MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組偏航振動(dòng)噪音問題分析及改進(jìn)

王朝東，楊海鋒，王小麗

(1.許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000；2.許繼集團(tuán)研發(fā)中心，河南 許昌 461000)

0 引言

目前，風(fēng)力發(fā)電成為新能源利用的主要方式之一，裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)。當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組均設(shè)計(jì)有主動(dòng)偏航系統(tǒng)，用于驅(qū)動(dòng)機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)組始終處于正對(duì)風(fēng)狀態(tài)，獲取最大的風(fēng)能。當(dāng)偏航系統(tǒng)動(dòng)作的時(shí)候，液壓偏航制動(dòng)器系統(tǒng)處于半壓狀態(tài)，為機(jī)組提供一定的阻尼，保證機(jī)組偏航過程的穩(wěn)定性；當(dāng)機(jī)組完成偏航后，液壓偏航剎車系統(tǒng)處于抱死狀態(tài)，借助偏航制動(dòng)器提供的制動(dòng)力將機(jī)組固定在相應(yīng)的位置上[1-3]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在偏航過程中出現(xiàn)振動(dòng)，會(huì)引發(fā)機(jī)組振動(dòng)加速度超標(biāo)故障及其他故障，不但提高了機(jī)組的故障率影響機(jī)組可利用率，縮短偏航制動(dòng)器摩擦片使用壽命，還可能影響機(jī)組的使用壽命。伴隨振動(dòng)出現(xiàn)的噪音，特別是分散式風(fēng)電靠近居民區(qū),風(fēng)機(jī)偏航產(chǎn)生的噪音很大程度上會(huì)影響人們的正常生活。因此，分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航振動(dòng)、噪音產(chǎn)生的原因以及提供有效解決方案，是提高風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性工作的重要組成部分[4]。

1 偏航剎車系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航剎車系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重要組成部分，它由偏航制動(dòng)器、偏航制動(dòng)盤、偏航驅(qū)動(dòng)和偏航軸承組成，安裝在風(fēng)機(jī)機(jī)艙部分的底座部位，MATLAB如圖1所示。

圖1 偏航剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為避免風(fēng)電機(jī)組在偏航過程中產(chǎn)生過大的振動(dòng)而造成整機(jī)的共振，偏航系統(tǒng)在機(jī)組偏航時(shí)必須具有合適的阻尼力矩。阻尼力矩的大小要根據(jù)機(jī)艙和風(fēng)輪質(zhì)量總和的慣性力矩來確定。只有在阻尼力矩的作用下，機(jī)組的風(fēng)輪才能夠定位準(zhǔn)確，充分利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電。對(duì)于采用了偏航制動(dòng)器的風(fēng)電機(jī)組，需要借助液壓驅(qū)動(dòng)裝置使摩擦片以一定的壓力壓緊偏航制動(dòng)盤，進(jìn)而利用兩者之間的摩擦力來分別實(shí)現(xiàn)機(jī)艙定位工況所需的制動(dòng)力矩與偏航工況所需的阻尼力矩[5]。

偏航制動(dòng)器是主動(dòng)式制動(dòng)器，工作壓力為16 MPa，最大壓力為18 MPa 。制動(dòng)器由2個(gè)半鉗體組成，安裝在制動(dòng)盤上。每個(gè)半鉗體由1個(gè)缸體構(gòu)成，缸體里有2個(gè)活塞和1個(gè)制動(dòng)襯墊。制動(dòng)襯墊放在缸體的溝槽里，通過改變液壓力實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力改變，通過改變活塞的行程來實(shí)現(xiàn)襯墊磨損的補(bǔ)償[6]。制動(dòng)器有足夠大的摩擦片作用在制動(dòng)盤的兩面，摩擦材料選擇有機(jī)復(fù)合材料。制動(dòng)力直接與液壓站提供的液壓力和摩擦系數(shù)有關(guān)。名義摩擦系數(shù)μ=0.4。摩擦系數(shù)與制動(dòng)盤的材料、轉(zhuǎn)速和溫度等因素有關(guān)。

2 偏航振動(dòng)與噪音問題分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)問題排查

為了查明問題原因，對(duì)風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)相關(guān)部件和系統(tǒng)進(jìn)行逐一排查，具體排查情況如下：

a.振動(dòng)傳感器。對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)傳感器的接線和固定螺栓進(jìn)行排查，接線和螺栓確定沒有問題后，使用新的傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)振動(dòng)傳感器進(jìn)行更換，更換后風(fēng)機(jī)依然會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)故障，因此排除振動(dòng)傳感器出現(xiàn)故障的可能性。

