風(fēng)電齒輪箱溫控閥的失效分析及優(yōu)化設(shè)計

賈耀武

摘 要：風(fēng)力機(jī)在運行中，齒輪箱潤滑、散熱系統(tǒng)會利用溫控閥來控制調(diào)節(jié)散熱器中的開口流量以達(dá)到調(diào)節(jié)齒輪箱油溫的作用，油溫的高低直接影響齒輪箱的潤滑性能、齒輪磨損和軸承散熱。溫度超限小則導(dǎo)致限功率，大則導(dǎo)致故障停機(jī)，可見溫控閥的作用舉足輕重，為保證溫控閥可靠運行，減少機(jī)組故障率，有效提升發(fā)電量。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī);齒輪箱;自力式溫控閥

1 背景

我國風(fēng)電起步晚，發(fā)展快，風(fēng)電公司如同雨后春筍，蓬勃發(fā)展。2020年以前，累計裝機(jī)年累積增長率將保持在20%左右，其裝機(jī)容量大，機(jī)組數(shù)量多，其中涵蓋了明陽智慧、聯(lián)合動力、華銳風(fēng)電的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，它們都具有增速齒輪箱，每年夏秋高溫季節(jié)都會報出諸如：齒輪箱油溫高、齒輪箱驅(qū)動端軸承溫度高等一系列故障，經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)計和研究分析導(dǎo)致油溫高的原因如下：

（1）齒輪箱空冷散熱裝置表面臟污;（2）齒輪箱空冷風(fēng)扇電機(jī)出力不足;（3）戶外溫度異常高;（4）齒輪箱散熱器溫控閥失效。

經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)計溫控閥失效是導(dǎo)致多數(shù)油溫高的主要原因，隨著機(jī)組運行年限的增加溫控閥失效，以致齒輪箱散熱能力下降，特別在高溫天氣和滿載荷時尤為明顯。

2 溫控閥介紹

溫控閥總體可分為自力式和電動式，因電動式控制精確調(diào)節(jié)靈敏故多用于暖通空調(diào)行業(yè)但因控制環(huán)節(jié)多故障率較高，而自力式是集感應(yīng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、反饋機(jī)構(gòu)等一體的新式感應(yīng)器，調(diào)節(jié)范圍寬，多用于風(fēng)電、化工行業(yè)，自力式溫控閥利用液體受熱膨脹及液體不可壓縮的原理實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。

溫包作為溫控閥的重要部件有著很強(qiáng)的敏感性，其常用黃銅制造并與潤滑油之間呈強(qiáng)制對流傳熱，以提高對被測溫度的反應(yīng)速度。溫包呈圓筒形薄壁容器，內(nèi)充相變的固體、氣體、液體或低沸點的飽和蒸汽，風(fēng)電一般采用價格較低的固液相式溫包。

固液相變式溫包又稱蠟式感溫包，蠟式感溫元件是一種溫度傳感器和熱致動器的統(tǒng)一體，它兼有接收溫度變化信號和輸出動作的雙重功能。這種石蠟經(jīng)過加工后變成感溫蠟的特性在于從固態(tài)受熱轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時，體積膨脹量可達(dá)13%～ 15%。利用感溫蠟的這一特性，在感溫蠟受熱產(chǎn)生固液相變時，將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，應(yīng)用于熱傳動及各種恒溫器件的溫度自動控制。

當(dāng)環(huán)境溫度升高時，蠟元件內(nèi)的膨脹劑由固相變?yōu)橐合啵w積膨脹，產(chǎn)生高達(dá)數(shù)十兆帕的壓力，通過橡膠塞擠出閥桿，使閥桿向外移動并做功。當(dāng)環(huán)境溫度降低時，膨脹劑由液相變?yōu)楣滔?，體積收縮，內(nèi)壓力消失，推桿在彈簧力或外載荷作用下退回、復(fù)位。

3 溫控閥失效分析

溫控閥是由溫度感應(yīng)組件、閥體、閥芯和調(diào)節(jié)彈簧組成，閥的開啟和關(guān)閉過程是一個彈簧力與溫度感應(yīng)介質(zhì)的膨脹力的力平衡過程。

調(diào)節(jié)彈簧是自力式溫度控制中的重要組件，其性能的優(yōu)、劣直接影響到閥瓣的提升和回位，由于受到交變載荷的作用，其性能參數(shù)的設(shè)計就顯得更為重要。

溫控閥有著先天的熱滯后性，滯后性加重是其失效前期的征兆，經(jīng)過分析研究引起溫控閥滯后性有以下幾個原因：

（1）溫包在感溫中存在熱滯后性;（2）定值彈簧最初值給定有偏差;（3）溫包密封性差、破損或泄漏。

隔膜是感溫包的關(guān)鍵密封元件，隔膜的好壞，直接影響溫控閥的正常工作與否。溫控閥的隔膜除了起密封感溫介質(zhì)的作用外，還具有力的傳遞作用。感溫介質(zhì)膨脹使隔膜發(fā)生變形，將膨脹力傳遞到橡膠鍵，推動閥桿運動。

密封力的大小影響密封的嚴(yán)密性、可靠性和壽命。隔膜密封不良是感溫元件失效的主要原因。溫控閥使用的時間過長，石蠟或銅粉從壓邊內(nèi)側(cè)擠入隔膜與橡膠鍵間，溫包內(nèi)膨脹劑體積減小，當(dāng)油溫上升，石蠟熔化，閥桿伸出量減少，不能起到控制油溫度的作用。

