风电偏航减速机输入轴卡簧脱落故障浅析

文 | 纪良，罗文振，徐波，刘松松

风力发电机组的使用实现了将风能转化成电能，而风电偏航减速机作为其核心部件之一，通过偏航减速机调节机舱位置可使风轮始终处于迎风状态，充分利用风能来发电。因而，保障偏航减速机高效运行是确保风电机组正常发电的前提之一。本文针对风电机组运行过程中偏航减速机输入端卡簧失效问题，根据偏航系统工作原理以及减速机工作方式，结合实际运行数据对其失效原因进行分析，并提出相应的预防措施，为风电机组健康、持续、高效运行提供技术支持。

偏航原理

偏航系统不仅控制风电机组跟踪风向变化，而且还对机舱内缠绕到极限角度的线缆进行自动解缆。偏航系统主要由偏航控制机构和偏航驱动机构组成。

大兆瓦风力发电机组主要采用主动偏航方式来完成对风。其工作原理如图1所示，风向传感器实时采集风向信号并将其传送给控制器，当风向与风电机组轴线方向的偏离角度大于预设偏差阈值时，控制器发出偏航信号使偏航电机通电以驱动偏航减速机转动，偏航减速机输出齿轮与偏航齿圈啮合，从而带动机舱转动一定角度以完成对风。

对于大功率风电机组，偏航减速机会承载更大的负载、传动比和扭矩，因此减速机多采用星行轮传动。图2为某型号偏航减速机结构原理图，电机输入的高速低扭矩力通过偏航减速机减速作用最终产生低速大扭矩力以驱动齿圈动作。

偏航减速机输入端轴承轴向采用卡簧定位，以防轴承发生轴向窜动，若卡簧脱落不仅会造成轴承定位失效，而且脱落的卡簧落入到轴承和齿圈中易造成轴承损伤以及轮齿断裂，最终导致偏航失效。

卡簧失效理论分析

由偏航控制系统可知，当偏航指令为0时，刹车片闭合，偏航系统锁死，机舱停止转动。当偏航指令为1时，刹车片松开，偏航系统动作并完成风电机组对风。

根据齿轮啮合传动原理可反推出偏航减速机输入轴转速ω1：

式中：i1为偏航减速机传动比，i2为偏航减速机与偏航大齿圈的传动比，ω2为偏航齿圈转动速度。

其中i1可通过减速机铭牌查知，i2可由式（2）简单推算出：

式中：z1为输出齿轮齿数，z2为偏航大齿圈齿数。

由齿圈偏航传感器采集的数据可算出机舱在偏航时转动的速度：

图1 偏航控制系统工作原理

图2 偏航减速机结构原理图

式中：θ为机舱转动角度，t为机舱转动时间。

将式（2）和式（3）带入式（1）中求得偏航减速机输入轴所受反冲转速为：

当ω1值小于设计值时卡簧不会脱落，反之则会发生脱落现象。若卡簧坠入到齿箱中，则会引发断齿事故。

卡簧脱落案例分析

对风电场收集的相关运行数据进行分析。其传感器采集数据如表1所示，其中采样周期为1s。

根据图3可以发现本应锁死的机舱在12s内仍发生转动，其转动角度θ＝37.361°。

根据式（4）可求出12s内偏航减速机输入电机轴所承受的瞬时反冲转速。如图4所示，偏航减速机输入电机轴所承受的最高反冲转速高达10027rpm，平均反冲转速为5609rpm，电机平均转动圈数为1122r。

由表1可知偏航制动指令发出后制动器虽处于制动状态，但因其他原因机舱仍然发生了转动，并通过偏航传动链传递到偏航减速机输入轴端。根据DIN471标准，公称直径为75mm的卡簧，其极限松脱转速为5740rpm。而由图4可发现，偏航减速机电机输入轴大部分时间转速都超过5740rpm，其中最高转速可达10027rpm。卡簧在如此高的转速下工作，一定会在某一时刻发生松脱并坠入偏航减速机内，从而造成偏航减速机内部齿轮损伤。同时，瞬时反冲转速过高也会导致偏航电机损坏，并最终影响风力发电机组正常工作。

卡簧脱落预防措施

根据偏航减速机卡簧脱落原理以及案例分析可知，被动偏航是导致其失效的主要原因。完善被动偏航监测可有效预防偏航减速机发生被动偏航。同时，风电场运维人员对偏航刹车系统进行日常运维检查是预防偏航减速机卡簧脱落的一种重要措施。

一、完善被动偏航监测

在偏航减速机输入端和机舱偏航齿圈处加装监测系统，可有效提高被动偏航检测。其中，在偏航电机输出轴端与偏航减速机输入轴端加装转扭转速传感器，通过数据采集设备实时监控偏航减速机输入轴处所承受的扭矩与转速，并将采集到的数据传送至后台以便技术人员查看。该传感器能直观地显现出偏航减速机输入轴处卡簧转速，图5为安装实例图。

表1 采集数据

图3 12s内机舱转动角度

图4 12s内电机轴瞬时反冲转速

图5 转扭转速传感器

图6 偏航电机制动器间隙测量

此外，实时监控偏航齿圈转动角度亦可实现被动偏航监控。采用高精度传感器以检测机舱偏航角度，同时，将采集到的数据及时反馈于偏航控制系统，当被动偏航转动角度超出预设阀值时，系统便发出报警信号，提示风力发电机组存在被动偏航故障。

二、增强风电场运维

风力发电机组的健康运行离不开风电场运维人员的维护和保养。针对卡簧脱落故障，风电场运维人员在日常运维检查时可从以下几点出发。首先，根据现场风况及时查看偏航运行数据，其中包括偏航指令、机舱角度值、风向、风速等信息，以判断机舱是否发生被动偏航情况；其次，完善偏航控制策略，提高制动器响应速度，定期检查制动器液压系统工作是否正常，液压制动器刹车片间隙是否合格，根据其磨损情况及时进行更换；此外，在日常维护过程中还需对偏航电机制动器进行检测（如图6所示），通常偏航电机制动器刹车片合理气隙为0.3mm，当摩擦片单边磨损量超过2.5mm以上时应及时更换新的摩擦片，从而避免制动器因过度磨损无法及时完成制动。

结论

风力发电机组偏航刹车系统失效会造成偏航减速机发生被动偏航，使处在制动中的偏航齿圈发生转动，进而反向带动偏航减速机以及电机转动，造成本应发挥减速作用的偏航减速机成为增速机。由于偏航减速机传动比可达2000，因而，偏航齿圈缓慢转动易造成输入卡簧高速转动，从而使得卡簧因转速过高而发生脱落，最终坠入偏航减速机内部，造成减速机内部轮齿啮合失效。针对该故障，可通过改善被动偏航监测系统以提高对该故障的预警能力。同时，提高风电场的日常运维能力，亦可减轻此类故障发生概率，提高风力发电机组的运行效率。

摄影：殷占国