基于FMEA 的風(fēng)力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)可靠性分析

席瑞萍

（太原重工新能源裝備有限公司， 山西 太原 030032）

0 引言

偏航系統(tǒng)[1]是風(fēng)力發(fā)電機組必不可少的重要組成結(jié)構(gòu)， 也是影響風(fēng)機發(fā)電量的重要因素和風(fēng)機安全的重要保證。其主要功能有兩個：一是使風(fēng)輪跟蹤變化穩(wěn)定的風(fēng)向，提升風(fēng)能的利用效率；二是當(dāng)發(fā)生特大強風(fēng)、電纜纏繞或者故障時， 采用相應(yīng)的控制程序進(jìn)行操作， 自動解纜，保證機組的安全[2]。 偏航系統(tǒng)的作用除了在風(fēng)向變化時可及時調(diào)整風(fēng)輪風(fēng)向外， 還可以有效防止懸垂電纜過度發(fā)生扭轉(zhuǎn)、纏繞。因此，該機構(gòu)的裝配安裝質(zhì)量，對于其工作性能及可靠性意義重大。

故障模式及影響分析FMEA （Fault Modes & Effects Analysis）是一種通過分析系統(tǒng)中每一產(chǎn)品所有可能發(fā)生的故障模式及對系統(tǒng)造成的所有可能影響， 并按每一個故障模式的嚴(yán)重程度及其發(fā)生概率進(jìn)行分類的一種歸納分析方法。 按使用階段的不同，可以分為設(shè)計FMEA（簡稱DFMEA）和過程FMEA（簡稱PFMEA）。

FMEA 是開始于產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中， 并指導(dǎo)貫穿實施于整個產(chǎn)品周期， 是以產(chǎn)品可能發(fā)生的潛在故障為基礎(chǔ)， 不斷進(jìn)行產(chǎn)品的升級改造以達(dá)到提升產(chǎn)品安全性及可靠性的目的。 該分析方法是從整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的每個零部件著手，自下而上逐級分析，匯總所有基礎(chǔ)零部件的可能故障種類，最后歸納總結(jié)。

1 偏航系統(tǒng)的組成及工作原理

偏航系統(tǒng)由偏航軸承、偏航制動盤、偏航電機、偏航減速器、偏航制動器等部件組成[3]，見圖1。

圖1 偏航系統(tǒng)

偏航系統(tǒng)具有連接機艙與塔筒的作用[4]，與塔架和機架配合連接， 其中偏航軸承安裝于塔架頂端的塔筒法蘭上， 偏航軸承的軸承內(nèi)外圈分別與機組的機艙和塔體用螺栓連接。 偏航軸承外圈連接機架，內(nèi)圈連接偏航驅(qū)動齒輪，偏航驅(qū)動安裝于偏航內(nèi)齒圈，驅(qū)動裝置通過驅(qū)動小齒輪在偏航軸承上的運動，帶動機架在塔架上轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)偏航對風(fēng)功能。

2 偏航系統(tǒng)功能分解－矩陣分析

為充分分析偏航系統(tǒng)的各項功能要求， 使其滿足標(biāo)準(zhǔn)、安全性、可靠性、穩(wěn)定運行等要求，同時也要滿足外觀、制造性、裝配性、維修性等要求。對偏航系統(tǒng)及其各組件的使用功能進(jìn)行列舉，辨別各種零部件內(nèi)、外在使用要求， 對其進(jìn)行分析整理， 將零部件使用功能一一進(jìn)行分解，根據(jù)零部件的使用功能制定關(guān)鍵質(zhì)量控制點。依據(jù)此功能分解，使零部件的質(zhì)量特性定義更具針對性，更有利于對零部件的失效原因進(jìn)行分析， 并依此制定相應(yīng)的質(zhì)量改進(jìn)計劃。 偏航系統(tǒng)功能－矩陣分析見表1。

