風電機組偏航異響機理及相應處理方法的研究

張永婷

（1.酒泉職業技術學院，甘肅 酒泉 735000；2.甘肅省太陽能發電系統工程重點實驗室，甘肅 酒泉 735000；3.酒泉新能源研究院，甘肅 酒泉 735000）

目前，在各種可再生能源利用中，風能是使用最為廣泛和發展較快的可再生能源之一。隨著風電設備機組制造的高速發展，在運營過程中出現了很多質量問題[1]。其中偏航系統的異響振動問題尤為顯著，嚴重的需要將風機機組設備從塔架上吊下來維修，增加了維修成本，也給風機機組以后正常運行及維護帶來了很大挑戰；并且，偏航系統造成地振動噪聲，不僅危害了風電場周圍生態環境也對附近村莊居民生活有影響，也給其電網運行留下了隱患[2]。因此，為了風電后續長遠發展，也為了不影響風電輸出電能的質量和效率以及機組正常運行、維護等，針對該系列問題展開相應的探討和研究。

1 偏航系統構成及運行機理

1.1 偏航系統構成介紹

風力發電機組偏航系統通常由偏航驅動電機、偏航齒輪箱、偏航軸承以及偏航剎車盤、偏航制動器（閘鉗）、潤滑系統等組成[3]。

塔筒頂部、機艙座分別與偏航軸承帶有齒的內環、外環通過高強螺栓連接。在偏航過程中，驅動部分是由電機和減速器組成，通過偏航驅動電機輸出動力與偏航軸承內齒嚙合，轉動機艙進行偏航；而制動部分是由偏航制動器與剎車盤組成，通過安裝在偏航軸承附近的偏航制動器（即閘鉗），制動卡鉗由液壓壓力制動連接在偏航軸承上的偏航剎車盤，機艙偏航停止[4]。

1.2 偏航運行機理

偏航系統運行機理過程是通過風向標將風向變化方向轉化成電信號傳遞給控制器進行處理，將風向電信號進行比較器比較后得出機艙是順時針還是逆時針進行偏航運轉指令。偏航驅動電機通過減速與偏航軸承嚙合，將力矩傳遞給機艙底側偏航軸承進行對風，機艙偏航對風完成，風向變化電信號結束，驅動電機停止運轉，偏航運行完成，具體偏航系統運行機理如圖1所示。

圖1 偏航系統控制過程

由以上偏航運行機理可知，偏航驅動電機與機艙底部偏航軸承嚙合，使偏航力矩作用于軸承，當驅動電機偏航力矩大于或等于摩擦阻力矩時，機艙與風電機組塔筒產生相對運動，進而開始偏航動作。

1.3 偏航過程理論分析

由偏航系統運行機理以及偏航系統結構組成可知，當偏航系統開始工作時，機艙底部聯結地制動器（閘鉗）產生摩擦阻力矩，得出：

式中，M為偏航電機產生偏航力矩，若單個偏航電機偏航力矩為M′，則n個偏航電機M為nM′；M0為摩擦阻力矩，若有m組制動器，且每組制動器共有兩片摩擦片，則單片摩擦片阻力矩M′0為μ（p×A-f）R，那么，代入式（1）得出：

式中，μ為摩擦系數，p為制動壓力，A為液壓活塞截面積，f為彈簧力，R為制動器摩擦片接觸面與機艙回轉中心軸線徑向距離，J為機艙及其以上所有構件繞機艙回轉軸線的轉動慣量，α為機艙及其以上所有構件偏航轉動的起點角加速度。

若以加強型Y2風電機組為例，共有5個電機與9組偏航制動器組成，則由式（2）得：

當式（3）中α為0時，則偏航過程中機艙轉動是勻速進行的。

2 影響偏航系統異響機理分析及處理方法

通過上述偏航過程數學表示，經分析影響偏航系統正常偏航的因素有：偏航制動器（閘鉗）制動液壓壓力、偏航制動器表面摩擦片摩擦系數、偏航驅動電機與偏航軸承嚙合力矩、偏航減速器運轉速度、偏航制動器與剎車盤之間的接觸面積、偏航減速器是否平穩轉動、減速器內及與偏航軸承之間潤滑狀況等等。

