一種風力發(fā)電機組偏航制動盤碳粉清理自動裝置

國華（哈密）新能源有限公司 李 博 于彥明 支培華 劉偉軍 劉 康

當前采用的齒輪驅動偏航技術中，為實現(xiàn)機艙定位工況的制動力矩及偏航工況所需的阻尼力矩，需要一個摩擦片與偏航制動盤來實現(xiàn)“剎車”功能，在液壓裝置加壓壓緊剎車片的作用下產(chǎn)生阻尼作用的摩擦力。但通過以往對風力發(fā)電機機艙組的檢修工作中發(fā)現(xiàn)，偏航系統(tǒng)中存在的最大問題，就是摩擦材料表面的釉質碳粉會隨著剎車磨損而脫落，這樣掉入下面的偏航制動盤中就會嚴重影響偏航工況，所以解決偏航制動盤的碳粉清理問題，對于提高風力發(fā)電設備的理論工作壽命來說是非常具有應用意義的。

1 偏航制動盤碳粉清理自動裝置的設計背景

偏航系統(tǒng)對于風力發(fā)電機組來說是非常重要的，是為實現(xiàn)使發(fā)電機組的葉輪軸面始終與風向垂直、從而獲得最大發(fā)動動力的功能。但為了避免振蕩風向變化帶來額外的交變荷載使偏航輪齒過早地損壞，需要一個實現(xiàn)剎車制動功能的偏航制動器。當發(fā)動機葉片正對風向運行發(fā)電時，液壓系統(tǒng)通過全壓制動來穩(wěn)定發(fā)動機組的工況定位，當風向變化需要調(diào)整偏航運行方向時將液壓裝置的壓力下調(diào)至23bar，使制動裝置阻尼減小，從而實現(xiàn)偏航功能。

從偏航制動器的構造看主要分為摩擦片、制動片和卡鉗活塞三部分，其中摩擦片的工作表面是釉面粗糙處理的，確保其具有較好的摩擦制動功能。這樣的結構下，盡管能實現(xiàn)穩(wěn)定的偏航制動功能，但摩擦片的工作面與制動盤在進行一段時間的接觸后，一定會產(chǎn)生釉質層脫落的磨損問題，從而導致摩擦片表面的碳粉顆粒分離。而為了整個偏航系統(tǒng)能獲得較好的運行狀態(tài)，在偏航內(nèi)齒圈等連接構件間都會用潤滑油來加強配合，因此碳粉在脫落飄散的過程中極易受到油污污染，從而在制動盤上結塊粘黏。而制動盤表面碳粉結塊后就會使偏航制動出現(xiàn)不同程度的軟啟動故障，或造成機艙偏心振動超限出現(xiàn)故障，最終導致偏航電機過載損壞，嚴重影響了偏航裝置的正常運行。

當前階段對于該問題的解決方法還仍停留在定期檢修階段，安裝了風力發(fā)電機組的發(fā)電站需每三月進行一次停機處理，將制動器從發(fā)電機艙中拆除后以人工的方式清理。這樣的工作模式不僅費時費力、影響風力發(fā)電的實際效率，也無法有效起到過程控制作用，無法顯著提高風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)的使用壽命。本文計劃利用一種自動運行的刮板裝置，在偏航系統(tǒng)完成自動解纜或偏航對風動作的過程中同步將制動盤表面的碳粉刮除清理，在源頭處解決偏航裝置因積落碳粉而產(chǎn)生偏振、工作噪聲等一系列故障問題，避免偏航系統(tǒng)在摩擦片碳粉影響下進一步出現(xiàn)損傷現(xiàn)象。

2 偏航制動盤碳粉清理技術的問題

當前我國風力發(fā)電行業(yè)興起時間較短，在意識到偏航系統(tǒng)受到碳粉粘黏不利影響的問題后，所采取的清理技術還比較簡單落后。多數(shù)風力發(fā)電站都是按照每三個自然月的固定檢修周期，將制動盤連通整個偏航系統(tǒng)一起拆卸下進行檢修清理的。這種檢修模式主要有如下問題。

2.1 維護成本過高，操作難度較大

過于頻繁的檢修工作給風力發(fā)電站建設單位帶來了經(jīng)濟效益損失，較為頻繁的停機操作，不僅在偏航制動盤維修上投入的人力、物力以及時間成本較高，也直接導致了風力發(fā)電效率不高的問題。風力發(fā)電機組每次的停機檢修工序時間都是較長的，帶來了巨大的發(fā)電量損失，且在它的檢修過程中，對于檢修人員來說還存在設備碰撞損傷、高空作業(yè)等客觀不確定危險因素。所以采用一種與偏航制動系統(tǒng)同步運行的自動清理裝置來替代人工檢修，是具有提高風力發(fā)電產(chǎn)能和降低機艙維護檢修成本現(xiàn)實意義的。

