淺析偏航制動(dòng)間隙對(duì)偏航系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)的影響﹡

文／康濤 李英昌 王海龍

淺析偏航制動(dòng)間隙對(duì)偏航系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)的影響﹡

文／康濤 李英昌 王海龍

相對(duì)于前幾年的快速發(fā)展，最近兩年國(guó)內(nèi)的風(fēng)電行業(yè)逐步進(jìn)入轉(zhuǎn)型期，最初是由重規(guī)模向重成本轉(zhuǎn)移，目前則開始逐漸向重質(zhì)量、重效益轉(zhuǎn)變。越來(lái)越多的整機(jī)企業(yè)將目光從降低初次生產(chǎn)安裝成本，轉(zhuǎn)向提高風(fēng)電機(jī)組性能質(zhì)量，從而提高產(chǎn)品（包括零部件）的使用壽命與可利用率，降低風(fēng)電機(jī)組維護(hù)成本。

在風(fēng)電機(jī)組零部件故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中，偏航系統(tǒng)的故障在風(fēng)電機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)中排在第四位（數(shù)據(jù)來(lái)源：World Energy Council官網(wǎng)），屬于較為常見(jiàn)的機(jī)械故障。其中，對(duì)于偏航制動(dòng)器摩擦片與剎車盤的間隙（以下稱偏航制動(dòng)間隙）原因引起的故障，通常維修過(guò)程復(fù)雜耗時(shí)，有時(shí)甚至需要整體吊裝機(jī)艙以便更換剎車盤；并且偏航制動(dòng)間隙對(duì)摩擦片的使用壽命有直接影響。本文將從這兩方面詳細(xì)闡述偏航制動(dòng)間隙對(duì)機(jī)組偏航系統(tǒng)運(yùn)行及維護(hù)的影響。

對(duì)摩擦片使用壽命的影響

風(fēng)電機(jī)組裝配時(shí)，初始的單側(cè)偏航制動(dòng)間隙通常取2mm－3mm，而機(jī)組運(yùn)行起來(lái)以后，該間隙不管是偏航工況、制動(dòng)工況還是解纜工況，基本均為零。那么是否可以在設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)時(shí)，將偏航制動(dòng)間隙減小到0.5mm或是1mm呢？答案是否定的。以下從對(duì)摩擦片使用壽命的影響與偏航系統(tǒng)機(jī)械干涉兩個(gè)角度來(lái)分析偏航制動(dòng)間隙設(shè)定值不能過(guò)小的原因。

（一）磨損壽命影響

單側(cè)偏航制動(dòng)間隙的理論設(shè)計(jì)值為2mm－3mm，但風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的單側(cè)制動(dòng)間隙值通常一側(cè)變大，另一側(cè)變小，變化大時(shí)一側(cè)間隙會(huì)減小到只有0.5mm－1mm，特殊情況下單側(cè)間隙可能減小為0。偏航制動(dòng)系統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，偏航制動(dòng)器安裝在機(jī)架下面的安裝座上，而剎車盤則安裝在機(jī)架下面的偏航軸承上。偏航軸承的軸向剛度、偏航制動(dòng)器安裝座表面/機(jī)架底面/剎車盤安裝面的形位公差，以及剎車盤摩擦表面的端面跳動(dòng)等一系列影響因素，合成的制動(dòng)盤（剎車盤）安裝后的端面跳動(dòng)是引起制動(dòng)力矩波動(dòng)的一個(gè)重要因素，使單側(cè)偏航制動(dòng)間隙在風(fēng)電機(jī)組吊裝之前，已無(wú)法達(dá)到理想的設(shè)定值；風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)之后的運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)載對(duì)風(fēng)輪的作用力使機(jī)艙出現(xiàn)俯仰（俗稱點(diǎn)頭）現(xiàn)象，在每個(gè)俯仰周期，偏航制動(dòng)間隙發(fā)生周期性變化，偏航制動(dòng)間隙進(jìn)一步偏離設(shè)計(jì)值。