b.偏航驅(qū)動(dòng)。對(duì)偏航驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行檢測(cè)，偏航過程中驅(qū)動(dòng)電流平穩(wěn)未發(fā)現(xiàn)異常。偏航齒輪箱在偏航過程中工作平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)振動(dòng)和異響情況。檢查偏航驅(qū)動(dòng)小齒輪嚙合側(cè)隙，所有風(fēng)機(jī)偏航齒輪嚙合側(cè)隙均在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，因此排除確定偏航驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)故障的可能性。

c.偏航軸承。對(duì)風(fēng)機(jī)偏航軸承齒圈進(jìn)行檢查，齒圈齒面完好，齒表面潤(rùn)滑脂涂抹均勻。偏航軸承運(yùn)行過程中未發(fā)現(xiàn)抖動(dòng)情況，偏航軸承密封圈完好。

d.偏航制動(dòng)盤。偏航制動(dòng)盤表面平整，厚度均勻，未發(fā)現(xiàn)變形、損傷情況，但在制動(dòng)盤上存在明顯浮銹。

在這個(gè)大數(shù)據(jù)的時(shí)代，機(jī)遇和挑戰(zhàn)是共存的，因此，變化是這個(gè)時(shí)代催生的產(chǎn)物，同時(shí)尋求發(fā)展是這個(gè)時(shí)代永恒不變的話題。當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)信息化、網(wǎng)絡(luò)化的社會(huì)，大數(shù)據(jù)是這個(gè)時(shí)代最完美的發(fā)明，這項(xiàng)發(fā)明在測(cè)繪地理信息中發(fā)揮著巨大的作用，因此，只有合理地運(yùn)用大數(shù)據(jù)帶來的便利服務(wù)，才能把握好機(jī)遇，同時(shí)也會(huì)將挑戰(zhàn)變?yōu)榘l(fā)展。

e.偏航制動(dòng)器。偏航制動(dòng)器未發(fā)現(xiàn)漏油情況，各種工況下偏航制動(dòng)器壓力穩(wěn)定，但在偏航過程中偏航制動(dòng)器存在振動(dòng)和異響情況。對(duì)偏航制動(dòng)器進(jìn)行拆卸后，發(fā)現(xiàn)偏航摩擦片表面存在一層由鐵銹和摩擦片磨屑?jí)褐瞥傻挠再|(zhì)層，如圖2所示。

圖2 摩擦片表面釉質(zhì)層情況

2.2 形成釉質(zhì)層原因分析

風(fēng)電機(jī)組在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，摩擦片與制動(dòng)盤相互摩擦產(chǎn)生磨屑，隨著磨屑積累量增多，磨屑、粉塵及鋼材銹跡在摩擦片與制動(dòng)盤之間受到壓力和摩擦熱的作用，摩擦片表面會(huì)形成類似釉質(zhì)的硬層。釉層使摩擦片與制動(dòng)盤的對(duì)偶特性發(fā)生變化，當(dāng)釉層越積越厚，摩擦片不均勻磨損，摩擦系數(shù)波動(dòng)，在阻尼力矩作用下產(chǎn)生的振動(dòng)頻率與機(jī)組的固有頻率發(fā)生共振時(shí)，導(dǎo)致偏航過程出現(xiàn)抖動(dòng)，并伴隨噪音。

2.3 釉質(zhì)層的解決方案

2.3.1 打磨摩擦片

針對(duì)偏航制動(dòng)器摩擦片表面釉質(zhì)層的問題，解決方案為對(duì)摩擦片表面進(jìn)行打磨，將摩擦片表面的釉質(zhì)層打磨干凈后繼續(xù)使用。因打磨厚度不會(huì)超過1 mm，因此對(duì)摩擦片壽命幾乎沒有影響。

2.3.2 制動(dòng)盤開槽

為了更好地將偏航摩擦片磨屑排出，將在偏航制動(dòng)盤上開槽，開槽后能夠有效地將偏航摩擦片表面的磨屑刮掉，避免磨屑在摩擦片表面長(zhǎng)時(shí)間堆積形成釉質(zhì)層。許繼2 MW風(fēng)機(jī)制動(dòng)盤開槽孔尺寸為 155 mm×4 mm×4 mm，其中，上表面為 4 組雙排槽，下表面為 4 組單排槽。

3 制動(dòng)盤強(qiáng)度分析

3.1 材料參數(shù)

表1 材料參數(shù)

3.2 有限元計(jì)算

整個(gè)偏航制動(dòng)盤采用10節(jié)點(diǎn)4面體單元solid187進(jìn)行網(wǎng)格劃分[7]，有限元模型如圖3所示。

圖3 偏航制動(dòng)盤有限元模型

有限元模型中簡(jiǎn)化了倒角、螺栓孔等特征。偏航制動(dòng)盤與卡鉗、偏航軸承、塔筒均采用綁定接觸進(jìn)行連接。塔筒底部施加固定約束，并施加塔頂中心位置極限與疲勞載荷[8]，偏航制動(dòng)盤S-N曲線信息如表2所示。極限計(jì)算時(shí)材料載荷安全系數(shù)取1.1，疲勞計(jì)算時(shí)取1.25。

