風電偏航減速機輸入軸卡簧脫落故障淺析

文 | 紀良，羅文振，徐波，劉松松

風力發電機組的使用實現了將風能轉化成電能，而風電偏航減速機作為其核心部件之一，通過偏航減速機調節機艙位置可使風輪始終處于迎風狀態，充分利用風能來發電。因而，保障偏航減速機高效運行是確保風電機組正常發電的前提之一。本文針對風電機組運行過程中偏航減速機輸入端卡簧失效問題，根據偏航系統工作原理以及減速機工作方式，結合實際運行數據對其失效原因進行分析，并提出相應的預防措施，為風電機組健康、持續、高效運行提供技術支持。

偏航原理

偏航系統不僅控制風電機組跟蹤風向變化，而且還對機艙內纏繞到極限角度的線纜進行自動解纜。偏航系統主要由偏航控制機構和偏航驅動機構組成。

大兆瓦風力發電機組主要采用主動偏航方式來完成對風。其工作原理如圖1所示，風向傳感器實時采集風向信號并將其傳送給控制器，當風向與風電機組軸線方向的偏離角度大于預設偏差閾值時，控制器發出偏航信號使偏航電機通電以驅動偏航減速機轉動，偏航減速機輸出齒輪與偏航齒圈嚙合，從而帶動機艙轉動一定角度以完成對風。

對于大功率風電機組，偏航減速機會承載更大的負載、傳動比和扭矩，因此減速機多采用星行輪傳動。圖2為某型號偏航減速機結構原理圖，電機輸入的高速低扭矩力通過偏航減速機減速作用最終產生低速大扭矩力以驅動齒圈動作。

偏航減速機輸入端軸承軸向采用卡簧定位，以防軸承發生軸向竄動，若卡簧脫落不僅會造成軸承定位失效，而且脫落的卡簧落入到軸承和齒圈中易造成軸承損傷以及輪齒斷裂，最終導致偏航失效。

卡簧失效理論分析

由偏航控制系統可知，當偏航指令為0時，剎車片閉合，偏航系統鎖死，機艙停止轉動。當偏航指令為1時，剎車片松開，偏航系統動作并完成風電機組對風。

根據齒輪嚙合傳動原理可反推出偏航減速機輸入軸轉速ω1：

式中：i1為偏航減速機傳動比，i2為偏航減速機與偏航大齒圈的傳動比，ω2為偏航齒圈轉動速度。

其中i1可通過減速機銘牌查知，i2可由式（2）簡單推算出：

式中：z1為輸出齒輪齒數，z2為偏航大齒圈齒數。

由齒圈偏航傳感器采集的數據可算出機艙在偏航時轉動的速度：

圖1 偏航控制系統工作原理

圖2 偏航減速機結構原理圖

式中：θ為機艙轉動角度，t為機艙轉動時間。

將式（2）和式（3）帶入式（1）中求得偏航減速機輸入軸所受反沖轉速為：

當ω1值小于設計值時卡簧不會脫落，反之則會發生脫落現象。若卡簧墜入到齒箱中，則會引發斷齒事故。

卡簧脫落案例分析

對風電場收集的相關運行數據進行分析。其傳感器采集數據如表1所示，其中采樣周期為1s。

根據圖3可以發現本應鎖死的機艙在12s內仍發生轉動，其轉動角度θ＝37.361°。

根據式（4）可求出12s內偏航減速機輸入電機軸所承受的瞬時反沖轉速。如圖4所示，偏航減速機輸入電機軸所承受的最高反沖轉速高達10027rpm，平均反沖轉速為5609rpm，電機平均轉動圈數為1122r。

由表1可知偏航制動指令發出后制動器雖處于制動狀態，但因其他原因機艙仍然發生了轉動，并通過偏航傳動鏈傳遞到偏航減速機輸入軸端。根據DIN471標準，公稱直徑為75mm的卡簧，其極限松脫轉速為5740rpm。而由圖4可發現，偏航減速機電機輸入軸大部分時間轉速都超過5740rpm，其中最高轉速可達10027rpm。卡簧在如此高的轉速下工作，一定會在某一時刻發生松脫并墜入偏航減速機內，從而造成偏航減速機內部齒輪損傷。同時，瞬時反沖轉速過高也會導致偏航電機損壞，并最終影響風力發電機組正常工作。

卡簧脫落預防措施

根據偏航減速機卡簧脫落原理以及案例分析可知，被動偏航是導致其失效的主要原因。完善被動偏航監測可有效預防偏航減速機發生被動偏航。同時，風電場運維人員對偏航剎車系統進行日常運維檢查是預防偏航減速機卡簧脫落的一種重要措施。

一、完善被動偏航監測

在偏航減速機輸入端和機艙偏航齒圈處加裝監測系統，可有效提高被動偏航檢測。其中，在偏航電機輸出軸端與偏航減速機輸入軸端加裝轉扭轉速傳感器，通過數據采集設備實時監控偏航減速機輸入軸處所承受的扭矩與轉速，并將采集到的數據傳送至后臺以便技術人員查看。該傳感器能直觀地顯現出偏航減速機輸入軸處卡簧轉速，圖5為安裝實例圖。

表1 采集數據

圖3 12s內機艙轉動角度

圖4 12s內電機軸瞬時反沖轉速

圖5 轉扭轉速傳感器

圖6 偏航電機制動器間隙測量

此外，實時監控偏航齒圈轉動角度亦可實現被動偏航監控。采用高精度傳感器以檢測機艙偏航角度，同時，將采集到的數據及時反饋于偏航控制系統，當被動偏航轉動角度超出預設閥值時，系統便發出報警信號，提示風力發電機組存在被動偏航故障。

二、增強風電場運維

風力發電機組的健康運行離不開風電場運維人員的維護和保養。針對卡簧脫落故障，風電場運維人員在日常運維檢查時可從以下幾點出發。首先，根據現場風況及時查看偏航運行數據，其中包括偏航指令、機艙角度值、風向、風速等信息，以判斷機艙是否發生被動偏航情況；其次，完善偏航控制策略，提高制動器響應速度，定期檢查制動器液壓系統工作是否正常，液壓制動器剎車片間隙是否合格，根據其磨損情況及時進行更換；此外，在日常維護過程中還需對偏航電機制動器進行檢測（如圖6所示），通常偏航電機制動器剎車片合理氣隙為0.3mm，當摩擦片單邊磨損量超過2.5mm以上時應及時更換新的摩擦片，從而避免制動器因過度磨損無法及時完成制動。

結論

風力發電機組偏航剎車系統失效會造成偏航減速機發生被動偏航，使處在制動中的偏航齒圈發生轉動，進而反向帶動偏航減速機以及電機轉動，造成本應發揮減速作用的偏航減速機成為增速機。由于偏航減速機傳動比可達2000，因而，偏航齒圈緩慢轉動易造成輸入卡簧高速轉動，從而使得卡簧因轉速過高而發生脫落，最終墜入偏航減速機內部，造成減速機內部輪齒嚙合失效。針對該故障，可通過改善被動偏航監測系統以提高對該故障的預警能力。同時，提高風電場的日常運維能力，亦可減輕此類故障發生概率，提高風力發電機組的運行效率。

攝影：殷占國