圖1 偏航制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的單側(cè)偏航制動(dòng)間隙小于設(shè)計(jì)值，若將設(shè)計(jì)值向下修正，則存在偏航工況與解纜工況下，摩擦片與剎車盤之間壓力大于設(shè)計(jì)要求的風(fēng)險(xiǎn)。該風(fēng)險(xiǎn)主要存在于風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行初期摩擦片的摩擦材料還未磨損的階段。由于摩擦片背板被制動(dòng)器殼體內(nèi)的凸臺(tái)或活塞支撐，磨損初始階段摩擦片背板受到的幾乎完全是剛性支撐，單側(cè)制動(dòng)間隙減小時(shí)，剎車盤對(duì)摩擦片的壓力急劇增大會(huì)加速摩擦材料的磨損。這類風(fēng)險(xiǎn)輕則使摩擦片的磨損速度大幅上升；對(duì)于常用的樹脂基摩擦材料（其中只含有少量的金屬組分），嚴(yán)重的話甚至?xí)⒛Σ敛牧蠅簼ⅲ耆А８鶕?jù)摩擦磨損原理，載荷增大會(huì)引起摩擦力增大，進(jìn)而引起溫升；載荷增大還會(huì)使輕微磨損變?yōu)閲?yán)重磨損。輕微磨損轉(zhuǎn)化為嚴(yán)重磨損是由于彈性接觸轉(zhuǎn)化為塑性接觸的結(jié)果。以上論述還只是對(duì)于彈性較好的金屬材料而言，對(duì)于彈性差、塑性強(qiáng)的樹脂基摩擦材料，壓力載荷引起的磨損變化更為嚴(yán)重。

下面分別利用理論計(jì)算和臺(tái)架試驗(yàn)兩種方法，對(duì)比摩擦片表面壓力p1（4MPa）與p2（8MPa）條件下，摩擦片的磨損壽命。計(jì)算的輸入?yún)?shù)如表1所列，

其中，磨損率是摩擦材料在p1負(fù)載條件下的測(cè)得的數(shù)據(jù)，計(jì)算過(guò)程假定p2負(fù)載條件下的磨損率數(shù)據(jù)不變，則p1與p2負(fù)載條件下的磨損壽命T通過(guò)（1）式計(jì)算可得：

p1條件下摩擦片的磨損壽命為2.472年；p2條件下摩擦片的磨損壽命為1.236年。

臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量磨損壽命的方法是將摩擦片置于試驗(yàn)臺(tái)上，以相同的滑動(dòng)速度（15mm/s）反復(fù)進(jìn)行摩擦，摩擦總行程5km，測(cè)量試驗(yàn)結(jié)束前后的摩擦片厚度（8個(gè)點(diǎn)，如圖二所示），求取差值后再計(jì)算每千米行程的磨損厚度，除摩擦材料原始厚度，得出摩擦片使用壽命內(nèi)的可用總里程，最后除以滑動(dòng)速度，即可得到摩擦片的試驗(yàn)?zāi)p壽命。

p1條件下與p2條件下測(cè)量得到的摩擦片試驗(yàn)前后的厚度數(shù)據(jù)如表2與表3所示，

p1與p2條件下滑動(dòng)5km后摩擦片的磨損量Δt分別為0.432mm與1.263mm，據(jù)（2）式可得摩擦片的試驗(yàn)?zāi)p壽命分別為1.96年與0.67年。

表1 磨損壽命理論計(jì)算輸入?yún)?shù)

表2 p1條件下試驗(yàn)前后摩擦片厚度（單位：mm）

表3 p2條件下試驗(yàn)前后摩擦片厚度（單位：mm）

圖2 磨損厚度測(cè)量點(diǎn)

對(duì)比計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，p1條件下試驗(yàn)得到的磨損壽命比計(jì)算結(jié)果要小20%多，這是由于理論計(jì)算數(shù)據(jù)是在壓力平穩(wěn)均勻的理想條件下得到的，而臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中換向時(shí)的壓力沖擊與油溫升高造成的壓力變化會(huì)使實(shí)際的磨損條件比理論計(jì)算時(shí)更加苛刻；p2條件下試驗(yàn)得到的磨損壽命比計(jì)算結(jié)果要小46%，比p1條件下臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)理論計(jì)算下降的幅度大1倍多，引起該變化的原因主要是摩擦材料的磨損率受載荷的影響，載荷加大使臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中的剎車盤表面溫度上升，摩擦材料的磨損率相應(yīng)增大，故而磨損速度明顯加快。因此，偏航制動(dòng)間隙過(guò)小會(huì)對(duì)摩擦片的磨損壽命造成嚴(yán)重影響。

（二）機(jī)械干涉影響

在偏航制動(dòng)器的設(shè)計(jì)中，摩擦片背板靠制動(dòng)器殼體內(nèi)部凸臺(tái)或活塞端面支撐，新的摩擦片上表面通常比制動(dòng)器殼體邊緣高一點(diǎn)（如0.5mm），如圖3所示。

在風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行中，隨著摩擦材料的不斷磨損，摩擦片厚度減小，解纜工況下，活塞端面對(duì)摩擦片背板不再有壓力作用，偏航制動(dòng)器的下殼體邊緣可能會(huì)高出摩擦片上表面。偏航制動(dòng)器的安裝尺寸公差與機(jī)艙的俯仰效應(yīng)會(huì)使單側(cè)偏航制動(dòng)間隙減小，如果制動(dòng)間隙被安裝公差與俯仰效應(yīng)抵消，此時(shí)偏航制動(dòng)器的下殼體邊緣就會(huì)與剎車盤發(fā)生干涉。因此，偏航制動(dòng)間隙如果設(shè)定值過(guò)小，也是偏航系統(tǒng)自身干涉的一個(gè)隱患，可能會(huì)造成制動(dòng)器殼體磨損剎車盤。