2.1 偏航力矩與偏航速度

當偏航力矩過大時，就會增加偏航減速器內齒輪嚙合沖擊激發的齒輪本身固有的振動噪聲，隨之偏航轉動的啟動角加速度也會增加，在偏航啟動瞬間就會增加與偏航軸承的齒間沖擊；偏航速度會以一定的角速度增加，使偏航系統內部分零件失去原有平衡，進而產生異響[5]。

處理方法：由于靜摩擦系數是摩擦系數的2倍，則啟動偏航力矩為正常偏航力矩的2倍，當啟動完成后偏航力矩迅速降為原來一半，確保偏航過程中機艙轉動以勻速進行。

2.2 偏航制動器（閘鉗）與機艙底部聯接剎車盤之間摩擦因素

因偏航制動器（閘鉗）與機艙底部聯接剎車盤之間摩擦因素造成偏航系統異響有以下幾點：

（1）機艙底部聯接剎車盤產生變形。剎車盤產生變形會導致與閘鉗的表面接觸距離或者接觸位置產生變化，最終使得部分閘鉗或剎車盤因局部嚴重磨損而發生異響。

（2）偏航系統組成部件因加工工藝或裝配造成累計誤差造成閘鉗與剎車盤摩擦異響。

（3）偏航制動器（閘鉗）與剎車盤間表面接觸不均勻。塔筒頂部法蘭面因焊接熱應力變形致使剎車盤產生變形，在偏航過程中閘鉗表面摩擦片與剎車盤因僅局部面積接觸，而導致局部壓強過大造成振動異響。

（4）偏航制動器（閘鉗）表面摩擦片粗糙度系數不在標準范圍[5]。摩擦片一般選用低金屬摩擦材料，會因不同地區風電場氣候、季節周圍環境的區別，導致摩擦片摩擦系數不符合當地風電場風機運行標準，或長期制動運行也會使摩擦片表面產生磨砂顆粒等等，導致偏航運行時產生振動噪聲。處理方法：使剎車盤出廠檢驗達到技術要求；為避免以后剎車盤吊裝維修成本過高，可使剎車盤結構設計為分體式結構，便于剎車盤以后可在風場機艙內拆卸維修。

（5）偏航剎車盤上有油污。機組在運行過程中，液壓管路等泄漏，油污滴到制動器摩擦片與偏航剎車盤上，因兩側摩擦產生熱量致使摩擦接觸區域部分材質產生熱處理反應，形成較硬材質，降低了摩擦接觸表面的摩擦系數，最終硬質材料滑動產生振動噪聲。

對應措施：按照裝配標準進行打磨機艙底部剎車盤以及塔筒頂部接觸法蘭表面，達到表面粗糙度規定數值范圍。定期更換偏航制動器（閘鉗）表面兩側摩擦片，并同時根據不同地區風電場環境差異以及風電機組運行工況，提供摩擦系數在符合技術要求范圍內的偏航制動器摩擦片。在后期維護過程中定期檢查液壓系統并及時的清理泄露油污，定期檢查發現有油污污染的制動器摩擦片需及時更換或及時處理漏油零部件[6]。

2.3 偏航系統制動器（閘鉗）制動壓力[6]

因偏航制動器壓力造成偏航過程異響的原因有：

（1）偏航制動過程中制動壓力過高。偏航驅動電機在偏航過程中制動壓力時出現半泄壓狀態，當制動壓力過高時，因制動器摩擦片與剎車盤接觸造成在偏航時振動異響。

（2）偏航制動器油路不通，導致制動壓力不平衡，進而造成偏航剎車盤產生塑形變形。當制動器油路泄壓時，制動器上摩擦片因無復位功能仍然對剎車盤有余壓，致使風電機組偏航剎車盤處于磨損并產生振動異響。

