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      風(fēng)電偏航減速機(jī)輸入軸卡簧脫落故障淺析

      2018-01-31 00:47:15紀(jì)良羅文振徐波劉松松
      風(fēng)能 2017年12期
      關(guān)鍵詞:卡簧齒圈減速機(jī)

      文 | 紀(jì)良,羅文振,徐波,劉松松

      風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的使用實(shí)現(xiàn)了將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能,而風(fēng)電偏航減速機(jī)作為其核心部件之一,通過偏航減速機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)艙位置可使風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài),充分利用風(fēng)能來發(fā)電。因而,保障偏航減速機(jī)高效運(yùn)行是確保風(fēng)電機(jī)組正常發(fā)電的前提之一。本文針對風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中偏航減速機(jī)輸入端卡簧失效問題,根據(jù)偏航系統(tǒng)工作原理以及減速機(jī)工作方式,結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對其失效原因進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的預(yù)防措施,為風(fēng)電機(jī)組健康、持續(xù)、高效運(yùn)行提供技術(shù)支持。

      偏航原理

      偏航系統(tǒng)不僅控制風(fēng)電機(jī)組跟蹤風(fēng)向變化,而且還對機(jī)艙內(nèi)纏繞到極限角度的線纜進(jìn)行自動(dòng)解纜。偏航系統(tǒng)主要由偏航控制機(jī)構(gòu)和偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。

      大兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要采用主動(dòng)偏航方式來完成對風(fēng)。其工作原理如圖1所示,風(fēng)向傳感器實(shí)時(shí)采集風(fēng)向信號(hào)并將其傳送給控制器,當(dāng)風(fēng)向與風(fēng)電機(jī)組軸線方向的偏離角度大于預(yù)設(shè)偏差閾值時(shí),控制器發(fā)出偏航信號(hào)使偏航電機(jī)通電以驅(qū)動(dòng)偏航減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),偏航減速機(jī)輸出齒輪與偏航齒圈嚙合,從而帶動(dòng)機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度以完成對風(fēng)。

      對于大功率風(fēng)電機(jī)組,偏航減速機(jī)會(huì)承載更大的負(fù)載、傳動(dòng)比和扭矩,因此減速機(jī)多采用星行輪傳動(dòng)。圖2為某型號(hào)偏航減速機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖,電機(jī)輸入的高速低扭矩力通過偏航減速機(jī)減速作用最終產(chǎn)生低速大扭矩力以驅(qū)動(dòng)齒圈動(dòng)作。

      偏航減速機(jī)輸入端軸承軸向采用卡簧定位,以防軸承發(fā)生軸向竄動(dòng),若卡簧脫落不僅會(huì)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(dǎo)致偏航失效。

      卡簧失效理論分析

      由偏航控制系統(tǒng)可知,當(dāng)偏航指令為0時(shí),剎車片閉合,偏航系統(tǒng)鎖死,機(jī)艙停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)偏航指令為1時(shí),剎車片松開,偏航系統(tǒng)動(dòng)作并完成風(fēng)電機(jī)組對風(fēng)。

      根據(jù)齒輪嚙合傳動(dòng)原理可反推出偏航減速機(jī)輸入軸轉(zhuǎn)速ω1:

      式中:i1為偏航減速機(jī)傳動(dòng)比,i2為偏航減速機(jī)與偏航大齒圈的傳動(dòng)比,ω2為偏航齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

      其中i1可通過減速機(jī)銘牌查知,i2可由式(2)簡單推算出:

      式中:z1為輸出齒輪齒數(shù),z2為偏航大齒圈齒數(shù)。

      由齒圈偏航傳感器采集的數(shù)據(jù)可算出機(jī)艙在偏航時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度:

      圖1 偏航控制系統(tǒng)工作原理

      圖2 偏航減速機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

      式中:θ為機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)角度,t為機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。

      將式(2)和式(3)帶入式(1)中求得偏航減速機(jī)輸入軸所受反沖轉(zhuǎn)速為:

      當(dāng)ω1值小于設(shè)計(jì)值時(shí)卡簧不會(huì)脫落,反之則會(huì)發(fā)生脫落現(xiàn)象。若卡簧墜入到齒箱中,則會(huì)引發(fā)斷齒事故。

      卡簧脫落案例分析

      對風(fēng)電場收集的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其傳感器采集數(shù)據(jù)如表1所示,其中采樣周期為1s。

      根據(jù)圖3可以發(fā)現(xiàn)本應(yīng)鎖死的機(jī)艙在12s內(nèi)仍發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),其轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ=37.361°。

      根據(jù)式(4)可求出12s內(nèi)偏航減速機(jī)輸入電機(jī)軸所承受的瞬時(shí)反沖轉(zhuǎn)速。如圖4所示,偏航減速機(jī)輸入電機(jī)軸所承受的最高反沖轉(zhuǎn)速高達(dá)10027rpm,平均反沖轉(zhuǎn)速為5609rpm,電機(jī)平均轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為1122r。