偏航制動(dòng)間隙過(guò)大的影響

過(guò)小的偏航制動(dòng)間隙會(huì)造成摩擦片的過(guò)度磨損，那么為了確保摩擦片的使用壽命達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，是否可以在設(shè)定值基礎(chǔ)上加大偏航制動(dòng)間隙，降低摩擦片過(guò)快磨損的風(fēng)險(xiǎn)呢？間隙變大，確實(shí)能夠?qū)惭b尺寸公差與俯仰效應(yīng)造成的兩側(cè)制動(dòng)間隙不均引起的異常磨損風(fēng)險(xiǎn)降低；但由于受到活塞許用行程限制，以及摩擦片厚度的影響，過(guò)大的偏航制動(dòng)間隙帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于提升摩擦片使用壽命帶來(lái)的效益。

圖3 偏航制動(dòng)器簡(jiǎn)圖剖面

摩擦片在制動(dòng)器中受到活塞的壓力，而被壓緊在剎車盤上，如圖4所示。為避免活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)漏油問(wèn)題，以及活塞傾斜使摩擦片受力不均造成異常振動(dòng)噪聲與磨損等故障，在活塞圓周與油缸之間加入密封圈與導(dǎo)向環(huán)。這樣既實(shí)現(xiàn)了防止上側(cè)偏航鉗體漏油造成剎車盤被污染，又有效約束了活塞沿油缸軸向運(yùn)動(dòng)。

基于圖4中的結(jié)構(gòu)，增大偏航制動(dòng)間隙設(shè)定值的條件下——假定設(shè)定值為5mm，單側(cè)偏航制動(dòng)間隙增大（如圖4所示的極限狀態(tài)），摩擦材料磨損殆盡時(shí)，偏航工況或制動(dòng)工況下，活塞行程比設(shè)定值為3mm時(shí)增大了4mm。此時(shí)如果活塞滑出底側(cè)的高壓密封圈，會(huì)造成液壓油大量泄露，引發(fā)液壓系統(tǒng)的故障；同時(shí)上側(cè)鉗體中的液壓油會(huì)對(duì)剎車盤上表面造成嚴(yán)重污染，引起偏航系統(tǒng)的振動(dòng)與噪聲。活塞行程過(guò)大還會(huì)削弱導(dǎo)向環(huán)對(duì)活塞滑動(dòng)的導(dǎo)向作用，使摩擦片背板所受壓力不均，造成摩擦材料過(guò)度磨損等問(wèn)題。

如果摩擦片的總厚度為18mm，其中摩擦材料厚度為8mm。如圖4所示的極限條件下，當(dāng)摩擦材料磨損殆盡時(shí)，一旦主控系統(tǒng)發(fā)出偏航指令，摩擦材料與剎車盤之間巨大的摩擦力會(huì)使摩擦片完全脫離制動(dòng)器殼體。摩擦片脫落后，活塞直接與剎車盤接觸，上側(cè)鉗體中的活塞（活塞材質(zhì)的硬度通常接近甚至高于剎車盤）將對(duì)剎車盤造成磨損，同時(shí)液壓油大量泄露，引發(fā)液壓系統(tǒng)故障。

由此可見(jiàn)，增大偏航制動(dòng)間隙設(shè)定值，會(huì)引發(fā)一系列的液壓系統(tǒng)故障，極限情況下甚至?xí)斐蓜x車盤磨損事故。

圖4 偏航制動(dòng)器結(jié)構(gòu)詳圖剖面

結(jié)論

綜上所述，偏航制動(dòng)間隙設(shè)定有其理論與應(yīng)用的客觀依據(jù)，并非隨意設(shè)置的。通過(guò)理論結(jié)合實(shí)際分析得出偏航制動(dòng)間隙對(duì)風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的影響，其影響并不局限于偏航系統(tǒng)，同時(shí)還會(huì)造成液壓系統(tǒng)的故障，甚至引起機(jī)艙與塔筒的振動(dòng)超限問(wèn)題。因此，偏航制動(dòng)間隙的合理設(shè)定，對(duì)于提升風(fēng)電機(jī)組的可利用率，降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，具有一定的積極意義。

（作者單位：國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司風(fēng)電技術(shù)中心）

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目——超大型超導(dǎo)式海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)研究，（編號(hào)：2012AA052302）