表1 偏航機構(gòu)功能－矩陣分析

3 偏航機構(gòu)FMEA 分析

3.1 故障模式與影響分析

故障是產(chǎn)品由于老化、磨損、疲勞等多方面原因，喪失預(yù)計性能的一種狀態(tài)，對于機電產(chǎn)品來說，組成結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，產(chǎn)品故障原因受設(shè)計、生產(chǎn)、制造、使用、維護(hù)等多方面因素的影響，導(dǎo)致故障模式多種多樣，對于風(fēng)電機組產(chǎn)品而言，其使用環(huán)境比較惡劣，如若日常運維不夠及時等因素，就會加大故障產(chǎn)生的頻率，同時故障的模式也會更趨于復(fù)雜。偏航系統(tǒng)是一個較復(fù)雜的機構(gòu)，主要由結(jié)構(gòu)件、液壓系統(tǒng)共同組成，根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)定運行可靠等級，再結(jié)合實際工程經(jīng)驗，對偏航齒輪故障、偏航軸承故障、偏航驅(qū)動故障、制動系統(tǒng)液壓管路[5]的故障模式分別進(jìn)行分析，并計算其風(fēng)險優(yōu)先數(shù)RPN，以判定故障的嚴(yán)重程度。 風(fēng)險優(yōu)先數(shù)RPN 可用下式表示，它反映了故障發(fā)生的可能性及其后果嚴(yán)重性的綜合度量，RPN 值越大，該故障的危害性就越大。

RPN=S×O×D

通過表2 可知，在偏航系統(tǒng)中，偏航電機的風(fēng)險優(yōu)先數(shù)RPN 值最大，偏航軸承次之。 可以反映出偏航電機的故障對偏航系統(tǒng)的穩(wěn)定運行影響風(fēng)險最大。

表2 偏航系統(tǒng)故障模式分析[6-10]

3.2 分析結(jié)論及改進(jìn)建議

根據(jù)FMEA 的故障模式與影響分析結(jié)果， 可以看出在偏航機構(gòu)中，液壓管路等部件，其RPN 相對較低，因其失效最主要是由于日常維護(hù)不足，未對密封件定期更換，通過提高維護(hù)保養(yǎng)水平，以降低系統(tǒng)失效的影響，提高產(chǎn)品穩(wěn)定運行能力。

而偏航減速器的失效嚴(yán)重度較高，這主要由以下原因?qū)е拢簻p速器摩擦片表面附滿油；制動盤與減速器摩擦片接觸，長期運行在制動盤表面形成釉質(zhì)層，且與釉質(zhì)層相互摩擦；減速器內(nèi)部齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展；齒輪折斷；減速器內(nèi)部潤滑不足；減速器密封不嚴(yán)等，一旦發(fā)生任一故障，將會影響風(fēng)機的可靠運行；同時，受結(jié)構(gòu)及安裝位置影響，發(fā)生故障后，均有一定的維護(hù)難度。

4 結(jié)束語

本文使用FMEA 的方法對偏航系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性分析，分析出潛在的故障模式，以此進(jìn)行了風(fēng)機可靠性影響分析。偏航系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電機組的核心功能部件，其運行可靠性直接影響到風(fēng)機的正常運轉(zhuǎn)， 提高系統(tǒng)的可靠性，對保證風(fēng)機穩(wěn)定運行的安全性具有較大意義。因此需從多方面進(jìn)行可靠性控制，如設(shè)計時，全面考慮各部件的工作運行環(huán)境，合理選取參數(shù)、確認(rèn)材質(zhì)；生產(chǎn)時，加強對配套件產(chǎn)品質(zhì)量的控制， 加強對過程的監(jiān)督檢驗； 裝配時，增加檢驗偏航系統(tǒng)的重要工藝部分的次數(shù)；驗收時，增加驗收相應(yīng)的條款；運行時，加強風(fēng)場的巡檢及日常維護(hù)；及時更換損壞部件和易損件等。