對應措施：制動壓力降低至風機安全范圍內，以此來避免偏航振動異響。及時定期進行測量檢測偏航制動器與剎車盤間間隙，并及時更換制動器兩側摩擦片；同時安裝檢測摩擦片磨損信號器件，或在內部安裝彈簧復位機構。

2.4 偏航減速器是否平穩轉動

（1）偏航驅動電機齒輪軸偏心。偏航驅動電機在裝配過程中，偏航驅動電機軸與驅動中心軸同心度不夠。在偏航運行過程中，因偏心導致偏航驅動在運轉過程中嚙合受力不均勻，產生嚙合齒之間的碰撞，進而產生噪聲。

（2）偏航驅動減速器齒輪以及支架、箱體加工工藝精度差，產生整體裝配累計誤差。偏航驅動減速器主軸發生變形，或齒輪嚙合過程中產生點蝕、磨損等失效形式，致使偏航驅動在運轉過程中產生振動噪聲。

對應措施：將齒輪輪齒加工精度提高，以及整體裝配精度增加，減少偏航驅動齒輪箱輪齒產生變形，使齒輪運行平穩過渡，降低偏航減速器齒輪箱的振動噪聲。

2.5 偏航軸承齒側之間間隙

偏航軸承內齒側間隙即可以用來儲存潤滑油，又可以補償熱脹冷縮造成的空隙，但間隙過小或過大也會造成偏航齒間異響。

（1）齒側間隙小。一般由于在總裝廠調整出合格齒側間隙時是處于空載狀態的（未安裝葉輪），但當機組在現場整機安裝在運行一段時間后，由于機艙空載下部分零部件彈性變形狀態變化以及原重力狀態被破壞，導致運行狀態下吃側間隙比技術要求標準要小，導致齒輪嚙合時出現熱膨脹而卡死、咬合、無潤滑油膜等問題，就會產生減速器與偏航軸承碰撞異響現象。

（2）齒側間隙大。現在很多風場（包括瓜州等風場）由于某些原因，機組安裝后長期處于失電停機狀態，偏航液壓不可避免會出現內泄，但長時間液壓系統內泄、未補壓使得偏航液壓制動器處于失效狀態。偏航軸承齒側間隙過大時，在陣風作用下，偏航軸承內齒與減速器齒輪之間會產生疲勞點蝕、齒間打齒以及斷齒等現象；后風電機組在正常啟動運行時，因產生間隙過大形成空載，會產生齒間沖擊碰撞或者振動噪聲。

對應措施：風電場機組運維技術人員需對風電機組偏航軸承齒側間隙進行定期測量，并適時進行調整使其在合格范圍內；定期對偏航軸承齒側表面鐵屑、灰塵等殘渣進行清理、擦拭處理，從而提高機組運行平穩性以及壽命使用。

2.6 減速器內及與偏航軸承之間潤滑狀況

（1）偏航減速器與軸承齒輪嚙合表面較粗糙。風電場通常在戈壁無人區域，且干燥、風沙較大，風電機組在吸收風能過程中，空氣中會摻雜很多砂粒等具有硬度的顆粒物，吸附在嚙合齒面；或輪齒在嚙合過程中產生的金屬碎屑吸附在輪齒表面的潤滑油膜表面。以上這些都會導致齒輪嚙合過程中受力不均勻而產生振動異響；

（2）偏航嚙合齒面缺油脂。風機大多豎立在光強、多風地帶，機組內部包括減速器內以及偏航嚙合齒間等地方的潤滑油脂揮發很快，就會造成在風機運行工作中齒面干磨，造成異響噪音。

處理方法：在后期維護過程中定期處理嚙合面碎屑，并均勻涂抹油脂。

3 結論

根據偏航過程數學表述分析了影響偏航過程的因素，并以影響偏航過程的因素為角度，分析并匯總了造成偏航系統異響的機理，并給出相應的處理方法，為今后風機整機制造檢測及風場運維人員的管理提供了有效改善偏航系統異響的經驗，也在一定程度上提高了風電輸出電能的質量和效率。