摘 要：并网型水平轴式风力发电机组偏航系统普遍采用主动偏航对风方式，使机组的叶轮始终处于迎风状态，更好地吸收风能，发挥机组的发电效率。偏航系统作为风力发电机组的重要组成部分，直接关系到风电机组的性能发挥和运行稳定。然而，在风力发电机组偏航过程中有时会发生振动异响情况，不但影响机组的可利用率，而且噪音给风电场周围的居民生活也带来影响。分析风力发电机组偏航振动异响产生的原因，提出该问题的处理方法，对于提高机组运行稳定性以及运行效率具有重要作用和意义。
　　关键词：风力发电机组；偏航；振动异响；分析；处理
　　对于风力发电机组运行维护工作来说，保证机组运行稳定，提高机组的可利用率，使机组发挥最大的经济效益是运维工作的主要任务。水平轴式风力发电机组在运行一段时间以后，维护人员时常会遇到一个问题，即有些机组在偏航过程中会发生振动现象并伴随异常噪声，这给运维工作带来了一定难度。
　　并网型水平轴式风电机组通过自动偏航来找到主风向，在运行过程中偏航和制动动作比较频繁。如果机组偏航时发生振动异响，会引发机舱加速度故障及其他故障，不但降低了机组的可利用率，缩短了摩擦片的使用寿命，而且还造成结构件疲劳从而影响整机的使用寿命。另外，异常噪音对周围环境产生污染，也影响到附近居民的正常生活。因此，分析风电机组偏航振动异响产生的原因并提出解决方案，是运维工作迫切需要解决的问题。
　　1.风机偏航系统的工作原理及其作用
　　水平轴式风力发电机组普遍采用的是主动偏航对风方式。在机舱后部有两个相互独立的传感器——风向标和风速仪，风向标的信号反映出风机与主风向之间的偏离程度，机组在运行时根据风向标的方向与机舱方向的夹角决定风机是否偏航。当风向持续发生变化时，控制器根据风向标传递的信号控制偏航驱动装置使机舱转动对准主风向，偏离主风向的误差一般在±5度内。
　　在机组偏航时，安装在机舱底座上的偏航制动器加有部分刹车载荷（20bar-30bar的余压），使得偏航过程始终有阻尼存在，保证机舱平稳转动。偏航制动器多采用液压驱动方式，通常有常闭式和常开式两种结构，目前多数机组采用常闭式结构，即静止时偏航制动器将机舱牢固锁定，在需要偏航时，制动闸松开但仍保持一定的余压，使机舱在阻尼作用下平稳偏航。偏航制动器的数量根据偏航转动的制动载荷来确定，偏航速度采用力矩特性较软的多极电机驱动并采用大功率低转速的设计方案。
　　机组偏航主要在以下几种条件下出现：一是当风向发生变化时，机组主动寻找主风向而正常偏航。二是当机组朝着一个方向持续偏航到设定角度以后，为了使机组悬垂部分的电缆不至于过度纽绞而自行反方向偏航，这是解缆偏航。一般设定在小风状态下解缆，主要是为了避免机组在高风速段损失发电量。三是强制偏航，即当电缆的纽绞程度威胁到机组安全运行时会触发纽缆保护装置，使机组紧急停机，此时若要恢复机组运行，必须手动强制偏航使之解缆。
　　2.水平轴式风电机组偏航过程振动异响原因分析
　　风机在偏航过程中出现振动和异响，不利于风机安全运行。结合偏航原理和在实际工作中对故障的处理，从以下几个方面进行分析，查找原因。
　　2.1偏航制动器安装问题
　　水平轴式风力发电机组普遍采用液压钳盘式制动器，制动器为机舱提供必要的锁紧力矩，以保障机组的安全运行。在机组偏航时，制动器提供的阻尼力矩应保持平稳，与设计值的偏差应小于5%，制动摩擦片与制动盘的贴合面积应不小于设计面积的50%，闭合时摩擦片周边与制动钳体的配合间隙任一处应不大于0.5mm，制动过程不得有异常噪声。
　　制动器在工作时，液压油进入缸体，在油压作用下两个缸体内的活塞推动摩擦片做相向运动，摩擦片像卡钳一样夹住制动盘，使得机舱的偏转运动停止，从而实现制动作用。
