一种风力发电机组偏航制动盘碳粉清理自动装置

国华（哈密）新能源有限公司 李 博 于彦明 支培华 刘伟军 刘 康

当前采用的齿轮驱动偏航技术中，为实现机舱定位工况的制动力矩及偏航工况所需的阻尼力矩，需要一个摩擦片与偏航制动盘来实现“刹车”功能，在液压装置加压压紧刹车片的作用下产生阻尼作用的摩擦力。但通过以往对风力发电机机舱组的检修工作中发现，偏航系统中存在的最大问题，就是摩擦材料表面的釉质碳粉会随着刹车磨损而脱落，这样掉入下面的偏航制动盘中就会严重影响偏航工况，所以解决偏航制动盘的碳粉清理问题，对于提高风力发电设备的理论工作寿命来说是非常具有应用意义的。

1 偏航制动盘碳粉清理自动装置的设计背景

偏航系统对于风力发电机组来说是非常重要的，是为实现使发电机组的叶轮轴面始终与风向垂直、从而获得最大发动动力的功能。但为了避免振荡风向变化带来额外的交变荷载使偏航轮齿过早地损坏，需要一个实现刹车制动功能的偏航制动器。当发动机叶片正对风向运行发电时，液压系统通过全压制动来稳定发动机组的工况定位，当风向变化需要调整偏航运行方向时将液压装置的压力下调至23bar，使制动装置阻尼减小，从而实现偏航功能。

从偏航制动器的构造看主要分为摩擦片、制动片和卡钳活塞三部分，其中摩擦片的工作表面是釉面粗糙处理的，确保其具有较好的摩擦制动功能。这样的结构下，尽管能实现稳定的偏航制动功能，但摩擦片的工作面与制动盘在进行一段时间的接触后，一定会产生釉质层脱落的磨损问题，从而导致摩擦片表面的碳粉颗粒分离。而为了整个偏航系统能获得较好的运行状态，在偏航内齿圈等连接构件间都会用润滑油来加强配合，因此碳粉在脱落飘散的过程中极易受到油污污染，从而在制动盘上结块粘黏。而制动盘表面碳粉结块后就会使偏航制动出现不同程度的软启动故障，或造成机舱偏心振动超限出现故障，最终导致偏航电机过载损坏，严重影响了偏航装置的正常运行。

当前阶段对于该问题的解决方法还仍停留在定期检修阶段，安装了风力发电机组的发电站需每三月进行一次停机处理，将制动器从发电机舱中拆除后以人工的方式清理。这样的工作模式不仅费时费力、影响风力发电的实际效率，也无法有效起到过程控制作用，无法显著提高风力发电机组偏航系统的使用寿命。本文计划利用一种自动运行的刮板装置，在偏航系统完成自动解缆或偏航对风动作的过程中同步将制动盘表面的碳粉刮除清理，在源头处解决偏航装置因积落碳粉而产生偏振、工作噪声等一系列故障问题，避免偏航系统在摩擦片碳粉影响下进一步出现损伤现象。

2 偏航制动盘碳粉清理技术的问题

当前我国风力发电行业兴起时间较短，在意识到偏航系统受到碳粉粘黏不利影响的问题后，所采取的清理技术还比较简单落后。多数风力发电站都是按照每三个自然月的固定检修周期，将制动盘连通整个偏航系统一起拆卸下进行检修清理的。这种检修模式主要有如下问题。

2.1 维护成本过高，操作难度较大

过于频繁的检修工作给风力发电站建设单位带来了经济效益损失，较为频繁的停机操作，不仅在偏航制动盘维修上投入的人力、物力以及时间成本较高，也直接导致了风力发电效率不高的问题。风力发电机组每次的停机检修工序时间都是较长的，带来了巨大的发电量损失，且在它的检修过程中，对于检修人员来说还存在设备碰撞损伤、高空作业等客观不确定危险因素。所以采用一种与偏航制动系统同步运行的自动清理装置来替代人工检修，是具有提高风力发电产能和降低机舱维护检修成本现实意义的。

