风力发电机组偏航系统常见故障分析★

宁文钢， 姜宏伟， 王岳峰

（太原重工技术中心， 山西 太原 030024）

引言

风能是一种可再生的清洁能源，取之不尽、用之不竭，是人与自然和谐共处、实现经济和社会可持续发展的新能源。近几年，随着人们对全球气候变化问题重视程度与日俱增，风力发电得到了快速发展，尤其在一些发展中国家，如中国、印度及拉丁美洲一些国家，风电行业的大规模发展逐步提上日程。

由于风的方向是不断变化的，水平轴风力发电机组需要靠偏航系统不断调整方向，最大限度的利用风能，目前市场上偏航系统有多种形式，从传动形式方面分液压偏航和电动偏航，从控制方面分主动偏航和被动偏航，从偏航布置形式方面分内啮合驱动和外啮合驱动偏航，从偏航轴承形式方面分滚动偏航和滑动偏航。水平轴、主动型、电动驱动的滚动偏航系统驱动机构主要包括偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航制动盘等几部分组成。偏航驱动机构如图1所示。

图1 偏航驱动机构图

总结近几年数十个风电场实际运行经验，偏航系统在整机运行过程中主要存在以下几方面问题：

1 偏航噪音偏大

偏航噪音大是风力发电机组常出现的问题，噪音的产生必然有振动的存在，从而对整机的安全稳定运行造成不利影响，因此噪音问题必须引起重视。一般情况下，偏航噪音主要由以下几个原因产生。

1）偏航驱动小齿轮与偏航轴承齿圈啮合异常产生噪音[1]，异常原因主要有两方面，一方面为偏航驱动小齿轮与偏航轴承大齿圈之间的齿侧间隙设计不合理或没有调整到设计值。为了方便调整输出齿轮与大齿圈的齿侧间隙，偏航驱动输出小齿轮有一定的偏心量（一般为1～1.5 mm），如齿侧间隙不合理，轻则导致启动瞬间有异响，重则会发生齿轮啮合卡死现象；另一方面偏航过程中驱动齿轮与偏航轴承齿圈表面缺少润滑油脂，齿面润滑脂在齿轮啮合过程中可以起到减小齿面磨损、防腐蚀及降低噪音的作用，由于偏航处载荷较大，齿面缺少润滑脂，在偏航时会产生较大噪音，加速齿轮磨损，因此在日常维护时必须保证齿面润滑良好。

2）偏航过程中偏航制动器与制动盘产生的摩擦噪音。为保证偏航过程中整机运行稳定，降低外载荷对偏航小齿轮的冲击，通常会在偏航过程中让偏航制动器保留一定余压，即整个偏航过程偏航制动器夹紧制动盘完成，有些机组在此过程中就会生产异响，分析原因如表1所示。

表1 摩擦噪音分析

3）其他方面原因导致制动力矩不够，机组在风载作用下整机不规律晃动产生噪音。偏航部分设计时，设计人员都会充分考虑偏航制动力矩问题，如果发生制动器抱不住现象，分析原因如表2所示。

4）机械结构件干涉产生噪音。由于偏航过程中存在相对运行的情况，如塔筒顶法兰与偏航轴承内圈连接，偏航轴承外圈与主机架连接，偏航时偏航轴承内圈固定不动，偏航轴承外圈与主机架在偏航驱动作用下绕偏航轴承内圈旋转，在相对旋转过程中有可能发生安装在主机架下表面的结构件或主机架下表面误差超差与偏航轴承内圈或塔筒顶法兰干涉，此类干涉产生的噪音比较有规律且容易被查出。