　　针对机组在偏航过程出现振动和异响，我们对偏航制动器进行观察并拆解，发现以下情况：（1）钳体两侧固定摩擦片的挡块螺栓松动。挡块的作用是限制摩擦片位移和方便摩擦片更换，风机长时间运行以后挡块螺栓容易松动，偏航时摩擦片不受位移限制就会卡在钳体与制动盘之间，而且摩擦片与活塞之间也发生相对位移，造成摩擦力矩不均匀，贴合面积变化。（2）调整垫片装配不当。安装过程在制动器与基座之间加装有调整垫片，目的是调整摩擦片与制动盘间的间隙，但是当装配间隙发生变化后，导致钳体安装不平行，或者钳体与摩擦片贴死，局部摩擦力增大。（3）摩擦片周边与钳体的配合间隙超差。有些制动器没有间隙调整机构，这样不利于调整摩擦片与钳体的配合间隙。对于有间隙调整装置的制动器来说，安装后由于摩擦片两侧的间隙调整超差，导致上下摩擦片卡涩或窜动，偏航时摩擦片对制动盘的轴向压力不相等。由于每台机组上偏航制动器数量有若干个，如果每个摩擦片与制动盘的间距不一致，摩擦力矩不均匀，偏航过程制动盘上的多个受力点受力情况不一致，就会引起机舱振动。
　　2.2从摩擦材料的性能及摩擦过程分析
　　风机偏航过程始终需要有阻尼存在，这是一个相对复杂的低速滑动摩擦过程。许多试验证明，振动一般在低速情况下最为不利，当一个巨大的质量沿滑轨作低速滑动时，发生粘滑运行，当滑动速度很低时，常常不仅产生噪音，而且还会发生颤动。
　　风机偏航制动器技术条件里一般规定摩擦材料的摩擦系数为0.35-0.40。如果摩擦系数大于0.4，对制动盘的磨损量会增大，进而导致偏航过程热量增大，热量将导致摩擦材料表面烧结、表面材质变硬、摩擦系数降低。如果摩擦系数小于0.35，偏航时的阻尼力矩及制动力矩减小，将影响机组偏航以后准确定位。
　　摩擦材料对载荷、滑动速度及环境温度等因素比较敏感。由于风机偏航系统处在一个非封闭的环境里，气候条件的变化以及摩擦热量会引起摩擦副的摩擦系数发生波动，摩擦的不稳定性表现在机组结构上就会因摩擦力作用而产生振动，而噪音是摩擦诱导的振动现象。 　　风电机组在长期运行过程中，摩擦片与制动盘相互摩擦产生磨屑，随着磨屑积累量增多，磨屑、粉尘及钢材锈迹在摩擦片与制动盘之间受到压力和摩擦热的作用，摩擦片表面会形成类似釉质的硬层。釉层使摩擦片与制动盘的对偶特性发生变化，当釉层越积越厚，摩擦片不均匀磨损，摩擦系数波动，在阻尼力矩作用下产生的振动频率与机组的固有频率发生共振时，导致偏航过程出现抖动，并伴随异响。
　　2.3对偶材料损伤导致机组产生振动异响
　　对存在偏航异响的几台机组进行检查，我们发现制动摩擦片伤及对偶材料（制动盘）比较严重。从不同机组的制动器上拆卸摩擦片进行对比，可以看到有些摩擦材料已经从背板上剥离脱落，并且背板磨损变形；另外一些摩擦片磨损量较少，但是已经对制动盘造成磨伤；还有一些摩擦片磨损较大，磨屑成块状。
　　分析对偶材料损伤的原因：一是摩擦片达到磨损极限后没有及时更换，摩擦力对其背板及制动盘造成损伤；二是摩擦材料配料不均或内部材质较硬，以至于对制动盘造成损伤；三是偏航余压过大，摩擦片受力不均匀或压制工艺不合格，在较大压力作用下磨损加剧进而产生碎块。以上原因导致摩擦片与制动盘表面微观形状发生较大改变，在偏航时出现瞬时动力冲击，就引发振动异响现象。
　　2.4液压问题导致振动异响发生
　　在处理偏航振动异响问题时，我们用油压表对偏航余压进行测试，观察到机组在偏航过程中余压表的指针来回摆动，分析认为制动器液压系统中有气体存在。把偏航余压调节至大于30bar时，机组偏航时出现振动和噪音。对另外几台机组进行检查时，我们发现制动盘上有油液存在，经过观察和分析认为制动器存在漏油情况。对制动器缸体进行拆解，可以看到密封槽部位及缸体内有铁屑，并且有锈迹，排油孔处也有渗漏情况。进一步分析认为，铁屑影响到活塞与缸体的精密配合，当大量的摩擦热传递到活塞液压机构时， 密封圈受热老化，制动器密封一旦破坏，就会有油液渗漏。
