風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)異響和振動(dòng)原因分析

文 | 劉冬冬，劉芒種，郭振偉，齊廷中

（作者單位：焦作瑞塞爾盤式制動(dòng)器有限公司）

在全球能源短缺、環(huán)境污染日益嚴(yán)重、節(jié)能減排要求不斷提高的背景下，風(fēng)能作為一種可再生能源，成為世界各國能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式已從重規(guī)模轉(zhuǎn)換為重質(zhì)量、重效益；布局也從地廣人稀的西部向中東部及沿海擴(kuò)展，甚至臨近居民生活區(qū)。在此情況下，需要對風(fēng)電機(jī)組存在的共性問題進(jìn)行研究，以支持其在更多樣、復(fù)雜環(huán)境中的安全穩(wěn)定運(yùn)行。據(jù)世界能源理事會(huì)（World Energy Council）統(tǒng)計(jì)，偏航系統(tǒng)故障在風(fēng)電機(jī)組機(jī)械故障中居第四位。其中，偏航系統(tǒng)產(chǎn)生的異響和振動(dòng)，形成原因復(fù)雜，影響廣泛。由異響和振動(dòng)引發(fā)的機(jī)艙加速度故障及其他故障，不但降低了機(jī)組的可利用率，縮短摩擦片的使用壽命，還造成結(jié)構(gòu)件疲勞，從而影響整機(jī)的壽命。此外，由異響產(chǎn)生的噪音污染會(huì)影響附近居民的生活。因此，有必要對偏航系統(tǒng)異響和振動(dòng)問題進(jìn)行深入研究。

本文主要通過機(jī)組實(shí)際運(yùn)行案例及理論相結(jié)合的方法對偏航系統(tǒng)異響和振動(dòng)進(jìn)行研究，希望所得結(jié)論對相關(guān)問題的解決有一定參考意義。

表1 風(fēng)電機(jī)組電機(jī)參數(shù)

表2 風(fēng)電機(jī)組檢測條件

表3 1#、2#和3#風(fēng)電機(jī)組偏航電機(jī)電流

實(shí)例分析

選取某個(gè)風(fēng)電場具有代表性的3臺(tái)風(fēng)電機(jī)組（編號為1#、2#、3#）進(jìn)行現(xiàn)場測試，風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)電機(jī)參數(shù)如表1所示，風(fēng)電機(jī)組檢測條件如表2所示。

由JB/T10425.2—2004中表1可知，偏航轉(zhuǎn)速不大于0.51°/s，因此，本測試將風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際偏航速度設(shè)置為約0.4°/s（偏航運(yùn)動(dòng)半徑約為1m，則線速度約為7mm/s）。

一、偏航檢測結(jié)果

1#風(fēng)電機(jī)組（本機(jī)組摩擦片為新更換）偏航時(shí)無異響和振動(dòng)，整機(jī)偏航聲音柔和。偏航電機(jī)電流如表3所示，機(jī)組電流時(shí)域波形如圖1所示。

2#風(fēng)電機(jī)組偏航時(shí)劇烈振動(dòng)，并伴有類似錘擊的響聲。偏航電機(jī)電流如表3所示，機(jī)組于6秒時(shí)開始偏航，電流時(shí)域波形如圖2所示，豎直加速度幅頻譜曲線（FFT塊長為32768）如圖3所示，周向加速度幅頻譜曲線如圖4所示。

3#風(fēng)電機(jī)組偏航時(shí)有輕微異響和振動(dòng)（Ⅱ號偏航電機(jī)有較大異響）。偏航電機(jī)電流如表3所示，風(fēng)電機(jī)組電流時(shí)域波形如圖5所示，豎直加速度幅頻譜曲線（FFT塊長為2048）如圖6所示，周向加速度幅頻譜曲線（FFT塊長為16384）如圖7所示。