原因可概括為兩方面：一是密封面兩側(cè)壓力差大;二是密封面上有間隙。前者可以通過結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)予以克服;而后者由于密封力不夠所致，其中發(fā)生磨損是不可避免的。

4 溫控閥的優(yōu)化設(shè)計

4.1電磁式溫控閥

在夏季高溫時處理齒輪箱油溫高的常規(guī)做法是將溫控閥反裝，將閥處于完全關(guān)閉狀態(tài)，使油液直接進(jìn)入散熱器以降低溫度，但是這種做法在冬季就顯得很別扭，在達(dá)到機(jī)組并網(wǎng)溫度時（油溫一般為5℃以上），一邊是機(jī)組啟動時油泵因潤滑而一直散熱，另一邊是齒輪箱加熱器在工作，導(dǎo)致控溫失效和能量耗散，齒輪箱處在非適宜油溫下運行，降低使用壽命。

常用的電磁閥有三種，分別是直動式電磁閥、分步直動式電磁閥、間接先導(dǎo)式電磁閥。我們采用直動式電磁閥的設(shè)計原理對溫控閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

直動式有常閉型和常開型二種。常閉型斷電時呈關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)線圈通電時產(chǎn)生電磁力，使動鐵芯克服彈簧力同靜鐵芯吸合直接開啟閥，介質(zhì)呈通路;其結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠，常開型正好相反，根據(jù)機(jī)組運行情況和控溫方案來選擇開閉類型。

由于機(jī)組各廠家潤滑系統(tǒng)不同，電磁閥尺寸不相同，安裝方向亦不相同，有水平式和垂直式，這就需要計算閥芯的重力對彈簧的影響，以得到最佳彈簧剛度和長度。電磁閥只存在關(guān)和開兩個狀態(tài)，不存在熱滯后性，其反應(yīng)靈敏響應(yīng)快速，控溫效果顯著提高。

4.2電動三通閥

基于電動三通閥的溫控設(shè)計由PLC的DO模塊通過閥內(nèi)微電動機(jī)對流體溫度進(jìn)行控制，與電磁閥控溫相比較其溫控曲線更加平滑，精度更高。三通閥的工作原理，需要DO模塊輸出開閥位置角度給三通閥，以此來調(diào)節(jié)油液混合溫度，其控溫平滑、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好，可根據(jù)機(jī)組功率和溫升的趨勢來智能調(diào)節(jié)閥開度，達(dá)到提前控溫的目的。

5 溫控閥實施方案

5.1實施條件

風(fēng)電行業(yè)齒輪箱潤滑系統(tǒng)主要以川潤、敏泰為主，其最大的區(qū)別是川潤溫控閥在濾芯下方采用內(nèi)置式安裝，而敏泰則在散熱器上采用外置式安裝，我們在設(shè)計時就需要區(qū)別對待，相對來說敏泰外置式優(yōu)化起來簡單一點，而川潤的在濾芯下部和接油管閥體間，電磁閥放置和接線難度較大。

5.2電氣控制設(shè)計

風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)種類繁多主流有倍福、西門子、菲尼克斯、丹控等系統(tǒng)。因其模塊擴(kuò)展性良好，我們以典型的倍福系統(tǒng)為例進(jìn)行設(shè)計，如機(jī)組KL2404 和KL2424 數(shù)字量輸出端子連接與執(zhí)行器電氣隔離的二進(jìn)制 24 V 控制信號。每個總線端子含4個通道，每個通道都有一個LED 指示其信號狀態(tài)。 KL2404 和 KL2424有不同的最大輸出電流，另外4個通道總線端子可以直接連接四個2線制執(zhí)行器，提供四個接地點。

1）基于電磁閥的溫控閥設(shè)計是利用齒輪箱油溫傳感器顯示的溫度值由PLC的DO模塊的某一通道通過得失電對電磁閥的導(dǎo)通性進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制散熱的目的;

2）基于電動三通閥的溫控閥設(shè)計是利用齒輪箱油溫傳感器顯示的溫度值由PLC的DO模塊的某一通道通過脈沖電流對電動三通閥的開閥角度進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制散熱的目的。

我們假定：進(jìn)閥油溫如果大于35℃，而且機(jī)組功率或進(jìn)閥油溫有上升趨勢，三通閥開始打開;當(dāng)進(jìn)閥油溫55℃的時候，三通閥必須全開。

打開方式為：6s前后檢測進(jìn)閥溫度差值（6s后值減去6s前檢測的值，以下同），如果溫差大于0.1℃，三通閥打開一次，然后在持續(xù)檢測6s前后檢測進(jìn)閥溫度差值，如果溫差大于0.1℃，三通閥打開一次;直到三通閥全開。

進(jìn)閥油溫小于45℃，而且油溫有下降趨勢，三通閥開始關(guān)閉;當(dāng)進(jìn)閥溫油35℃且溫度無上升趨勢的時候，三通閥必須全關(guān)。

5.3程序設(shè)計

以明陽機(jī)組為例，根據(jù)齒輪箱運行工況、齒輪箱高低速油泵和散熱風(fēng)扇啟停條件，設(shè)計齒輪箱溫控閥啟動策略，溫控閥門限溫度可根據(jù)現(xiàn)場的實際需求進(jìn)行設(shè)定。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸春波，李淵.風(fēng)機(jī)齒輪箱油溫高原因分析及治理對策[J].2017.04.27.

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