2.2 缺乏過程控制，不利于設備保養(yǎng)

風力發(fā)電機組的偏航制動盤上積落的碳粉結塊并不可能是一天形成的，而是隨著每次制動裝置完成偏航動作或自動解纜動作、在液壓裝置提供壓力產(chǎn)生摩擦時就會隨之產(chǎn)生。但每次制動盤產(chǎn)生阻尼作用時都由人工清理顯然是不現(xiàn)實的，所以風力發(fā)電站為了發(fā)電效益，將制動盤的檢修周期定為3個月，以犧牲制動盤使用壽命的方式來保證風力發(fā)電的基礎效益不受影響[1]。因此，只要有阻尼作用產(chǎn)生就會有碳粉脫落，若是處于風向變化較為頻繁的特殊自然天氣環(huán)境下，由于偏航制動裝置需完成更高頻次的解纜與追蹤偏航動作，摩擦片所脫落的碳粉顆粒也會更多，那么出現(xiàn)偏航裝置振動、異常響動、剎車時間過長以及電機過載等故障現(xiàn)象的概率就會更高。所以等到制動盤的碳粉結塊積累到一定程度再進行檢修清理，是非常不利于設備長期穩(wěn)定運行的。

2.3 多次檢修拆卸過程給偏航系統(tǒng)本身質量帶來不利影響

目前，大型風力發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)由電機驅動和液壓系統(tǒng)的制動阻尼兩部分組成，其中偏航制動器、紐纜保護裝置、偏航驅動、偏航軸承等部分含有大量的配合傳動部件，它們在設計時的維護保養(yǎng)需求是遠高于三個月的，且大部分的機械構件都存在關于拆裝次數(shù)的使用壽命。而為了單一的制動盤碳粉清理問題對部件配合部分進行多次拆裝操作，容易使偏航系統(tǒng)的連接部件出現(xiàn)配合不嚴的問題，嚴重影響了偏航系統(tǒng)的正常運行性能和使用壽命。所以每年因過度拆卸組裝問題而提前到達使用壽命報廢處理的機械部件，對于發(fā)電站來說是一筆不小的成本浪費，且多次檢修拆卸的工作流程，也給偏航系統(tǒng)穩(wěn)定運行埋下了不小的隱患因素，因錯誤操作、不規(guī)范操作導致偏航裝置故障損壞的問題現(xiàn)象也顯著增加。

3 偏航制動盤碳粉清理自動裝置的構造設計

偏航制動盤的碳粉清理自動裝置的外形如圖1，主要包括如下部分。

圖1 碳粉清理自動裝置外形

3.1 清理刮板

主要采用接觸式輪刮動作模式來完成清理偏航制動盤表面碳粉動作的裝置，其構造設計上分為兩部分：一是為了確保結構剛性的金屬機架，采用無縫鋼材料與裝置支架一體化加工完成；二是用于刮除清理作業(yè)的刮板頭，采用材料剛性較低一些的鋁板或硬質橡膠制成，避免清理刮除作業(yè)時對制動盤本身產(chǎn)生摩擦損耗。這樣的清理刮板在該裝置中共有兩個，兩個刮板在端面平面方向互相垂直安裝，在裝置進行清理輪刮動作時，以兩條刮板邊為直角邊的三角形中垂線即為裝置的最短有效工作距離，它的清理面積為制動盤上的條形圓環(huán)區(qū)域。

這樣的設計，是因為在清理刮板設計中考慮到結構穩(wěn)定性的因素，避免清理裝置的基架在輪刮作業(yè)時會受到應力影響形變，從而導致出現(xiàn)刮刀刀面斷裂缺失、刮板基架與偏航制動盤互相沖突的問題。且無論清理裝置的底盤運動到什么角度什么位置，它都能確保擁有至少中垂線距離的清理工作范圍[2]。另一方面雙刮板頭的設計也是考慮到在硬質橡膠或鋁板刮頭使用壽命的問題，雙刮頭即使有一處刮板刀頭出現(xiàn)斷裂缺失，還會有另外一個刮板來補充作業(yè)，將前面刮頭的清理死角解決。

3.2 底盤

裝置底盤與刮頭在端面方向來看，對應安裝位置是互相錯開的，底盤在工作時處在偏航制動盤的內(nèi)槽處。該清理裝置的底盤采用圓形設計，要求底盤焊件必須整齊無毛刺，且要確保與支架連接可靠，下料粗糙度為Ra25。由于它是固定安裝在偏航制動盤的環(huán)形槽內(nèi)的，隨著液壓裝置的壓緊松開動作牽引支架完成壓緊松開，因此圓形的底盤設計時，需考慮到減少故障運行時由于端面跳動導致自動裝置與偏航裝置的沖突碰撞。在圓形底盤的邊際處，豎直伸出高度與制動盤槽深相同的圍擋板組成一個開放容器結構。這樣的目的是起到收集碳粉顆粒的作用，避免清理作業(yè)時碳粉結塊被從制動盤刮除脫落后進入到凹槽，從而增加裝置與環(huán)形槽的底面摩擦，影響裝置底盤與凹槽的正常接觸[3]。另一方面，也與制動盤凹槽起到同樣的收集潤滑油作用，避免潤滑油流向塔筒給其它機組配件帶來不利影響。

