基于再制造技術的風電機組偏航制動盤修復

劉洪冰，姚 鵬，李振國，陳超凡，陳 濤，王金生

（1.清華大學天津高端裝備研究院洛陽先進制造產業研發基地，河南 洛陽 471003；2.大生清風（北京）科技有限公司，北京 100036）

0 引言

由于化石能源會導致空氣污染、全球變暖等問題，近年來，新能源在全世界得到了高速發展[1]。其中，風能因為具有環境效益好、基建周期短等優勢，其裝機量在全球得到快速增長[2]，[3]。在碳達峰、碳中和的大背景下，我國的新能源革命和能源結構多元化進程將被快速推動，急需建立一個清潔、低碳的能源體系[4]，[5]。電力規劃設計總院發布的《中國電力發展報告2020》指出，截至2020年底，我國非化石能源裝機容量達到了9.8億kW，超額完成了“十三五”規劃目標[6]。其中，2020年風電新增并網裝機容量達到了7 167萬kW，創歷史新高。有學者預測，未來40 a，風電發展將維持高速度，預計到2060年，風電裝機將達到20.07億kW，約為2020年的7.1倍，在電力生產結構中的比重預計提升至44.09%，成為主要能源形式之一[7]。

風電機組設計壽命不應低于20 a[8]。因此，其核心部件設計壽命均應高于20 a。其中，偏航制動盤是風電機組傳動系統中受力最復雜的核心部件之一[9]。在風機正常運行期間，通過偏航驅動與偏航齒圈之間的傳動，風機機艙的朝向得到調整，進而通過偏航制動盤固定機艙朝向，保證葉輪始終朝向來風方向[10]。經過一段時間運行，偏航制動盤容易出現嚴重磨損，若不及時維修，磨損程度將加劇，維修難度及成本將進一步增大[11]。以往出現該問題，須對機艙進行吊裝，隨后更換偏航制動盤。采用該方法，工期需1個月以上，成本30萬元以上，給風場的經濟性帶來巨大的不利影響。因此，研發一種不需吊裝且質量可靠的在線再制造修復工藝，可直接在機艙中對偏航制動盤進行維修，進而縮短工期，降低維修成本和發電量損失。

1 修復要求及修復工藝

1.1 修復要求

偏航制動盤材質為QT400-18AL。磨損后，偏航制動盤的厚度減小，表面凹凸不平，偏航不穩定。針對偏航制動盤的運行工況，結合其出廠時的質量標準，確定修復后相關參數應滿足表1的要求。

表1 偏航制動盤修復后參數Table 1 Remanufacturing parameters of yaw disc

1.2 修復工藝

修復工藝如圖1所示。針對修復工藝的關鍵環節介紹如下。

圖1 修復工藝流程圖Fig.1 Process of remanufacturing

①盤面清理。對偏航制動盤磨損面進行清理，首先清理表面雜質，隨后用清洗劑徹底清除表面油污，露出金屬基體。

②盤面粗銑。使用自主研發的偏航制動盤銑削裝置，對磨損的盤面進行銑削，銑削前須根據偏航速度、電機功率等參數確定進刀量，避免進刀量過大導致崩刀、卡刀。

③鑲塊粘接。采用特制的耐高溫環氧結構膠，將鑲塊逐一粘接至銑削后的盤面，如圖2所示。鑲塊共有8塊，其材質與制動盤相同，均為QT400-18AL，8塊鑲塊連接起來與制動盤配合良好。為了提高鑲塊的耐磨性，避免再次發生磨損，對加工后的鑲塊做了合金化處理和淬火處理。通過合金化，使得涂層與球墨鑄鐵發生反應，在表面產生耐磨成分；通過淬火，使表面生成硬質相，提升了表面的耐磨性。

圖2 鑲塊粘接示意Fig.2 Cementing inserts

④加熱固定。采用特制的固定夾具將鑲塊固定到制動盤上，采用陶瓷電阻加熱片對鑲塊進行加熱，加熱溫度為80℃，加熱時間為2 h，以實現膠的快速固化。

⑤盤面精銑。利用偏航制動盤銑削裝置對粘接后的鑲塊進行表面銑削，銑削過程注意控制進刀量，以保證銑削精度。當制動盤的厚度滿足要求后，停止銑削，改用拋光片對盤面進行拋光，以保證表面粗糙度滿足要求。

