風(fēng)電機(jī)組偏航異響機(jī)理及相應(yīng)處理方法的研究

張永婷

（1.酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 酒泉 735000；2.甘肅省太陽能發(fā)電系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 酒泉 735000；3.酒泉新能源研究院，甘肅 酒泉 735000）

目前，在各種可再生能源利用中，風(fēng)能是使用最為廣泛和發(fā)展較快的可再生能源之一。隨著風(fēng)電設(shè)備機(jī)組制造的高速發(fā)展，在運(yùn)營過程中出現(xiàn)了很多質(zhì)量問題[1]。其中偏航系統(tǒng)的異響振動問題尤為顯著，嚴(yán)重的需要將風(fēng)機(jī)機(jī)組設(shè)備從塔架上吊下來維修，增加了維修成本，也給風(fēng)機(jī)機(jī)組以后正常運(yùn)行及維護(hù)帶來了很大挑戰(zhàn)；并且，偏航系統(tǒng)造成地振動噪聲，不僅危害了風(fēng)電場周圍生態(tài)環(huán)境也對附近村莊居民生活有影響，也給其電網(wǎng)運(yùn)行留下了隱患[2]。因此，為了風(fēng)電后續(xù)長遠(yuǎn)發(fā)展，也為了不影響風(fēng)電輸出電能的質(zhì)量和效率以及機(jī)組正常運(yùn)行、維護(hù)等，針對該系列問題展開相應(yīng)的探討和研究。

1 偏航系統(tǒng)構(gòu)成及運(yùn)行機(jī)理

1.1 偏航系統(tǒng)構(gòu)成介紹

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)通常由偏航驅(qū)動電機(jī)、偏航齒輪箱、偏航軸承以及偏航剎車盤、偏航制動器（閘鉗）、潤滑系統(tǒng)等組成[3]。

塔筒頂部、機(jī)艙座分別與偏航軸承帶有齒的內(nèi)環(huán)、外環(huán)通過高強(qiáng)螺栓連接。在偏航過程中，驅(qū)動部分是由電機(jī)和減速器組成，通過偏航驅(qū)動電機(jī)輸出動力與偏航軸承內(nèi)齒嚙合，轉(zhuǎn)動機(jī)艙進(jìn)行偏航；而制動部分是由偏航制動器與剎車盤組成，通過安裝在偏航軸承附近的偏航制動器（即閘鉗），制動卡鉗由液壓壓力制動連接在偏航軸承上的偏航剎車盤，機(jī)艙偏航停止[4]。

1.2 偏航運(yùn)行機(jī)理

偏航系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理過程是通過風(fēng)向標(biāo)將風(fēng)向變化方向轉(zhuǎn)化成電信號傳遞給控制器進(jìn)行處理，將風(fēng)向電信號進(jìn)行比較器比較后得出機(jī)艙是順時針還是逆時針進(jìn)行偏航運(yùn)轉(zhuǎn)指令。偏航驅(qū)動電機(jī)通過減速與偏航軸承嚙合，將力矩傳遞給機(jī)艙底側(cè)偏航軸承進(jìn)行對風(fēng)，機(jī)艙偏航對風(fēng)完成，風(fēng)向變化電信號結(jié)束，驅(qū)動電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，偏航運(yùn)行完成，具體偏航系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理如圖1所示。

圖1 偏航系統(tǒng)控制過程

由以上偏航運(yùn)行機(jī)理可知，偏航驅(qū)動電機(jī)與機(jī)艙底部偏航軸承嚙合，使偏航力矩作用于軸承，當(dāng)驅(qū)動電機(jī)偏航力矩大于或等于摩擦阻力矩時，機(jī)艙與風(fēng)電機(jī)組塔筒產(chǎn)生相對運(yùn)動，進(jìn)而開始偏航動作。

1.3 偏航過程理論分析

由偏航系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理以及偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成可知，當(dāng)偏航系統(tǒng)開始工作時，機(jī)艙底部聯(lián)結(jié)地制動器（閘鉗）產(chǎn)生摩擦阻力矩，得出：

