中各子系統(tǒng)的可靠性分配都具有一定的借鑒意義。

[1]全球風(fēng)能理事會(huì).2015年全球風(fēng)電裝機(jī)統(tǒng)計(jì)[J].風(fēng)能，2016（2）：70-74.

[2]楊斌山，陳早康．1.5 MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)綜述[J]．硅谷，2013（16）：10-11．

[3]趙芳，宋平崗，張超偉.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)概述[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24（5）：131-134.

[4]劉曉林．風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要種類及應(yīng)用技術(shù)淺析[J]．電氣制造，2009（9）：18-20．

[5]程明，張運(yùn)乾，張建忠．風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J]．電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24（3）：2-9.

[6]劉興莉，劉小莉，鄧雯靜，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性評(píng)價(jià)方法探討[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2013（6）：120-121.

[7]何成兵，顧煜炯，邢誠(chéng)．基于FMEA法的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障模式分析[J]．可再生能源，2011，29（3）：120-126．

[8]宋磊．風(fēng)電機(jī)組故障測(cè)試與統(tǒng)計(jì)分析[D]．保定：華北電力大學(xué)，2009．

[9]楊明明．大型風(fēng)電機(jī)組故障模式統(tǒng)計(jì)分析及故障診斷[D]．保定：華北電力大學(xué)，2009．

[10]戴云微，韓之俊，朱海榮．故障模式及影響分析FMEA研究進(jìn)展[J]．中國(guó)質(zhì)量，2007（10）：23-25．

[11]孫秋敏，吳衛(wèi)星，富?。环N設(shè)備維護(hù)策略FMEA分析技術(shù)[J]．裝備維修技術(shù)，2007（4）：2-5．

[12]謝小虎，郭虎，杜忠仁．FMEA在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]．汽車科技，2005（6）：18-22.

[13]孫月．基于FMECA和FTA的無(wú)人機(jī)起降系統(tǒng)可靠性研究[D]．成都：電子科技大學(xué)，2010．

[14]武文娟，劉混舉.基于FMEA和FTA的礦用減速器可靠性分析[J].煤礦機(jī)械，2013，34（8）：112-113.

[15]祝天榮．基于FTA與FMEA的摩擦測(cè)試儀可靠性研究[D]．杭州：中國(guó)計(jì)量學(xué)院，2013．

Failure Mode Analysis of MW Scale Direct-Drive Permanent Magnet Wind Power Generator Based on FMECA Method

Zhou Xinjian，Li Zhiqiang
（School of Mechatronics and Vehicle Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013,China）

The function frame diagram and the mission reliability diagram of direct-drive wind generator are established based on the structural analysis of a 1.5 MW direct-drive permanent magnet wind power generator.For 7 key subsystems of wind power generator including wind wheel,pitch system,yaw system,permanent magnet synchronous generator,wind turbine set,tubular tower and wind direction&speed detection system,the failure mode analysis is conducted based on FMECA.According to the operation and failure maintenance data from a wind farm,this study summarizes the possible failures of each subsystem and conducts the failure cause analysis, the failure effect analysis and the criticality analysis.Meanwhile,reliability’s weak links are detected by conducting the risk evaluation for all failure modes and the FMECA results of direct-drive wind power generator are gained,which might provide reference for the distribution of system reliability,failure monitoring and diagnosis in operation.

1.5 MW direct-drive permanent magnet wind power generator；FMECA；criticality analysis；risk evaluation

TM315

：A

1005-0523（2017）01-0107-11

（責(zé)任編輯 劉棉玲）

2016－06－14

江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（20122BAB206027）

周新建（1963—），男，教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAM，機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)。