2.2 缺乏过程控制，不利于设备保养

风力发电机组的偏航制动盘上积落的碳粉结块并不可能是一天形成的，而是随着每次制动装置完成偏航动作或自动解缆动作、在液压装置提供压力产生摩擦时就会随之产生。但每次制动盘产生阻尼作用时都由人工清理显然是不现实的，所以风力发电站为了发电效益，将制动盘的检修周期定为3个月，以牺牲制动盘使用寿命的方式来保证风力发电的基础效益不受影响[1]。因此，只要有阻尼作用产生就会有碳粉脱落，若是处于风向变化较为频繁的特殊自然天气环境下，由于偏航制动装置需完成更高频次的解缆与追踪偏航动作，摩擦片所脱落的碳粉颗粒也会更多，那么出现偏航装置振动、异常响动、刹车时间过长以及电机过载等故障现象的概率就会更高。所以等到制动盘的碳粉结块积累到一定程度再进行检修清理，是非常不利于设备长期稳定运行的。

2.3 多次检修拆卸过程给偏航系统本身质量带来不利影响

目前，大型风力发电机组的偏航系统由电机驱动和液压系统的制动阻尼两部分组成，其中偏航制动器、纽缆保护装置、偏航驱动、偏航轴承等部分含有大量的配合传动部件，它们在设计时的维护保养需求是远高于三个月的，且大部分的机械构件都存在关于拆装次数的使用寿命。而为了单一的制动盘碳粉清理问题对部件配合部分进行多次拆装操作，容易使偏航系统的连接部件出现配合不严的问题，严重影响了偏航系统的正常运行性能和使用寿命。所以每年因过度拆卸组装问题而提前到达使用寿命报废处理的机械部件，对于发电站来说是一笔不小的成本浪费，且多次检修拆卸的工作流程，也给偏航系统稳定运行埋下了不小的隐患因素，因错误操作、不规范操作导致偏航装置故障损坏的问题现象也显著增加。

3 偏航制动盘碳粉清理自动装置的构造设计

偏航制动盘的碳粉清理自动装置的外形如图1，主要包括如下部分。

图1 碳粉清理自动装置外形

3.1 清理刮板

主要采用接触式轮刮动作模式来完成清理偏航制动盘表面碳粉动作的装置，其构造设计上分为两部分：一是为了确保结构刚性的金属机架，采用无缝钢材料与装置支架一体化加工完成；二是用于刮除清理作业的刮板头，采用材料刚性较低一些的铝板或硬质橡胶制成，避免清理刮除作业时对制动盘本身产生摩擦损耗。这样的清理刮板在该装置中共有两个，两个刮板在端面平面方向互相垂直安装，在装置进行清理轮刮动作时，以两条刮板边为直角边的三角形中垂线即为装置的最短有效工作距离，它的清理面积为制动盘上的条形圆环区域。

这样的设计，是因为在清理刮板设计中考虑到结构稳定性的因素，避免清理装置的基架在轮刮作业时会受到应力影响形变，从而导致出现刮刀刀面断裂缺失、刮板基架与偏航制动盘互相冲突的问题。且无论清理装置的底盘运动到什么角度什么位置，它都能确保拥有至少中垂线距离的清理工作范围[2]。另一方面双刮板头的设计也是考虑到在硬质橡胶或铝板刮头使用寿命的问题，双刮头即使有一处刮板刀头出现断裂缺失，还会有另外一个刮板来补充作业，将前面刮头的清理死角解决。

3.2 底盘

装置底盘与刮头在端面方向来看，对应安装位置是互相错开的，底盘在工作时处在偏航制动盘的内槽处。该清理装置的底盘采用圆形设计，要求底盘焊件必须整齐无毛刺，且要确保与支架连接可靠，下料粗糙度为Ra25。由于它是固定安装在偏航制动盘的环形槽内的，随着液压装置的压紧松开动作牵引支架完成压紧松开，因此圆形的底盘设计时，需考虑到减少故障运行时由于端面跳动导致自动装置与偏航装置的冲突碰撞。在圆形底盘的边际处，竖直伸出高度与制动盘槽深相同的围挡板组成一个开放容器结构。这样的目的是起到收集碳粉颗粒的作用，避免清理作业时碳粉结块被从制动盘刮除脱落后进入到凹槽，从而增加装置与环形槽的底面摩擦，影响装置底盘与凹槽的正常接触[3]。另一方面，也与制动盘凹槽起到同样的收集润滑油作用，避免润滑油流向塔筒给其它机组配件带来不利影响。