⑥質量檢測。基于表1所列的參數，對修復后的制動盤進行質量檢測，以確定是否需要再次進行銑削或拋光，直到質量檢測滿足要求。

2 修復強度校核

在風機偏航過程中，偏航制動器對制動盤有壓力和剪切力，同時耐高溫環氧結構膠存在老化問題，因此，需要對修復后的偏航制動盤抗壓強度、剪切強度和老化情況進行校核。

2.1 抗壓強度校核

鑲塊與制動盤粘接后，二者之間的粘接面積S為

式中：F為偏航過程中1個制動器對制動盤的最大壓力；m為1個鑲塊的質量；g為重力加速度；分子中的±選取原則，當磨損面為上盤面時為+，磨損面為下盤面時為-。

由式（2）可知，當上盤面磨損時，修復后膠粘面受到的壓力更大。

以某國產品牌1.5 MW風機為例，代入相關參數，得到σ=2.55 MPa。

實驗表明，耐高溫環氧結構膠的抗壓強度[σ]為90.0 MPa，因此有：

式中：nσ為抗壓強度校核得到的安全系數，達到了35.3，滿足工程要求。

2.2 剪切強度校核

在得到壓應力的基礎上，可以計算得到：

式中：τ為剪切應力；μ為制動器摩擦片與鑲塊間的摩擦系數。

實驗表明，耐高溫環氧結構膠的剪切強度[τ]為21.5 MPa，因此：

式中：nτ為剪切強度校核得到的安全系數，nτ達到12.1，滿足工程要求。

2.3 老化試驗校核

耐高溫環氧結構膠受高低溫變化影響，存在老化情況。考慮到其剪切強度的安全系數大大低于抗壓強度，因此針對剪切強度開展雙85試驗，以驗證其老化后的剪切強度是否還能滿足要求。試驗時，將樣件表面清洗干凈，使用耐高溫環氧結構膠進行粘接，粘接面積為25 mm×12.5 mm，粘接5個試樣，固化后將其放入高低溫循環箱中并加載。根據試驗要求，先在2 h內升溫至85℃/85%濕度，保持4 h，隨后在2 h內降溫到-40℃，保持4 h，然后在2 h內再升溫到85℃，一次循環12 h，在90 d后取出5組樣件測試其剪切強度。

考慮到加載情況以及溫度變化情況，該試驗可模擬偏航制動盤運行20 a的工況。

從加載角度考慮，以某國產品牌1.5 MW風機為例，其偏航次數為1 000～3 000次/月，每次偏航時間為5～10 s。按上限計算，偏航制動盤在20 a內受到制動器加載作用的總時間（折算為天）為

試驗天數為90 d，大于83.3 d，因此從加載角度考慮，該試驗滿足模擬偏航制動盤運行20 a的情況。

從溫度變化角度考慮，由-40℃升溫至85℃并保溫，再降溫至-40℃并保溫，一個溫度變化周期為12 h，90 d內溫度變化次數為180次。無論溫度變化次數，還是溫度變化范圍，均比風機運行20 a的實際工況條件更為嚴苛。

因此，綜合考慮加載情況和溫度變化情況，該試驗可以模擬偏航制動盤運行20 a的工況。

測試樣件如圖3所示，測試結果如表2所示。

圖3 “雙85”試驗樣件Fig.3 Samples for“double 85”test

表2 測試結果Table 2 Test results

測試結果表明，5個樣件中剪切強度最小值為18.0 MPa，此時剪切強度的安全系數為10.1，滿足工程要求。

3 銑削參數設計

為了能夠高效高質量地銑削偏航制動盤，本文設計了專用的偏航制動盤銑削裝置。由于風機機艙中空間尺寸和供電功率有限，因此銑削裝置的體積和功率受限。為了保證銑削效率，對銑削裝置的參數進行計算。

