風(fēng)電齒輪箱溫控閥的失效分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

賈耀武

摘 要：風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行中，齒輪箱潤(rùn)滑、散熱系統(tǒng)會(huì)利用溫控閥來(lái)控制調(diào)節(jié)散熱器中的開(kāi)口流量以達(dá)到調(diào)節(jié)齒輪箱油溫的作用，油溫的高低直接影響齒輪箱的潤(rùn)滑性能、齒輪磨損和軸承散熱。溫度超限小則導(dǎo)致限功率，大則導(dǎo)致故障停機(jī)，可見(jiàn)溫控閥的作用舉足輕重，為保證溫控閥可靠運(yùn)行，減少機(jī)組故障率，有效提升發(fā)電量。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī);齒輪箱;自力式溫控閥

1 背景

我國(guó)風(fēng)電起步晚，發(fā)展快，風(fēng)電公司如同雨后春筍，蓬勃發(fā)展。2020年以前，累計(jì)裝機(jī)年累積增長(zhǎng)率將保持在20%左右，其裝機(jī)容量大，機(jī)組數(shù)量多，其中涵蓋了明陽(yáng)智慧、聯(lián)合動(dòng)力、華銳風(fēng)電的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，它們都具有增速齒輪箱，每年夏秋高溫季節(jié)都會(huì)報(bào)出諸如：齒輪箱油溫高、齒輪箱驅(qū)動(dòng)端軸承溫度高等一系列故障，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)和研究分析導(dǎo)致油溫高的原因如下：

（1）齒輪箱空冷散熱裝置表面臟污;（2）齒輪箱空冷風(fēng)扇電機(jī)出力不足;（3）戶(hù)外溫度異常高;（4）齒輪箱散熱器溫控閥失效。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)溫控閥失效是導(dǎo)致多數(shù)油溫高的主要原因，隨著機(jī)組運(yùn)行年限的增加溫控閥失效，以致齒輪箱散熱能力下降，特別在高溫天氣和滿(mǎn)載荷時(shí)尤為明顯。

2 溫控閥介紹

溫控閥總體可分為自力式和電動(dòng)式，因電動(dòng)式控制精確調(diào)節(jié)靈敏故多用于暖通空調(diào)行業(yè)但因控制環(huán)節(jié)多故障率較高，而自力式是集感應(yīng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、反饋機(jī)構(gòu)等一體的新式感應(yīng)器，調(diào)節(jié)范圍寬，多用于風(fēng)電、化工行業(yè)，自力式溫控閥利用液體受熱膨脹及液體不可壓縮的原理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

溫包作為溫控閥的重要部件有著很強(qiáng)的敏感性，其常用黃銅制造并與潤(rùn)滑油之間呈強(qiáng)制對(duì)流傳熱，以提高對(duì)被測(cè)溫度的反應(yīng)速度。溫包呈圓筒形薄壁容器，內(nèi)充相變的固體、氣體、液體或低沸點(diǎn)的飽和蒸汽，風(fēng)電一般采用價(jià)格較低的固液相式溫包。

固液相變式溫包又稱(chēng)蠟式感溫包，蠟式感溫元件是一種溫度傳感器和熱致動(dòng)器的統(tǒng)一體，它兼有接收溫度變化信號(hào)和輸出動(dòng)作的雙重功能。這種石蠟經(jīng)過(guò)加工后變成感溫蠟的特性在于從固態(tài)受熱轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，體積膨脹量可達(dá)13%～ 15%。利用感溫蠟的這一特性，在感溫蠟受熱產(chǎn)生固液相變時(shí)，將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，應(yīng)用于熱傳動(dòng)及各種恒溫器件的溫度自動(dòng)控制。

當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，蠟元件內(nèi)的膨脹劑由固相變?yōu)橐合啵w積膨脹，產(chǎn)生高達(dá)數(shù)十兆帕的壓力，通過(guò)橡膠塞擠出閥桿，使閥桿向外移動(dòng)并做功。當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，膨脹劑由液相變?yōu)楣滔?，體積收縮，內(nèi)壓力消失，推桿在彈簧力或外載荷作用下退回、復(fù)位。