3.3 支架

该装置的支架是指底盘与刮头之间的连接部位，竖直方向的支架下部支脚与底盘的近圆心位置用两颗螺栓稳定连接，上部支脚是一个方形的支座，用四颗双头螺栓与偏航制动器的液压装置连接，起到固定装置的作用。水平位置在支架中端伸出两条垂直的横臂，分别用于安装两个独立的清理刮板。为了使整个支架结构在刮刀与制动盘接触时的稳定性，在两条刮板臂之间还加装了T型支架横臂。使整个自动清理装置的结构整体区域稳定。

4 清理装置的工作原理、设计优势与亮点

4.1 工作原理

在该装置与制动盘配合的工装表面处有一个用于表面清理的刮板，将该装置的基架用双头螺栓与发动机组进行稳定连接后，当制动装置需要完成制动动作时，液压装置将刹车片推向制动盘完成刹车。此时装置受液压装置影响，清理刮板被一同压向制动盘，与制动盘表面产生物理接触，在制动盘与摩擦片的阻尼作用下的减速过程中，由制动盘的旋转提供装置的水平轮刮力将摩擦片表面脱落的釉质与碳粉第一时间从制动盘擦除。而当风向发生变化时，液压装置的压力下调至23bar，卡钳松开制动盘完成偏航运行时，该清理装置能够和刹车片一同与制动盘分离，不影响制动盘的正常运作。

这种自动清理装置的连接杆，能够使偏航制动盘与清理装置的刮板底边接触，完成制动盘端面工装表面的水平轮刮推刮动作，利用刮板头来将制动盘的碳粉完全刮除清理，避免碳粉在制动盘表面污染结块，从而使整个发动机组的偏航制动器始终处于理想的表面清洁状态。用这样的装置替代传统依靠人力拆卸检修、完成清理偏航制动盘碳粉任务，就能够起到减少现场人员的工作量和延长偏航制动片使用寿命的作用。

4.2 构造简单，便于检修维护

该装置仅由清理刮板、底盘、支架三部分构成，可轻松实现替代人工砂纸打磨制动盘碳粉的检修步骤，由于工作原理与刹车片的卡钳压送类似，所以在投入使用的过程中，不会因清理装置出现故障而影响偏航制动装置的正常运行。且由于结构可靠，这样以两组铝板和硬质橡胶充当刀头的刮板，比此前出现的用于清理摩擦片的刮刀装置更加坚固耐用。在对风力发电机组的偏航系统进行检修时，只需将自动清理装置底盘内的碳粉清理出即可，无需拆换制动盘的操作。

4.3 避免碳粉颗粒影响其它部件

与此前华仪风能有限公司《一种风力发电机组偏航制动器摩擦片表面清理工装及其清理方法》的技术专利相比，本文提及的自动清理装置具有的技术优势主要有两方面：一是能够直接解决制动盘积落的碳粉结块问题，而不用从摩擦片的釉面清理方面考虑，与摩擦片同步运动的方式，使它能在碳粉还未与制动盘油污粘黏的第一时间就将其从制动盘端面刮除，具有更高的碳粉清理效率；二是此前技术并未解决刮除后的碳粉容放问题，碳粉在刮除后，受到制动盘旋转的影响虽大部分都会被排出偏航制动器，但仍有少量残留会顺着向心力方向流向塔筒，影响其它机组部件的配合运行，因此在制动盘圆环槽内安装清理碳粉的装置，解决了碳粉对制动盘之外的影响问题。

综上，通过安装试验证明，该装置能够在偏航制动器液压装置全压制动时，将摩擦片脱落到制动片的碳粉颗粒全部除净，且并未出现与偏航制动器部件的冲突碰撞现象。因此可以广泛应用于大型风电机组的齿轮驱动偏航系统，有效起到降低人工检修劳动成本与保养设备的基本要求。