式中，M為偏航電機(jī)產(chǎn)生偏航力矩，若單個偏航電機(jī)偏航力矩為M′，則n個偏航電機(jī)M為nM′；M0為摩擦阻力矩，若有m組制動器，且每組制動器共有兩片摩擦片，則單片摩擦片阻力矩M′0為μ（p×A-f）R，那么，代入式（1）得出：

式中，μ為摩擦系數(shù)，p為制動壓力，A為液壓活塞截面積，f為彈簧力，R為制動器摩擦片接觸面與機(jī)艙回轉(zhuǎn)中心軸線徑向距離，J為機(jī)艙及其以上所有構(gòu)件繞機(jī)艙回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量，α為機(jī)艙及其以上所有構(gòu)件偏航轉(zhuǎn)動的起點(diǎn)角加速度。

若以加強(qiáng)型Y2風(fēng)電機(jī)組為例，共有5個電機(jī)與9組偏航制動器組成，則由式（2）得：

當(dāng)式（3）中α為0時，則偏航過程中機(jī)艙轉(zhuǎn)動是勻速進(jìn)行的。

2 影響偏航系統(tǒng)異響機(jī)理分析及處理方法

通過上述偏航過程數(shù)學(xué)表示，經(jīng)分析影響偏航系統(tǒng)正常偏航的因素有：偏航制動器（閘鉗）制動液壓壓力、偏航制動器表面摩擦片摩擦系數(shù)、偏航驅(qū)動電機(jī)與偏航軸承嚙合力矩、偏航減速器運(yùn)轉(zhuǎn)速度、偏航制動器與剎車盤之間的接觸面積、偏航減速器是否平穩(wěn)轉(zhuǎn)動、減速器內(nèi)及與偏航軸承之間潤滑狀況等等。

2.1 偏航力矩與偏航速度

當(dāng)偏航力矩過大時，就會增加偏航減速器內(nèi)齒輪嚙合沖擊激發(fā)的齒輪本身固有的振動噪聲，隨之偏航轉(zhuǎn)動的啟動角加速度也會增加，在偏航啟動瞬間就會增加與偏航軸承的齒間沖擊；偏航速度會以一定的角速度增加，使偏航系統(tǒng)內(nèi)部分零件失去原有平衡，進(jìn)而產(chǎn)生異響[5]。

處理方法：由于靜摩擦系數(shù)是摩擦系數(shù)的2倍，則啟動偏航力矩為正常偏航力矩的2倍，當(dāng)啟動完成后偏航力矩迅速降為原來一半，確保偏航過程中機(jī)艙轉(zhuǎn)動以勻速進(jìn)行。

2.2 偏航制動器（閘鉗）與機(jī)艙底部聯(lián)接剎車盤之間摩擦因素

因偏航制動器（閘鉗）與機(jī)艙底部聯(lián)接剎車盤之間摩擦因素造成偏航系統(tǒng)異響有以下幾點(diǎn)：

（1）機(jī)艙底部聯(lián)接剎車盤產(chǎn)生變形。剎車盤產(chǎn)生變形會導(dǎo)致與閘鉗的表面接觸距離或者接觸位置產(chǎn)生變化，最終使得部分閘鉗或剎車盤因局部嚴(yán)重磨損而發(fā)生異響。

（2）偏航系統(tǒng)組成部件因加工工藝或裝配造成累計(jì)誤差造成閘鉗與剎車盤摩擦異響。

（3）偏航制動器（閘鉗）與剎車盤間表面接觸不均勻。塔筒頂部法蘭面因焊接熱應(yīng)力變形致使剎車盤產(chǎn)生變形，在偏航過程中閘鉗表面摩擦片與剎車盤因僅局部面積接觸，而導(dǎo)致局部壓強(qiáng)過大造成振動異響。

