風力發(fā)電機主制動盤機艙內修復技術*

□ 張 俊 □ 張宇舟 □劉偉華 □邵 猛

湖南高創(chuàng)新能源有限公司 長沙 410114

1 風力發(fā)電機主制動盤概述

風力發(fā)電機主制動盤是風力發(fā)電機檢修、維護時實現輪轂鎖緊的重要受力件,如果主制動盤在工作過程中意外崩裂,那么只能采用直接更換或艙內修復兩種方法。直接更換主制動盤,拆卸、吊裝風力發(fā)電機成本較高。艙內修復主制動盤,雖然成本較低,但是受現場施工條件限制,修復工作難度較大,并且修復后主制動盤的結構強度和形位尺寸精度均會降低。

筆者通過前期對主制動盤修復工藝進行驗證、試驗,對修復結構進行受力分析,提出主制動盤機艙內修復技術,最終確定最優(yōu)的修復方法及可靠的修復結構。同時對主制動盤修復位置工作情況進行實時監(jiān)測,確保主制動盤能夠正常工作。

2 主制動盤崩裂原因

風力發(fā)電機主制動盤鎖緊功能一般在吊裝、檢修等工作時才啟動,主要為小風速使用,大風速時應確保主制動盤無鎖緊銷,否則主制動盤會受到鎖緊銷的較大剪切力,可能出現局部崩裂,如圖1所示。

3 主制動盤修復方案

3.1 總體方案

主制動盤局部崩裂,機艙內修復只能采用鑲塊補,如圖2所示。鑲塊與主制動盤接觸位置為階梯形狀,安裝有四組銷和螺栓,每組一個銷和兩個螺栓,配合承受剪切力和拉伸力,將鑲塊與主制動盤固定成為一體。

▲圖2 鑲塊補焊

為了實時監(jiān)測焊接位置的工作狀態(tài),對修復后的主制動盤安裝一套預警監(jiān)測裝置,避免主制動盤修復位置開裂而繼續(xù)運行。這一預警監(jiān)測裝置采用無線通信模式,分為感知層、發(fā)射模塊、接收模塊三部分,如圖3所示。感知層緊貼被監(jiān)測主制動盤表面,與發(fā)射模塊相連。感知層、發(fā)射模塊固定在主制動盤輪轂側,并從輪轂變槳柜內取電。接收模塊固定在制動環(huán)處,從機艙柜內取電。由接收模塊引出監(jiān)測狀態(tài)指示燈。主制動盤無裂紋時,感知層正常,監(jiān)測狀態(tài)指示燈為綠燈。主制動盤開裂時,感知層斷裂,監(jiān)測狀態(tài)指示燈為紅燈。

3.2 鑲塊材料

主制動盤材料為QT500-7A球墨鑄鐵,焊接性能較差,焊接工藝較復雜。鑲塊材料在Q345低合金鋼、Q980高強鋼、40CrMo合金鋼三種材料中選擇。為了驗證三種材料與QT500-7A球墨鑄鐵的焊接性能,采用QT500-7A球墨鑄鐵試塊分別與三種材料試塊進行試焊,并對焊后材料進行力學性能試驗。

▲圖3 預警監(jiān)測裝置

采用V形坡口焊接,使用高精密焊補機,并實時通過紅外測溫儀測溫,將焊接溫度控制在70 ℃以內,最大程度減小焊接應力產生的變形和熱變形,保證焊縫質量。焊接過程如圖4所示。

▲圖4 焊接過程

為了驗證焊后材料的力學性能,將焊后材料制成試棒,如圖5所示,焊點為中間泛銅黃色部分。在電子萬能試驗機上對制成的試棒進行拉力試驗,如圖6所示,結果見表1。由試驗結果可知三種材料的焊接性能相近,抗拉強度均大于QT500-7A球墨鑄鐵強度的一半,即250 MPa,滿足性能要求。因此從成本考慮,選擇Q345低合金鋼與QT500-7A球墨鑄鐵焊接。