根據偏航系統的設計參數。

式中：v為銑刀最佳切削速度，由銑刀特性決定，不同材料制成的銑刀特性不同，本計算選用硬質合金銑刀；d為銑刀槽寬，可以直接設計為銑削寬度，進而銑削時只需銑削一次即可滿足銑削寬度要求。

在N基礎上，計算得到每齒進給量Sz。

式中：CN為系數，取決于銑刀盤自身特性；t為銑削深度，即進給量，可根據工程要求確定；g，x，y，u，p，f和KMN均為系數，可查表得到。

計算得到的N，P等參數可直接用于銑削裝置設計，包括電機功率、減速器減速比等。因機艙內空間、供電功率十分有限，故在設計過程中，若出現裝置所需功率超過供電功率或裝置體積要求超過了現場空間大小，則須減小t，進而可減小P和電機尺寸，直至設計裝置所需空間和功率均滿足要求。若t減小到一定程度后裝置體積仍然超過了現場空間大小，可考慮更換電機類型，以在保證P的基礎上減小電機的體積。

值得一提的是，銑削效率是影響再制造效率的最重要因素之一。因此，建議在已知空間要求、功率要求的前提下，盡量選用功率大、尺寸小、重量輕的電機，進而提高再制造效率，同時降低人工成本。

最終設計的偏航制動盤銑削裝置（圖4）的額定功率為1.5 kW，額定銑削深度為0.3 mm，其功率和尺寸滿足現場實際情況，銑削深度也滿足現場要求。

圖4 偏航制動盤銑削裝置Fig.4 Milling machine for yaw disc

偏航制動盤銑削裝置的關鍵參數如表3所示。

表3 偏航制動盤銑削裝置設計參數Table 3 Parameters of the milling machine for yaw disc

銑削裝置主要部分的功能如下。

連接板：用于將銑削裝置安裝于偏航制動器安裝孔上。

電機：為銑削裝置提供動力。

支撐底座：用于固定電機。

銑刀座：用于安裝銑刀盤。

銑刀盤：用于銑削偏航制動盤表面。

橫向調節輪：用于沿水平方向調整銑刀盤的位置，即調整銑刀盤銑削偏航制動盤表面的具體位置。

橫向導軌：調節橫向調節輪時，電機和銑刀盤沿橫向導軌運動。

縱向導軌：用于沿垂直方向調整銑刀盤的位置，進而調整銑刀盤距離偏航制動盤表面的距離。

縱向固定螺栓：調整好銑刀盤的縱向位置后，鎖緊縱向固定螺栓可將電機和銑刀盤的縱向位置固定。

4 工程應用

本文選取2個風場開展工程應用，分別為山東某風場和河北某風場。偏航制動盤修復前后對比如圖5所示。

圖5 偏航制動盤修復前后對比Fig.5 Comparison of the yaw discs before and after remanufacturing

圖中：山東某風場偏航制動盤修復前最大磨損量為8.5 mm，表面有多條犁溝，偏航噪音較大，經過7 d修復后，其表面粗糙度達到Ra6.3，最大表面跳動為±0.3 mm，最薄處為29.8 mm，最厚處為30.3 mm，偏航無異響，滿足要求；河北某風場偏航制動盤修復前最大磨損量為5.6 mm，表面犁溝相對較少，但深度較大，偏航噪音較大，經過8 d修復后，其表面粗糙度達到Ra6.3，最大表面跳動為±0.3 mm，最薄處為29.7 mm，最厚處為30.1 mm，偏航無異響，滿足要求。

工程應用表明，對磨損的偏航制動盤進行再制造修復，效果可靠，成本低廉，修復后偏航制動盤的耐磨性增強，修復期間發電量損失小，對于風場的經濟性有一定意義。

5 結語

偏航制動盤磨損會導致偏航系統無法正常工作，影響風機發電量。本文介紹了一種再制造修復工藝，該工藝不需吊裝，可以直接在風機上對磨損的偏航制動盤進行修復。修復后，偏航制動盤的尺寸、表面粗糙度等參數得到恢復，耐磨性提高，偏航系統可以正常運行。工程應用表明，該工藝可以高效可靠地完成偏航制動盤的磨損修復，對于風場的經濟性具有一定意義。