（4）偏航制動器（閘鉗）表面摩擦片粗糙度系數(shù)不在標(biāo)準(zhǔn)范圍[5]。摩擦片一般選用低金屬摩擦材料，會因不同地區(qū)風(fēng)電場氣候、季節(jié)周圍環(huán)境的區(qū)別，導(dǎo)致摩擦片摩擦系數(shù)不符合當(dāng)?shù)仫L(fēng)電場風(fēng)機(jī)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，或長期制動運(yùn)行也會使摩擦片表面產(chǎn)生磨砂顆粒等等，導(dǎo)致偏航運(yùn)行時產(chǎn)生振動噪聲。處理方法：使剎車盤出廠檢驗(yàn)達(dá)到技術(shù)要求；為避免以后剎車盤吊裝維修成本過高，可使剎車盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為分體式結(jié)構(gòu)，便于剎車盤以后可在風(fēng)場機(jī)艙內(nèi)拆卸維修。

（5）偏航剎車盤上有油污。機(jī)組在運(yùn)行過程中，液壓管路等泄漏，油污滴到制動器摩擦片與偏航剎車盤上，因兩側(cè)摩擦產(chǎn)生熱量致使摩擦接觸區(qū)域部分材質(zhì)產(chǎn)生熱處理反應(yīng)，形成較硬材質(zhì)，降低了摩擦接觸表面的摩擦系數(shù)，最終硬質(zhì)材料滑動產(chǎn)生振動噪聲。

對應(yīng)措施：按照裝配標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打磨機(jī)艙底部剎車盤以及塔筒頂部接觸法蘭表面，達(dá)到表面粗糙度規(guī)定數(shù)值范圍。定期更換偏航制動器（閘鉗）表面兩側(cè)摩擦片，并同時根據(jù)不同地區(qū)風(fēng)電場環(huán)境差異以及風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況，提供摩擦系數(shù)在符合技術(shù)要求范圍內(nèi)的偏航制動器摩擦片。在后期維護(hù)過程中定期檢查液壓系統(tǒng)并及時的清理泄露油污，定期檢查發(fā)現(xiàn)有油污污染的制動器摩擦片需及時更換或及時處理漏油零部件[6]。

2.3 偏航系統(tǒng)制動器（閘鉗）制動壓力[6]

因偏航制動器壓力造成偏航過程異響的原因有：

（1）偏航制動過程中制動壓力過高。偏航驅(qū)動電機(jī)在偏航過程中制動壓力時出現(xiàn)半泄壓狀態(tài)，當(dāng)制動壓力過高時，因制動器摩擦片與剎車盤接觸造成在偏航時振動異響。

（2）偏航制動器油路不通，導(dǎo)致制動壓力不平衡，進(jìn)而造成偏航剎車盤產(chǎn)生塑形變形。當(dāng)制動器油路泄壓時，制動器上摩擦片因無復(fù)位功能仍然對剎車盤有余壓，致使風(fēng)電機(jī)組偏航剎車盤處于磨損并產(chǎn)生振動異響。

對應(yīng)措施：制動壓力降低至風(fēng)機(jī)安全范圍內(nèi)，以此來避免偏航振動異響。及時定期進(jìn)行測量檢測偏航制動器與剎車盤間間隙，并及時更換制動器兩側(cè)摩擦片；同時安裝檢測摩擦片磨損信號器件，或在內(nèi)部安裝彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)。

2.4 偏航減速器是否平穩(wěn)轉(zhuǎn)動

（1）偏航驅(qū)動電機(jī)齒輪軸偏心。偏航驅(qū)動電機(jī)在裝配過程中，偏航驅(qū)動電機(jī)軸與驅(qū)動中心軸同心度不夠。在偏航運(yùn)行過程中，因偏心導(dǎo)致偏航驅(qū)動在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中嚙合受力不均勻，產(chǎn)生嚙合齒之間的碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲。

（2）偏航驅(qū)動減速器齒輪以及支架、箱體加工工藝精度差，產(chǎn)生整體裝配累計(jì)誤差。偏航驅(qū)動減速器主軸發(fā)生變形，或齒輪嚙合過程中產(chǎn)生點(diǎn)蝕、磨損等失效形式，致使偏航驅(qū)動在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生振動噪聲。

對應(yīng)措施：將齒輪輪齒加工精度提高，以及整體裝配精度增加，減少偏航驅(qū)動齒輪箱輪齒產(chǎn)生變形，使齒輪運(yùn)行平穩(wěn)過渡，降低偏航減速器齒輪箱的振動噪聲。