二、偏航對比分析

對比1#、2#和3#風(fēng)電機(jī)組可知，發(fā)生異常振動(dòng)機(jī)組的偏航電流比不發(fā)生異響和振動(dòng)機(jī)組的偏航電流大。對比2#與3#風(fēng)電機(jī)組可知，發(fā)生劇烈異常振動(dòng)機(jī)組的偏航電流比發(fā)生輕微異常振動(dòng)機(jī)組的偏航電流大。

由2#和3#風(fēng)電機(jī)組的加速度幅頻譜曲線（圖3、圖4、圖6、圖7）可知，貢獻(xiàn)比較突出（出現(xiàn)較高幅值）的頻率成分分別為 0.3Hz左右、2.8Hz左右、8.8Hz左右、11.5Hz左右，與機(jī)艙塔筒耦合條件下偏航仿真結(jié)果的幾個(gè)典型振型頻率0.44Hz、3.02Hz、8.5Hz、12.1Hz比較接近。偏航系統(tǒng)零部件的振動(dòng)頻率接近這幾個(gè)頻率值時(shí)都會(huì)引起共振，使得振動(dòng)加劇。由于風(fēng)電機(jī)組零部件在制造時(shí)，質(zhì)量分布、安裝預(yù)緊力等存在誤差，故各機(jī)組的振動(dòng)頻率不會(huì)完全相同。

理論分析

分析偏航系統(tǒng)的工作原理可知，制動(dòng)器產(chǎn)生的摩擦力矩為主要的偏航阻力矩，偏航動(dòng)作發(fā)生時(shí)，有如下公式成立：

式中，M0為偏航電機(jī)提供的偏航力矩；20為摩擦接觸面數(shù)：兩組對稱分布的制動(dòng)器，每組5個(gè)，每個(gè)制動(dòng)器有2片制動(dòng)襯塊和制動(dòng)盤相接觸；μ為摩擦系數(shù)，此時(shí)為靜摩擦系數(shù)μ1；p為制動(dòng)壓力，偏航制動(dòng)的正常壓力為2.4MPa；A為活塞截面圓的面積；f為活塞和缸體之間的阻力；R為制動(dòng)接觸面至偏航回轉(zhuǎn)中心軸線的距離；J為塔筒頂上所有構(gòu)件繞塔筒中心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；α為機(jī)艙、平臺(tái)等一起偏航轉(zhuǎn)動(dòng)的啟動(dòng)角加速度，約為0.00174rad/s2。

偏航開始3～6s后，機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)的偏航速度通常約為0.4°/s，此時(shí)靜摩擦系數(shù)變?yōu)閯?dòng)摩擦系數(shù)。

當(dāng)機(jī)艙實(shí)現(xiàn)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滿足如下關(guān)系：

查詢廠家提供的摩擦系數(shù)表可知，靜摩擦系數(shù)μ1約為動(dòng)摩擦系數(shù)μ2的2倍，這與“偏航啟動(dòng)時(shí)偏航電機(jī)的電流約為偏航穩(wěn)定時(shí)電流2倍”的實(shí)際觀測結(jié)果一致。

在正常偏航工作壓力下，對于新安裝的一批摩擦片，在磨合初期階段（前3～4周），由于制動(dòng)襯塊與制動(dòng)盤未完全貼合，其靜摩擦系數(shù)μ1和動(dòng)摩擦系數(shù)μ2都比較小，偏航電機(jī)提供的偏航力矩M0很容易滿足公式（1）、（2）。

當(dāng)磨合期過后，制動(dòng)襯塊與制動(dòng)盤完全貼合，其靜摩擦系數(shù)μ1'和動(dòng)摩擦系數(shù)μ2'分別大于μ1和μ2。此時(shí)偏航，滿足公式（1）所需的偏航力矩M0比磨合初期的大。當(dāng)制動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)起來以后，靜摩擦系數(shù)迅速減小，變?yōu)閯?dòng)摩擦系數(shù)，偏航阻力矩變小，因而所提供的偏航力矩M0也迅速減小，減小到滿足3M0≤20μ2（p×A-f）R時(shí)，制動(dòng)盤減速轉(zhuǎn)動(dòng)。在減速轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，制動(dòng)盤與制動(dòng)襯塊的相對速度越來越小，動(dòng)摩擦系數(shù)又有向靜摩擦系數(shù)轉(zhuǎn)換的趨勢，偏航阻力矩變大。為克服偏航阻力矩，完成偏航動(dòng)作，偏航力矩M0再次增大，使制動(dòng)盤增速轉(zhuǎn)動(dòng)，如此往復(fù)。