      由表1可知偏航制動(dòng)指令發(fā)出后制動(dòng)器雖處于制動(dòng)狀態(tài),但因其他原因機(jī)艙仍然發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng),并通過偏航傳動(dòng)鏈傳遞到偏航減速機(jī)輸入軸端。根據(jù)DIN471標(biāo)準(zhǔn),公稱直徑為75mm的卡簧,其極限松脫轉(zhuǎn)速為5740rpm。而由圖4可發(fā)現(xiàn),偏航減速機(jī)電機(jī)輸入軸大部分時(shí)間轉(zhuǎn)速都超過5740rpm,其中最高轉(zhuǎn)速可達(dá)10027rpm。卡簧在如此高的轉(zhuǎn)速下工作,一定會(huì)在某一時(shí)刻發(fā)生松脫并墜入偏航減速機(jī)內(nèi),從而造成偏航減速機(jī)內(nèi)部齒輪損傷。同時(shí),瞬時(shí)反沖轉(zhuǎn)速過高也會(huì)導(dǎo)致偏航電機(jī)損壞,并最終影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常工作。

      卡簧脫落預(yù)防措施

      根據(jù)偏航減速機(jī)卡簧脫落原理以及案例分析可知,被動(dòng)偏航是導(dǎo)致其失效的主要原因。完善被動(dòng)偏航監(jiān)測可有效預(yù)防偏航減速機(jī)發(fā)生被動(dòng)偏航。同時(shí),風(fēng)電場運(yùn)維人員對偏航剎車系統(tǒng)進(jìn)行日常運(yùn)維檢查是預(yù)防偏航減速機(jī)卡簧脫落的一種重要措施。

      一、完善被動(dòng)偏航監(jiān)測

      在偏航減速機(jī)輸入端和機(jī)艙偏航齒圈處加裝監(jiān)測系統(tǒng),可有效提高被動(dòng)偏航檢測。其中,在偏航電機(jī)輸出軸端與偏航減速機(jī)輸入軸端加裝轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)速傳感器,通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控偏航減速機(jī)輸入軸處所承受的扭矩與轉(zhuǎn)速,并將采集到的數(shù)據(jù)傳送至后臺(tái)以便技術(shù)人員查看。該傳感器能直觀地顯現(xiàn)出偏航減速機(jī)輸入軸處卡簧轉(zhuǎn)速,圖5為安裝實(shí)例圖。

      表1 采集數(shù)據(jù)

      圖3 12s內(nèi)機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)角度

      圖4 12s內(nèi)電機(jī)軸瞬時(shí)反沖轉(zhuǎn)速

      圖5 轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)速傳感器

      圖6 偏航電機(jī)制動(dòng)器間隙測量

      此外,實(shí)時(shí)監(jiān)控偏航齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)角度亦可實(shí)現(xiàn)被動(dòng)偏航監(jiān)控。采用高精度傳感器以檢測機(jī)艙偏航角度,同時(shí),將采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)反饋于偏航控制系統(tǒng),當(dāng)被動(dòng)偏航轉(zhuǎn)動(dòng)角度超出預(yù)設(shè)閥值時(shí),系統(tǒng)便發(fā)出報(bào)警信號(hào),提示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組存在被動(dòng)偏航故障。

      二、增強(qiáng)風(fēng)電場運(yùn)維

      風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的健康運(yùn)行離不開風(fēng)電場運(yùn)維人員的維護(hù)和保養(yǎng)。針對卡簧脫落故障,風(fēng)電場運(yùn)維人員在日常運(yùn)維檢查時(shí)可從以下幾點(diǎn)出發(fā)。首先,根據(jù)現(xiàn)場風(fēng)況及時(shí)查看偏航運(yùn)行數(shù)據(jù),其中包括偏航指令、機(jī)艙角度值、風(fēng)向、風(fēng)速等信息,以判斷機(jī)艙是否發(fā)生被動(dòng)偏航情況;其次,完善偏航控制策略,提高制動(dòng)器響應(yīng)速度,定期檢查制動(dòng)器液壓系統(tǒng)工作是否正常,液壓制動(dòng)器剎車片間隙是否合格,根據(jù)其磨損情況及時(shí)進(jìn)行更換;此外,在日常維護(hù)過程中還需對偏航電機(jī)制動(dòng)器進(jìn)行檢測(如圖6所示),通常偏航電機(jī)制動(dòng)器剎車片合理氣隙為0.3mm,當(dāng)摩擦片單邊磨損量超過2.5mm以上時(shí)應(yīng)及時(shí)更換新的摩擦片,從而避免制動(dòng)器因過度磨損無法及時(shí)完成制動(dòng)。

      結(jié)論

      風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航剎車系統(tǒng)失效會(huì)造成偏航減速機(jī)發(fā)生被動(dòng)偏航,使處在制動(dòng)中的偏航齒圈發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而反向帶動(dòng)偏航減速機(jī)以及電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),造成本應(yīng)發(fā)揮減速作用的偏航減速機(jī)成為增速機(jī)。由于偏航減速機(jī)傳動(dòng)比可達(dá)2000,因而,偏航齒圈緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)易造成輸入卡簧高速轉(zhuǎn)動(dòng),從而使得卡簧因轉(zhuǎn)速過高而發(fā)生脫落,最終墜入偏航減速機(jī)內(nèi)部,造成減速機(jī)內(nèi)部輪齒嚙合失效。針對該故障,可通過改善被動(dòng)偏航監(jiān)測系統(tǒng)以提高對該故障的預(yù)警能力。同時(shí),提高風(fēng)電場的日常運(yùn)維能力,亦可減輕此類故障發(fā)生概率,提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率。

      攝影:殷占國

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