3 溫控閥失效分析

溫控閥是由溫度感應(yīng)組件、閥體、閥芯和調(diào)節(jié)彈簧組成，閥的開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程是一個(gè)彈簧力與溫度感應(yīng)介質(zhì)的膨脹力的力平衡過(guò)程。

調(diào)節(jié)彈簧是自力式溫度控制中的重要組件，其性能的優(yōu)、劣直接影響到閥瓣的提升和回位，由于受到交變載荷的作用，其性能參數(shù)的設(shè)計(jì)就顯得更為重要。

溫控閥有著先天的熱滯后性，滯后性加重是其失效前期的征兆，經(jīng)過(guò)分析研究引起溫控閥滯后性有以下幾個(gè)原因：

（1）溫包在感溫中存在熱滯后性;（2）定值彈簧最初值給定有偏差;（3）溫包密封性差、破損或泄漏。

隔膜是感溫包的關(guān)鍵密封元件，隔膜的好壞，直接影響溫控閥的正常工作與否。溫控閥的隔膜除了起密封感溫介質(zhì)的作用外，還具有力的傳遞作用。感溫介質(zhì)膨脹使隔膜發(fā)生變形，將膨脹力傳遞到橡膠鍵，推動(dòng)閥桿運(yùn)動(dòng)。

密封力的大小影響密封的嚴(yán)密性、可靠性和壽命。隔膜密封不良是感溫元件失效的主要原因。溫控閥使用的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，石蠟或銅粉從壓邊內(nèi)側(cè)擠入隔膜與橡膠鍵間，溫包內(nèi)膨脹劑體積減小，當(dāng)油溫上升，石蠟熔化，閥桿伸出量減少，不能起到控制油溫度的作用。

原因可概括為兩方面：一是密封面兩側(cè)壓力差大;二是密封面上有間隙。前者可以通過(guò)結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)予以克服;而后者由于密封力不夠所致，其中發(fā)生磨損是不可避免的。

4 溫控閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1電磁式溫控閥

在夏季高溫時(shí)處理齒輪箱油溫高的常規(guī)做法是將溫控閥反裝，將閥處于完全關(guān)閉狀態(tài)，使油液直接進(jìn)入散熱器以降低溫度，但是這種做法在冬季就顯得很別扭，在達(dá)到機(jī)組并網(wǎng)溫度時(shí)（油溫一般為5℃以上），一邊是機(jī)組啟動(dòng)時(shí)油泵因潤(rùn)滑而一直散熱，另一邊是齒輪箱加熱器在工作，導(dǎo)致控溫失效和能量耗散，齒輪箱處在非適宜油溫下運(yùn)行，降低使用壽命。

常用的電磁閥有三種，分別是直動(dòng)式電磁閥、分步直動(dòng)式電磁閥、間接先導(dǎo)式電磁閥。我們采用直動(dòng)式電磁閥的設(shè)計(jì)原理對(duì)溫控閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

直動(dòng)式有常閉型和常開(kāi)型二種。常閉型斷電時(shí)呈關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)線圈通電時(shí)產(chǎn)生電磁力，使動(dòng)鐵芯克服彈簧力同靜鐵芯吸合直接開(kāi)啟閥，介質(zhì)呈通路;其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，常開(kāi)型正好相反，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況和控溫方案來(lái)選擇開(kāi)閉類(lèi)型。

由于機(jī)組各廠家潤(rùn)滑系統(tǒng)不同，電磁閥尺寸不相同，安裝方向亦不相同，有水平式和垂直式，這就需要計(jì)算閥芯的重力對(duì)彈簧的影響，以得到最佳彈簧剛度和長(zhǎng)度。電磁閥只存在關(guān)和開(kāi)兩個(gè)狀態(tài)，不存在熱滯后性，其反應(yīng)靈敏響應(yīng)快速，控溫效果顯著提高。