2.5 偏航軸承齒側(cè)之間間隙

偏航軸承內(nèi)齒側(cè)間隙即可以用來儲存潤滑油，又可以補(bǔ)償熱脹冷縮造成的空隙，但間隙過小或過大也會造成偏航齒間異響。

（1）齒側(cè)間隙小。一般由于在總裝廠調(diào)整出合格齒側(cè)間隙時是處于空載狀態(tài)的（未安裝葉輪），但當(dāng)機(jī)組在現(xiàn)場整機(jī)安裝在運(yùn)行一段時間后，由于機(jī)艙空載下部分零部件彈性變形狀態(tài)變化以及原重力狀態(tài)被破壞，導(dǎo)致運(yùn)行狀態(tài)下吃側(cè)間隙比技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)要小，導(dǎo)致齒輪嚙合時出現(xiàn)熱膨脹而卡死、咬合、無潤滑油膜等問題，就會產(chǎn)生減速器與偏航軸承碰撞異響現(xiàn)象。

（2）齒側(cè)間隙大?，F(xiàn)在很多風(fēng)場（包括瓜州等風(fēng)場）由于某些原因，機(jī)組安裝后長期處于失電停機(jī)狀態(tài)，偏航液壓不可避免會出現(xiàn)內(nèi)泄，但長時間液壓系統(tǒng)內(nèi)泄、未補(bǔ)壓使得偏航液壓制動器處于失效狀態(tài)。偏航軸承齒側(cè)間隙過大時，在陣風(fēng)作用下，偏航軸承內(nèi)齒與減速器齒輪之間會產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕、齒間打齒以及斷齒等現(xiàn)象；后風(fēng)電機(jī)組在正常啟動運(yùn)行時，因產(chǎn)生間隙過大形成空載，會產(chǎn)生齒間沖擊碰撞或者振動噪聲。

對應(yīng)措施：風(fēng)電場機(jī)組運(yùn)維技術(shù)人員需對風(fēng)電機(jī)組偏航軸承齒側(cè)間隙進(jìn)行定期測量，并適時進(jìn)行調(diào)整使其在合格范圍內(nèi)；定期對偏航軸承齒側(cè)表面鐵屑、灰塵等殘?jiān)M(jìn)行清理、擦拭處理，從而提高機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)性以及壽命使用。

2.6 減速器內(nèi)及與偏航軸承之間潤滑狀況

（1）偏航減速器與軸承齒輪嚙合表面較粗糙。風(fēng)電場通常在戈壁無人區(qū)域，且干燥、風(fēng)沙較大，風(fēng)電機(jī)組在吸收風(fēng)能過程中，空氣中會摻雜很多砂粒等具有硬度的顆粒物，吸附在嚙合齒面；或輪齒在嚙合過程中產(chǎn)生的金屬碎屑吸附在輪齒表面的潤滑油膜表面。以上這些都會導(dǎo)致齒輪嚙合過程中受力不均勻而產(chǎn)生振動異響；

（2）偏航嚙合齒面缺油脂。風(fēng)機(jī)大多豎立在光強(qiáng)、多風(fēng)地帶，機(jī)組內(nèi)部包括減速器內(nèi)以及偏航嚙合齒間等地方的潤滑油脂揮發(fā)很快，就會造成在風(fēng)機(jī)運(yùn)行工作中齒面干磨，造成異響噪音。

處理方法：在后期維護(hù)過程中定期處理嚙合面碎屑，并均勻涂抹油脂。

3 結(jié)論

根據(jù)偏航過程數(shù)學(xué)表述分析了影響偏航過程的因素，并以影響偏航過程的因素為角度，分析并匯總了造成偏航系統(tǒng)異響的機(jī)理，并給出相應(yīng)的處理方法，為今后風(fēng)機(jī)整機(jī)制造檢測及風(fēng)場運(yùn)維人員的管理提供了有效改善偏航系統(tǒng)異響的經(jīng)驗(yàn)，也在一定程度上提高了風(fēng)電輸出電能的質(zhì)量和效率。