上述分析說明在偏航阻力矩較小時(shí)，由于電機(jī)很容易克服偏航阻力矩，故不易發(fā)生偏航系統(tǒng)的異響和振動(dòng)，檢測電機(jī)電流形態(tài)平穩(wěn)。當(dāng)偏航阻力矩較大時(shí)，由于電機(jī)不容易克服偏航阻力矩，電機(jī)電流會(huì)出現(xiàn)三相不平穩(wěn)狀態(tài)，易發(fā)生偏航系統(tǒng)的異響和振動(dòng)。

實(shí)例驗(yàn)證

通過上文理論分析可知，當(dāng)偏航阻力矩小時(shí)，偏航系統(tǒng)的異響和振動(dòng)不易發(fā)生。現(xiàn)以2#風(fēng)電機(jī)組偏航降壓試驗(yàn)對該結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。

表4 2#風(fēng)電機(jī)組降壓試驗(yàn)偏航電機(jī)電流

對2#風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行偏航降壓試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。從2#風(fēng)電機(jī)組的數(shù)據(jù)表3和表4可知，在正常偏航工作壓力下，發(fā)生較大振動(dòng)時(shí)伴有較大異響的機(jī)組，其每臺(tái)偏航電機(jī)的各相電流均值相差較大，即三相電流不平衡（這也說明了電機(jī)的負(fù)載在時(shí)域里是不穩(wěn)定的）。偏航聲音柔和的機(jī)組，其每臺(tái)偏航電機(jī)的各相電流均值相差不大，即三相電流平衡（這也說明了電機(jī)的負(fù)載在時(shí)域里是穩(wěn)定的）。當(dāng)偏航壓力減小（即偏航阻力矩減小）時(shí)，偏航電機(jī)電流有變小的趨勢，但是當(dāng)偏航壓力為0bar時(shí)，偏航電機(jī)電流為4.27～4.76A，接近偏航壓力為10bar時(shí)的電流，這種情況可能是由部分活塞和缸體之間產(chǎn)生卡滯造成的。

通過對比2#風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)場降壓偏航試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，降壓后異響和振動(dòng)確有減弱趨勢（現(xiàn)場直觀感受明顯），證實(shí)了理論分析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的一致性。

為保證在19～25m/s風(fēng)速下正常偏航的安全，實(shí)例機(jī)組采用24bar的偏航壓力，但該壓力對于內(nèi)陸較低風(fēng)速3～19m/s來說顯然是過安全的。通過理論分析和實(shí)例驗(yàn)證可知，適當(dāng)降低偏航壓力能夠減少偏航系統(tǒng)異響和振動(dòng)的產(chǎn)生。需要說明的是，本文沒有考慮風(fēng)力對偏航運(yùn)動(dòng)的影響。實(shí)際上，當(dāng)風(fēng)力對偏航起阻力作用時(shí)，偏航電流會(huì)較大，反之會(huì)較小。

結(jié)論

本文針對風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的異響和振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)例檢測結(jié)果對比分析和偏航系統(tǒng)理論分析，得出的主要結(jié)論如下：

（1）偏航時(shí)偏航阻力矩的不平穩(wěn)是造成偏航發(fā)生異響和振動(dòng)的主要原因。

（2）當(dāng)偏航系統(tǒng)零部件的自激振動(dòng)頻率接近塔架幾個(gè)典型振型的頻率值時(shí)，會(huì)發(fā)生共振，使得異響和振動(dòng)加劇。

（3）適當(dāng)降低偏航壓力，能夠減小偏航時(shí)產(chǎn)生的異響和振動(dòng)。