　　在表面有油液的工况下，偏航转动时摩擦片表面受到油污浸渍并在压力和热量作用下形成釉质层，摩擦系数发生了变化。同时，由于液压系统中存在气体，油压波动及油液泄露影响了偏航制动效果。因此制动器液压系统中存在的问题，也是导致偏航转动时产生低频噪音的原因。
　　2.5从偏航系统传动机构进行分析
　　在无风状态下，我们对偏航正常机组和存在振动异响的机组进行对比测试，将偏航余压调节至零压力，手动启动偏航后，均无异常振动和噪音。由此，我们认为在偏航系统的传动机构中，偏航电机、偏航减速器、偏航大小齿轮以及偏航轴承的状态与偏航过程振动异响无直接的因果关系，并且经检查传动机构润滑良好，可以排除噪音源并非来自这些部位。
　　3.对机组偏航振动异响问题的处理
　　通过分析可以看出，在风力发电机组偏航时，阻尼力矩不平稳是造成振动的主要原因。为避免在偏航过程中产生振动和阻尼噪音，偏航系统必须满足在设定的低转速条件下具有合适的阻尼力矩和与之匹配的摩擦材料，其中偏航转速应根据风电机组的功率大小通过偏航系统力学分析来确定。为了有效减弱振动和消除噪音，可以采取以下处理措施。
　　3.1安装偏航制动器时要保证每个制动器与制动盘的装配关系，并调整好摩擦片周边与钳体的配合间隙。针对挡块松动问题，可以采用螺纹锁固胶或自锁螺母的方法做好放松措施，还可以改进挡块的安装结构，将平面固定方式改为嵌入式固定，安装间隙调整装置，解决挡块松动和间隙调整的问题。另外选用高质量的制动器，采取合理的安装工艺，可以有效解决因制动器安装问题导致的振动异响。
　　3.2由于对偶材料磨损、液压系统漏油、留存气体和余压设定问题对阻尼力矩造成影响，因此需要做好定期检查维护工作。当发现摩擦材料的厚度小于2mm并对制动盘造成磨损时，必须更换新的摩擦片。及时清理制动盘表面的油污和磨屑，因为很少的油污都将导致磨损加剧且摩擦片表面硬化产生噪音，因此要采取防渗漏措施更换液压密封件，保证摩擦片在正常工况条件下工作。定期检查偏航余压是否稳定，是否在制动器的额定压力范围内，及时调节压力。一般情况下，制动器在使用过程中，一年内必须更换一次油液过滤器并排气一次。
　　3.3采用新技术和新材料。为了有效清除偏航制动盘表面的磨屑和沙尘，可以在偏航装置上安装除屑除尘刮板，同时在摩擦片上设计排泄槽，减少磨屑和沙尘对阻尼力矩的影响。由于摩擦片更换不及时会伤及对偶材料，可以在制动器上安装摩擦片过量磨损预警保护装置，当摩擦片的磨损量达到临界值时，发出报警。另外，在摩擦片与背板之间粘接隔热层，以此消除摩擦热量对液压密封件的损害。采用新型复合摩擦材料，使摩擦片具有稳定的性能且合适的摩擦系数，也是有效消除振动和噪音的措施，
　　4.结束语
　　水平轴式风力发电机组偏航时出现振动异响是机组运行过程中较为普遍的问题，国内外其他风机厂家也有类似问题存在，偏航振动异响具有全球性的特点。随着风电技术不断发展和完善，改进偏航系统制造精度并完善安装工艺，推动相关厂家采用新技术和研发新材料对产品加以改进，必将会从根本上解决偏航振动异响问题，从而保证机组的运行稳定性并提高运行效率。
　　参考文献：
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　　作者简介：梁宏，男，汉族，新疆乌鲁木齐人，大学本科学历，新疆金风科技股份有限公司机械工程师，主要从事风力发电机组现场服务工作。