風(fēng)電偏航減速機(jī)輸入軸卡簧脫落故障淺析

文 | 紀(jì)良，羅文振，徐波，劉松松

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的使用實(shí)現(xiàn)了將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能，而風(fēng)電偏航減速機(jī)作為其核心部件之一，通過偏航減速機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)艙位置可使風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能來發(fā)電。因而，保障偏航減速機(jī)高效運(yùn)行是確保風(fēng)電機(jī)組正常發(fā)電的前提之一。本文針對風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中偏航減速機(jī)輸入端卡簧失效問題，根據(jù)偏航系統(tǒng)工作原理以及減速機(jī)工作方式，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對其失效原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施，為風(fēng)電機(jī)組健康、持續(xù)、高效運(yùn)行提供技術(shù)支持。

偏航原理

偏航系統(tǒng)不僅控制風(fēng)電機(jī)組跟蹤風(fēng)向變化，而且還對機(jī)艙內(nèi)纏繞到極限角度的線纜進(jìn)行自動(dòng)解纜。偏航系統(tǒng)主要由偏航控制機(jī)構(gòu)和偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。

大兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要采用主動(dòng)偏航方式來完成對風(fēng)。其工作原理如圖1所示，風(fēng)向傳感器實(shí)時(shí)采集風(fēng)向信號(hào)并將其傳送給控制器，當(dāng)風(fēng)向與風(fēng)電機(jī)組軸線方向的偏離角度大于預(yù)設(shè)偏差閾值時(shí)，控制器發(fā)出偏航信號(hào)使偏航電機(jī)通電以驅(qū)動(dòng)偏航減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，偏航減速機(jī)輸出齒輪與偏航齒圈嚙合，從而帶動(dòng)機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度以完成對風(fēng)。

對于大功率風(fēng)電機(jī)組，偏航減速機(jī)會(huì)承載更大的負(fù)載、傳動(dòng)比和扭矩，因此減速機(jī)多采用星行輪傳動(dòng)。圖2為某型號(hào)偏航減速機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖，電機(jī)輸入的高速低扭矩力通過偏航減速機(jī)減速作用最終產(chǎn)生低速大扭矩力以驅(qū)動(dòng)齒圈動(dòng)作。

偏航減速機(jī)輸入端軸承軸向采用卡簧定位，以防軸承發(fā)生軸向竄動(dòng)，若卡簧脫落不僅會(huì)造成軸承定位失效，而且脫落的卡簧落入到軸承和齒圈中易造成軸承損傷以及輪齒斷裂，最終導(dǎo)致偏航失效。

卡簧失效理論分析

由偏航控制系統(tǒng)可知，當(dāng)偏航指令為0時(shí)，剎車片閉合，偏航系統(tǒng)鎖死，機(jī)艙停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)偏航指令為1時(shí)，剎車片松開，偏航系統(tǒng)動(dòng)作并完成風(fēng)電機(jī)組對風(fēng)。

根據(jù)齒輪嚙合傳動(dòng)原理可反推出偏航減速機(jī)輸入軸轉(zhuǎn)速ω1：

式中：i1為偏航減速機(jī)傳動(dòng)比，i2為偏航減速機(jī)與偏航大齒圈的傳動(dòng)比，ω2為偏航齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

其中i1可通過減速機(jī)銘牌查知，i2可由式（2）簡單推算出：

式中：z1為輸出齒輪齒數(shù)，z2為偏航大齒圈齒數(shù)。

由齒圈偏航傳感器采集的數(shù)據(jù)可算出機(jī)艙在偏航時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度：

圖1 偏航控制系統(tǒng)工作原理

圖2 偏航減速機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

式中：θ為機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)角度，t為機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。

將式（2）和式（3）帶入式（1）中求得偏航減速機(jī)輸入軸所受反沖轉(zhuǎn)速為：

當(dāng)ω1值小于設(shè)計(jì)值時(shí)卡簧不會(huì)脫落，反之則會(huì)發(fā)生脫落現(xiàn)象。若卡簧墜入到齒箱中，則會(huì)引發(fā)斷齒事故。

卡簧脫落案例分析

對風(fēng)電場收集的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其傳感器采集數(shù)據(jù)如表1所示，其中采樣周期為1s。

根據(jù)圖3可以發(fā)現(xiàn)本應(yīng)鎖死的機(jī)艙在12s內(nèi)仍發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ＝37.361°。

根據(jù)式（4）可求出12s內(nèi)偏航減速機(jī)輸入電機(jī)軸所承受的瞬時(shí)反沖轉(zhuǎn)速。如圖4所示，偏航減速機(jī)輸入電機(jī)軸所承受的最高反沖轉(zhuǎn)速高達(dá)10027rpm，平均反沖轉(zhuǎn)速為5609rpm，電機(jī)平均轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為1122r。