表2 偏航制動(dòng)盤S-N曲線信息

3.3 計(jì)算結(jié)果

在工藝孔區(qū)域中，極限強(qiáng)度SRF為1.358，如圖4所示，疲勞SRF為1.546 9，如圖5所示。

圖4 偏航制動(dòng)盤開槽位置最大S1應(yīng)力云圖

圖5 偏航制動(dòng)盤工藝孔區(qū)域極限結(jié)果安全系數(shù)

在開槽區(qū)域中，如圖4所示，最大S1為577 MPa，出現(xiàn)在接觸區(qū)域位置，應(yīng)予以排除，其余區(qū)域最大主應(yīng)力均小于制動(dòng)盤許用應(yīng)力。因此，制動(dòng)盤開槽位置能夠滿足極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求[9]。對(duì)于疲勞強(qiáng)度，由于開槽區(qū)域(未在接觸區(qū)域)的主應(yīng)力小于工藝孔區(qū)域，且工藝孔區(qū)域的疲勞SRF為1.546 9，因此開槽區(qū)域的疲勞SRF應(yīng)大于1.546 9，滿足疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,如圖6所示。

圖6 偏航制動(dòng)盤工藝孔區(qū)域疲勞安全系數(shù)位置

4 風(fēng)場(chǎng)整改方案

為了解決風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)的偏航振動(dòng)、噪音問題，設(shè)計(jì)專業(yè)工裝，具體的操作方法如下：

a.調(diào)整角磨機(jī)，并安裝外徑50 mm和厚度3 mm 的砂輪片，如圖7所示。

圖7 角磨機(jī)調(diào)整

b.將開槽工裝固定到制動(dòng)盤上，如圖8所示。

圖8 開槽工裝的固定

c.調(diào)整工裝上側(cè)調(diào)整螺栓和下側(cè)調(diào)整螺栓，使角磨機(jī)轉(zhuǎn)軸與制動(dòng)盤平面近似平行，角磨機(jī)的砂輪片下部與制動(dòng)盤上表面有 2～3 mm 間隙，如圖9和圖10所示。

d.開槽時(shí)角磨機(jī)沿著工裝導(dǎo)桿緩慢推進(jìn)，保持受力均勻，注意隨時(shí)測(cè)量槽的深度(嚴(yán)禁超出 4 mm)。操作前需注意把周圍潤(rùn)滑管、電纜(線)扯開，確保有足夠安全的作業(yè)區(qū)域，避免作業(yè)時(shí)與角磨機(jī)干涉。

e.用同樣方法，按照?qǐng)D紙要求，開制動(dòng)盤上表面其余槽孔。

圖9 開槽工裝調(diào)整機(jī)構(gòu)

圖10 開槽工裝上下調(diào)整

f.作業(yè)完成后需用銼刀去除槽邊緣毛刺等，并把制動(dòng)盤表面擦拭干凈，按工藝文件要求安裝好拆卸的偏航制動(dòng)器。

5 改造效果

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)、噪音問題，按照此方案對(duì)1個(gè)風(fēng)場(chǎng)的24臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行整改。經(jīng)過偏航制動(dòng)器摩擦片打磨和制動(dòng)盤開槽后，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)加速度值有了明顯的降低，整改前后的振動(dòng)加速度情況對(duì)比，如圖11和12所示。整改后由于振動(dòng)減小，伴隨振動(dòng)出現(xiàn)的噪音也明顯減弱。

圖11 整改前振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)

圖12 整改后振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證偏航制動(dòng)器開槽是否能夠有限抑制偏航制動(dòng)器摩擦片釉質(zhì)層的產(chǎn)生，在整改1年后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)偏航制動(dòng)器進(jìn)行拆卸和檢查。

經(jīng)檢測(cè)，偏航制動(dòng)器摩擦片未出現(xiàn)明顯釉質(zhì)層，并且摩擦片磨損量并未因?yàn)槠街苿?dòng)盤開槽而增加較多，如圖13和14所示。

圖13 整改前摩擦片

圖14 整改后摩擦片

6 結(jié)束語

使用液壓偏航制動(dòng)器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航過程中，出現(xiàn)振動(dòng)、噪音問題是較為普遍的現(xiàn)象，在國(guó)內(nèi)外不同品牌的機(jī)組都存在類似情況。由于現(xiàn)有偏航制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用工況，以及偏航制動(dòng)器摩擦片的材料，偏航制動(dòng)器摩擦片運(yùn)行過程出現(xiàn)釉質(zhì)層是不可避免的。而偏航制動(dòng)盤開槽能夠有效避免偏航摩擦片出現(xiàn)釉質(zhì)層，降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因偏航制動(dòng)器出現(xiàn)振動(dòng)、噪音問題的概率，有效提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。