▲圖5 試棒

▲圖6 拉力試驗

表1 拉力試驗結果

4 修復結構強度分析

主軸承制動系統(tǒng)采用六組液壓鉗式制動器,每組液壓鉗式制動器由四個液壓缸組成,每個液壓缸的液壓力為18 MPa,缸徑為90 mm。每個制動器中單個液壓缸的制動壓力為18 MPa,制動器的制動半徑為480 mm,由此計算單個液壓缸的動力為115 kN,每組制動器產生的摩擦力為183 kN,每組制動器的制動力矩為88 000 N·m。為了分析主制動盤的受力情況,考慮極限工況,在ANSYS Workbench軟件中進行仿真。極限工況為修復位置承受一組制動器的制動力矩,其余位置承受五組制動器的制動力矩,結果如圖7～圖9所示。由仿真結果可知,修復后主制動盤極限工況下應力較小。鑲塊最大應力為496.2 MPa,屬于結構突變局部應力集中情況,其余大部分應力在250 MPa左右,滿足要求。修復后主制動盤極限工況下變形也較小,最大變形為0.1 mm,滿足要求。

▲圖7 主制動盤仿真結果▲圖8 鑲塊仿真結果

▲圖9 銷仿真結果

5 施工工藝

(1) 現場測繪?，F場劃線、測繪,得出損壞部位的具體尺寸,便于確定鑲板尺寸。

(2) 鑲塊加工。根據現場數據設計鑲塊,并進行鑲塊外形、螺紋孔、銷孔、坡口加工。

(3) 主制動盤現場加工。對破損部位按照鑲塊的尺寸外形進行劃線,使用磁力鉆、專用工裝、角磨機、鋼鋸、銼刀、角尺、靠尺對劃線部分進行切割、平面加工,使用角磨機、銼刀粗磨和精磨后,表面涂抹紅丹粉,并使用樣塊緊貼已加工表面進行研磨,根據接觸斑點繼續(xù)加工,直至接觸斑點布滿平面為止。主制動盤平面加工如圖10所示。使用角磨機加工深度為5 mm的坡口,并進行檢測,保證鑲塊和母材對接處的平面度、垂直度,并且保證鑲塊插入母材之后配合狀態(tài)為過渡配合。

▲圖10 主制動盤平面加工

(4) 母材螺紋孔、銷孔加工。使用夾具將鑲板與主制動盤母材固定、定位,調整、安裝磁力鉆固定工裝,將磁力鉆放置在固定工裝上,打開磁座開關使磁力鉆與底座吸合。在磁力鉆夾頭上安裝鉆頭,降低磁力鉆主軸,使鉆頭進入并與鑲塊上已加工孔同軸定位。調節(jié)磁力鉆固定工裝的螺栓,使之固定。啟動磁力鉆,依次進行垂直面、平行面螺紋孔及銷孔加工、攻絲。如母材兩側接口處存在錯位,則使用千斤頂或螺桿將錯位處校平,再標記。母材螺紋孔、銷孔加工如圖11所示。

▲圖11 母材螺紋孔、銷孔加工

(5) 安裝鑲塊及焊接。移出鑲塊,清理加工后的孔、平面。將鑲塊插入母材接口處,并使各個螺紋孔、銷孔對正。打入圓柱銷,螺栓螺紋涂抹高強度金屬膠后安裝到位,施加力矩。對母材和鑲塊連接處進行冷焊,并對螺栓、圓柱銷的端口部進行焊接、電鉚堵孔。冷焊如圖12所示,電鉚堵孔如圖13所示。

▲圖12 冷焊

▲圖13 電鉚堵孔

(6) 精度檢測。采用角磨機對修復部位表面進行平面度修復,并使用百分表、靠尺檢測平面度,確保平面度達到使用要求,避免對制動器、剎車片造成干涉,產生卡死現象。修復之后關重尺寸公差為±0.2 mm,其余為±0.8 mm,關重形位公差為0.5 mm,其余為1 mm,關重表面粗糙度Ra為3.2 μm,其余為6.3 μm。

6 結束語

對修復后的主制動盤工作情況實時監(jiān)測半年,發(fā)現預警監(jiān)測裝置沒有非正常情況,其間只發(fā)生過一次因系統(tǒng)設置問題的誤報,界面如圖14所示。工作人員多次現場檢查,未發(fā)現主制動盤質量問題。對修復位置進行著色探傷,也未發(fā)現缺陷。由此說明主制動盤機艙內修復工藝、性能試驗、仿真分析結果正確,方案有效,具有實用價值。

▲圖14 預警監(jiān)測裝置誤報界面