4.2電動(dòng)三通閥

基于電動(dòng)三通閥的溫控設(shè)計(jì)由PLC的DO模塊通過(guò)閥內(nèi)微電動(dòng)機(jī)對(duì)流體溫度進(jìn)行控制，與電磁閥控溫相比較其溫控曲線更加平滑，精度更高。三通閥的工作原理，需要DO模塊輸出開(kāi)閥位置角度給三通閥，以此來(lái)調(diào)節(jié)油液混合溫度，其控溫平滑、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好，可根據(jù)機(jī)組功率和溫升的趨勢(shì)來(lái)智能調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，達(dá)到提前控溫的目的。

5 溫控閥實(shí)施方案

5.1實(shí)施條件

風(fēng)電行業(yè)齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)主要以川潤(rùn)、敏泰為主，其最大的區(qū)別是川潤(rùn)溫控閥在濾芯下方采用內(nèi)置式安裝，而敏泰則在散熱器上采用外置式安裝，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)就需要區(qū)別對(duì)待，相對(duì)來(lái)說(shuō)敏泰外置式優(yōu)化起來(lái)簡(jiǎn)單一點(diǎn)，而川潤(rùn)的在濾芯下部和接油管閥體間，電磁閥放置和接線難度較大。

5.2電氣控制設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)種類(lèi)繁多主流有倍福、西門(mén)子、菲尼克斯、丹控等系統(tǒng)。因其模塊擴(kuò)展性良好，我們以典型的倍福系統(tǒng)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，如機(jī)組KL2404 和KL2424 數(shù)字量輸出端子連接與執(zhí)行器電氣隔離的二進(jìn)制 24 V 控制信號(hào)。每個(gè)總線端子含4個(gè)通道，每個(gè)通道都有一個(gè)LED 指示其信號(hào)狀態(tài)。 KL2404 和 KL2424有不同的最大輸出電流，另外4個(gè)通道總線端子可以直接連接四個(gè)2線制執(zhí)行器，提供四個(gè)接地點(diǎn)。

1）基于電磁閥的溫控閥設(shè)計(jì)是利用齒輪箱油溫傳感器顯示的溫度值由PLC的DO模塊的某一通道通過(guò)得失電對(duì)電磁閥的導(dǎo)通性進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制散熱的目的;

2）基于電動(dòng)三通閥的溫控閥設(shè)計(jì)是利用齒輪箱油溫傳感器顯示的溫度值由PLC的DO模塊的某一通道通過(guò)脈沖電流對(duì)電動(dòng)三通閥的開(kāi)閥角度進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制散熱的目的。

我們假定：進(jìn)閥油溫如果大于35℃，而且機(jī)組功率或進(jìn)閥油溫有上升趨勢(shì)，三通閥開(kāi)始打開(kāi);當(dāng)進(jìn)閥油溫55℃的時(shí)候，三通閥必須全開(kāi)。

打開(kāi)方式為：6s前后檢測(cè)進(jìn)閥溫度差值（6s后值減去6s前檢測(cè)的值，以下同），如果溫差大于0.1℃，三通閥打開(kāi)一次，然后在持續(xù)檢測(cè)6s前后檢測(cè)進(jìn)閥溫度差值，如果溫差大于0.1℃，三通閥打開(kāi)一次;直到三通閥全開(kāi)。

進(jìn)閥油溫小于45℃，而且油溫有下降趨勢(shì)，三通閥開(kāi)始關(guān)閉;當(dāng)進(jìn)閥溫油35℃且溫度無(wú)上升趨勢(shì)的時(shí)候，三通閥必須全關(guān)。

5.3程序設(shè)計(jì)

以明陽(yáng)機(jī)組為例，根據(jù)齒輪箱運(yùn)行工況、齒輪箱高低速油泵和散熱風(fēng)扇啟停條件，設(shè)計(jì)齒輪箱溫控閥啟動(dòng)策略，溫控閥門(mén)限溫度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)定。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸春波，李淵.風(fēng)機(jī)齒輪箱油溫高原因分析及治理對(duì)策[J].2017.04.27.

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