由表1可知偏航制動(dòng)指令發(fā)出后制動(dòng)器雖處于制動(dòng)狀態(tài)，但因其他原因機(jī)艙仍然發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過偏航傳動(dòng)鏈傳遞到偏航減速機(jī)輸入軸端。根據(jù)DIN471標(biāo)準(zhǔn)，公稱直徑為75mm的卡簧，其極限松脫轉(zhuǎn)速為5740rpm。而由圖4可發(fā)現(xiàn)，偏航減速機(jī)電機(jī)輸入軸大部分時(shí)間轉(zhuǎn)速都超過5740rpm，其中最高轉(zhuǎn)速可達(dá)10027rpm。卡簧在如此高的轉(zhuǎn)速下工作，一定會(huì)在某一時(shí)刻發(fā)生松脫并墜入偏航減速機(jī)內(nèi)，從而造成偏航減速機(jī)內(nèi)部齒輪損傷。同時(shí)，瞬時(shí)反沖轉(zhuǎn)速過高也會(huì)導(dǎo)致偏航電機(jī)損壞，并最終影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常工作。

卡簧脫落預(yù)防措施

根據(jù)偏航減速機(jī)卡簧脫落原理以及案例分析可知，被動(dòng)偏航是導(dǎo)致其失效的主要原因。完善被動(dòng)偏航監(jiān)測可有效預(yù)防偏航減速機(jī)發(fā)生被動(dòng)偏航。同時(shí)，風(fēng)電場運(yùn)維人員對偏航剎車系統(tǒng)進(jìn)行日常運(yùn)維檢查是預(yù)防偏航減速機(jī)卡簧脫落的一種重要措施。

一、完善被動(dòng)偏航監(jiān)測

在偏航減速機(jī)輸入端和機(jī)艙偏航齒圈處加裝監(jiān)測系統(tǒng)，可有效提高被動(dòng)偏航檢測。其中，在偏航電機(jī)輸出軸端與偏航減速機(jī)輸入軸端加裝轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)速傳感器，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控偏航減速機(jī)輸入軸處所承受的扭矩與轉(zhuǎn)速，并將采集到的數(shù)據(jù)傳送至后臺(tái)以便技術(shù)人員查看。該傳感器能直觀地顯現(xiàn)出偏航減速機(jī)輸入軸處卡簧轉(zhuǎn)速，圖5為安裝實(shí)例圖。

表1 采集數(shù)據(jù)

圖3 12s內(nèi)機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)角度

圖4 12s內(nèi)電機(jī)軸瞬時(shí)反沖轉(zhuǎn)速

圖5 轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)速傳感器

圖6 偏航電機(jī)制動(dòng)器間隙測量

此外，實(shí)時(shí)監(jiān)控偏航齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)角度亦可實(shí)現(xiàn)被動(dòng)偏航監(jiān)控。采用高精度傳感器以檢測機(jī)艙偏航角度，同時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)反饋于偏航控制系統(tǒng)，當(dāng)被動(dòng)偏航轉(zhuǎn)動(dòng)角度超出預(yù)設(shè)閥值時(shí)，系統(tǒng)便發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組存在被動(dòng)偏航故障。

二、增強(qiáng)風(fēng)電場運(yùn)維

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的健康運(yùn)行離不開風(fēng)電場運(yùn)維人員的維護(hù)和保養(yǎng)。針對卡簧脫落故障，風(fēng)電場運(yùn)維人員在日常運(yùn)維檢查時(shí)可從以下幾點(diǎn)出發(fā)。首先，根據(jù)現(xiàn)場風(fēng)況及時(shí)查看偏航運(yùn)行數(shù)據(jù)，其中包括偏航指令、機(jī)艙角度值、風(fēng)向、風(fēng)速等信息，以判斷機(jī)艙是否發(fā)生被動(dòng)偏航情況；其次，完善偏航控制策略，提高制動(dòng)器響應(yīng)速度，定期檢查制動(dòng)器液壓系統(tǒng)工作是否正常，液壓制動(dòng)器剎車片間隙是否合格，根據(jù)其磨損情況及時(shí)進(jìn)行更換；此外，在日常維護(hù)過程中還需對偏航電機(jī)制動(dòng)器進(jìn)行檢測（如圖6所示），通常偏航電機(jī)制動(dòng)器剎車片合理氣隙為0.3mm，當(dāng)摩擦片單邊磨損量超過2.5mm以上時(shí)應(yīng)及時(shí)更換新的摩擦片，從而避免制動(dòng)器因過度磨損無法及時(shí)完成制動(dòng)。

結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航剎車系統(tǒng)失效會(huì)造成偏航減速機(jī)發(fā)生被動(dòng)偏航，使處在制動(dòng)中的偏航齒圈發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而反向帶動(dòng)偏航減速機(jī)以及電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，造成本應(yīng)發(fā)揮減速作用的偏航減速機(jī)成為增速機(jī)。由于偏航減速機(jī)傳動(dòng)比可達(dá)2000，因而，偏航齒圈緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)易造成輸入卡簧高速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得卡簧因轉(zhuǎn)速過高而發(fā)生脫落，最終墜入偏航減速機(jī)內(nèi)部，造成減速機(jī)內(nèi)部輪齒嚙合失效。針對該故障，可通過改善被動(dòng)偏航監(jiān)測系統(tǒng)以提高對該故障的預(yù)警能力。同時(shí)，提高風(fēng)電場的日常運(yùn)維能力，亦可減輕此類故障發(fā)生概率，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率。

攝影：殷占國