3.3 支架

該裝置的支架是指底盤與刮頭之間的連接部位，豎直方向的支架下部支腳與底盤的近圓心位置用兩顆螺栓穩(wěn)定連接，上部支腳是一個方形的支座，用四顆雙頭螺栓與偏航制動器的液壓裝置連接，起到固定裝置的作用。水平位置在支架中端伸出兩條垂直的橫臂，分別用于安裝兩個獨立的清理刮板。為了使整個支架結構在刮刀與制動盤接觸時的穩(wěn)定性，在兩條刮板臂之間還加裝了T型支架橫臂。使整個自動清理裝置的結構整體區(qū)域穩(wěn)定。

4 清理裝置的工作原理、設計優(yōu)勢與亮點

4.1 工作原理

在該裝置與制動盤配合的工裝表面處有一個用于表面清理的刮板，將該裝置的基架用雙頭螺栓與發(fā)動機組進行穩(wěn)定連接后，當制動裝置需要完成制動動作時，液壓裝置將剎車片推向制動盤完成剎車。此時裝置受液壓裝置影響，清理刮板被一同壓向制動盤，與制動盤表面產(chǎn)生物理接觸，在制動盤與摩擦片的阻尼作用下的減速過程中，由制動盤的旋轉提供裝置的水平輪刮力將摩擦片表面脫落的釉質與碳粉第一時間從制動盤擦除。而當風向發(fā)生變化時，液壓裝置的壓力下調(diào)至23bar，卡鉗松開制動盤完成偏航運行時，該清理裝置能夠和剎車片一同與制動盤分離，不影響制動盤的正常運作。

這種自動清理裝置的連接桿，能夠使偏航制動盤與清理裝置的刮板底邊接觸，完成制動盤端面工裝表面的水平輪刮推刮動作，利用刮板頭來將制動盤的碳粉完全刮除清理，避免碳粉在制動盤表面污染結塊，從而使整個發(fā)動機組的偏航制動器始終處于理想的表面清潔狀態(tài)。用這樣的裝置替代傳統(tǒng)依靠人力拆卸檢修、完成清理偏航制動盤碳粉任務，就能夠起到減少現(xiàn)場人員的工作量和延長偏航制動片使用壽命的作用。

4.2 構造簡單，便于檢修維護

該裝置僅由清理刮板、底盤、支架三部分構成，可輕松實現(xiàn)替代人工砂紙打磨制動盤碳粉的檢修步驟，由于工作原理與剎車片的卡鉗壓送類似，所以在投入使用的過程中，不會因清理裝置出現(xiàn)故障而影響偏航制動裝置的正常運行。且由于結構可靠，這樣以兩組鋁板和硬質橡膠充當?shù)额^的刮板，比此前出現(xiàn)的用于清理摩擦片的刮刀裝置更加堅固耐用。在對風力發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)進行檢修時，只需將自動清理裝置底盤內(nèi)的碳粉清理出即可，無需拆換制動盤的操作。

4.3 避免碳粉顆粒影響其它部件

與此前華儀風能有限公司《一種風力發(fā)電機組偏航制動器摩擦片表面清理工裝及其清理方法》的技術專利相比，本文提及的自動清理裝置具有的技術優(yōu)勢主要有兩方面：一是能夠直接解決制動盤積落的碳粉結塊問題，而不用從摩擦片的釉面清理方面考慮，與摩擦片同步運動的方式，使它能在碳粉還未與制動盤油污粘黏的第一時間就將其從制動盤端面刮除，具有更高的碳粉清理效率；二是此前技術并未解決刮除后的碳粉容放問題，碳粉在刮除后，受到制動盤旋轉的影響雖大部分都會被排出偏航制動器，但仍有少量殘留會順著向心力方向流向塔筒，影響其它機組部件的配合運行，因此在制動盤圓環(huán)槽內(nèi)安裝清理碳粉的裝置，解決了碳粉對制動盤之外的影響問題。

綜上，通過安裝試驗證明，該裝置能夠在偏航制動器液壓裝置全壓制動時，將摩擦片脫落到制動片的碳粉顆粒全部除凈，且并未出現(xiàn)與偏航制動器部件的沖突碰撞現(xiàn)象。因此可以廣泛應用于大型風電機組的齒輪驅動偏航系統(tǒng)，有效起到降低人工檢修勞動成本與保養(yǎng)設備的基本要求。