2 偏航减速齿轮箱打齿

目前偏航驱动齿轮箱已经基本国产化，产品质量趋于稳定，但仍有个别风力发电机组中会发生偏航驱动齿轮箱打齿现象，分析原因主要有以下几个方面：

1）偏航过程中、偏航制动时受到外载荷的冲击。在偏航过程中偏航制动器虽然带有一定压力，但是此时的偏航制动器仅起到提供一定阻尼的作用，突然的阵风依然会对齿轮产生一定冲击；偏航制动时当外载荷大于偏航制动器制动力矩之和时偏航驱动电机尾部的制动器参与制动，当外载荷继续增大超过设计载荷时，偏航驱动电机尾部制动器先发生打滑、甚至发生崩脱，如果偏航驱动电机尾部制动器设置的制动力矩安全系数过高，那么减速机行星结构中安全系数最小的一级就会先发生损坏。因此在保证整机偏航稳定性的同时，尽量选择合理的偏航制动力矩。

2）齿轮加工或热处理过程中产生缺陷。导致材料脆性增加[2]，冲击韧性大大降低，齿轮受到轻微冲击载荷时就会发生断裂，这通常是造成此类齿轮断齿的主要原因。

3）齿轮箱漏油导致减速机高速级缺少润滑发生打齿，由于偏航减速机齿轮的气密性不合格或运行一段事件后发生润滑油泄漏问题，高速级最先处于缺油运行状态，加之一定的冲击载荷，高速级行星传动很容易出现打齿。因此加强风电场日常巡检工作，对避免此类故障尤为重要。

3 偏航轴承断齿及滚道脱落

偏航轴承是风力发电机组机舱与塔筒连接的关键部件，偏航轴承发生损坏，将动用大型吊装设备进行现场更换。目前运行的风电场中偏航轴承发生的故障率不高，一般集中在偏航轴承的齿圈和内外圈之间的滚道。偏航轴承结构如图2所示。

图2 偏航轴承结构图

偏航轴承的齿圈最容易发生断齿，一般为偏航驱动齿轮的冲击或加工、热处理过程中出现缺陷导致。内外圈之间的滚道容易发生滚道脱落、剥离，产生的原因多为受冲击载荷较大、润滑缺失、热处理工艺不合格。因此在设计过程中应充分考虑偏航轴承关键部分安全系数的选取，按照实际风电场实际运行载荷工况对偏航轴承的极限承载能力及疲劳寿命进行仿真分析，确保滚道润滑良好，同时严格控制产品的加工工艺，提高偏航轴承整体的可靠性。

4 偏航制动盘磨损

偏航制动盘在偏航系统中扮演重要角色，偏航过程中偏航制动盘与偏航制动器配合为整机提供一定阻尼；偏航制动时，偏航制动器夹紧偏航制动盘为整机提供制动力矩，保证风机始终处于迎风状态。但是制动盘一旦发生过度磨损依然要动用大型设备进行现场更换，出现过度磨损情况可分两类：一类是偏航过程中偏航制动器偏航压力设置较大，长期磨损导致制动盘不能满足制动器的夹紧要求；另一类是制动器摩擦片磨损过度，制动器里的液压缸与制动盘直接接触导致制动盘磨损严重。为避免上述情况发生，一是要根据风电场实际运行情况，设定合理的偏航制动压力，确保偏航压力设置的准确性；二是考虑选用耐磨性更好的制动盘材料，对制动盘与制动器接触的表面行为公差提出严格要求，降低对制动盘的磨损；三是要加强现场的日常巡检工作，避免出现制动器摩擦片过度磨损而导致制动器液压缸磨损制动盘的问题发生。

5 结语

偏航系统是风力发电机组关键组成部分，从结构上来说偏航系统是连接机舱与塔筒的核心环节，从功能上来说偏航系统是水平轴风力发电机组保证风能利用率必备组件。偏航系统一旦产生故障，轻则损失发电量，影响机组的正常运行，重则需动用大型吊装设备进行检修、更换。因此为避免偏航系统故障的发生，在偏航系统设计和整机生产、运行时应从合理的参数选取、严格的过程质量控制、良好的运维管理等各个环节严格把控，确保风力发电机组安全、稳定、高效的运行。