淺談風電機組偏航軸承齒側間隙及調整

文 | 張新旺

淺談風電機組偏航軸承齒側間隙及調整

文 | 張新旺

風電機組長期運行在風沙大、溫度低的惡劣環境中，偏航軸承是風電機組中重要的零部件之一，除了要承受整個機艙和葉輪的重量，還要承受軸向載荷、徑向載荷和傾翻力矩，將葉輪的氣動力傳遞至塔架。機組運行時為了對風準確、提高風能利用效率，偏航減速器頻繁驅動偏航軸承大齒圈旋轉使葉輪正對風。偏航軸承側隙是指偏航軸承大齒輪與偏航減速器小齒輪嚙合時非工作齒面之間所形成的間隙。偏航軸承側隙不合理，將發生偏航減速器小齒輪和偏航軸承斷齒、小齒輪斷軸和機艙振動等故障。齒側間隙的存在會產生齒間沖擊，影響齒輪傳動的平穩性和載荷分布均勻性。通常風電場地處于偏遠、交通不便的荒漠、戈壁灘或山區，如果偏航軸承或偏航減速器損壞，那么不僅更換周期長，而且費用昂貴，這嚴重影響了風電場的經濟效益。所以在風電機組日常維護工作中，定期測量偏航軸承側隙是很有必要的。

風電機組偏航系統簡介

通常情況下，大型機組的偏航制動功能由偏航液壓制動器和偏航電機電磁剎車這兩套系統來完成的。偏航軸承的外圈是大齒圈，剎車盤和偏航軸承外圈與塔架連接固定；偏航軸承內圈與機艙底座連接，偏航制動器安裝在底座下方，偏航減速器安裝在底座上方，驅動大齒圈實現偏航功能。偏航制動器鉗住剎車盤是機艙偏航制動的第一套偏航制動系統；電磁剎車通過鎖住電機軸而實現制動偏航減速器小齒輪，這是偏航制動的第二套系統。

風電機組偏航軸承側隙調整的必要性

風電機組在現場運行一段時間后，現場檢測發現偏航軸承側間隙比正常值小。其原因可能是：廠家裝配主機調整的偏航軸承側隙是處于空載狀態（未安裝葉輪），各零部件在重力的作用下處于一種平衡狀態，此時相互嚙合齒之間的側隙屬于機艙重力作用下的位置，調整出的側隙是合格的。機組在現場整機安裝完成后再運行一段時間，當齒輪傳遞動力時，由于作用在齒輪上的力大于出廠前的力（現場機組安裝后增加了葉輪重力和風的作用力），會引起零部件的彈性變形等現象，于是由原來機艙自重作用下的狀態被破壞，使得側隙有所變化。

一、側隙小的危害

理論上來說，齒輪側隙應該為零，但在齒輪的實際工作過程中齒形會隨著溫度的上升而不斷變大，導致零側隙齒輪嚙合時出現熱膨脹而卡死、咬合、無潤滑油膜，所以偏航軸承側隙必須在一個合理的范圍之內，以保證齒輪正常工作及良好的潤滑油膜，使風電機組偏航系統處于最佳的工作狀態。

二、側隙大的危害

有些風電場由于某些特殊原因，機組安裝完幾個月甚至一年都未帶電，長期處于失電停機狀態。偏航液壓系統內泄是不可避免的，即使出廠前液壓系統已建起正常的壓力，但長時間液壓系統內泄和未補壓，偏航制動器內部壓力將會降低或者降為零，即偏航液壓制動器處于失效狀態，盡管偏航電機電磁剎車（失電為常閉狀態）已處于制動狀態，如果偏航軸承側隙大，在大風的作用下機組處于連續的“晃動”狀態，將造成偏航軸承上部的機艙隨風做小幅度的擺動（相對于靜止的偏航軸承大齒圈），嚙合齒之間一直處于往復碰撞沖擊狀態，齒面將會疲勞點蝕或甚至齒根斷裂。風電場建設中有許多主機（機艙）在現場放置較長時間后才安裝，甚至有些主機出廠前偏航系統壓力為零，如果偏航軸承側隙過大都有可能對齒輪造成傷害。

風電機組偏航系統至少安裝了兩個偏航減速器，而且做雙向旋轉運動，如果偏航減速器小齒輪與偏航軸承側間隙過大，那么偏航啟動時會形成一定的空載行程，進而引起嚙合沖擊、自激振動和噪聲等；減速器小齒輪側隙不同，還會造成偏航啟動時小齒輪不同步的現象，這是非常不利的。所以，有許多風電機組偏航啟動的瞬間可以聽到較大的“咚”的沖擊聲，此時可能由于振動過大，使機組報出機艙振動加速度故障。

風電機組解纜偏航時，偏航液壓制動器處于不工作狀態（失壓），如果偏航軸承側隙過大，由于葉輪和機艙體積大、重量大、迎風面積大，在大風的作用下機艙會左右擺動或產生一個慣性力矩，導致嚙合齒之間的沖擊力很大。

偏航制動時偏航系統一般需要幾秒的時間才能建起額定壓力使制動器產生有效的制動力矩。由于機艙轉動慣量大，雖然減速器小齒輪已被電磁剎車制動，如果偏航軸承側隙過大，此時即使小齒輪不能自轉但相對偏航軸承大齒圈是可以左右小角度的擺動，類似于“公轉”，使嚙合齒之間發生往復碰撞現象，這會引起沖擊載荷和加大某些部件的動載效應，造成的危害如上所述。

調整方法

一、調整方法分析

影響側隙的因素眾多，既有小齒輪的齒厚上下偏差、回轉支承的齒厚上下差、潤滑不良，又有偏航減速器與偏航軸承中心距偏差等，這些因素都會影響到風電機組運行中的偏航軸承齒側間隙。要使偏航軸承齒側間隙保持在一個合理的范圍內，主要有兩種方法：一種方法是基中心制，即固定中心距的極限偏差，通過改變齒厚的上偏差得到不同的最小極限側隙，一般偏航軸承大齒圈有上百個齒，選配齒厚上下偏差使齒側間隙合理，這種方法難度非常大，在風電場幾乎無法實現；另一種是基齒厚制，即固定齒厚的極限偏差，通過對偏航軸承與偏航減速器小齒輪的中心距進行微量調整，即選擇適當的中心距偏差。無論是在工廠內主機裝配還是現場機組檢修，齒厚都是不能改變的，所以在風電場只能通過微量調節齒輪副中心距的方法來調整減速器小齒輪與偏航軸承的嚙合間隙，必須采用基齒厚制。偏航減速器小齒輪與偏航軸承嚙合如圖1所示。

通常偏航減速器在設計時其輸出軸座安裝法蘭（止口）的圓心與小齒輪中心（偏航減速器中心軸線）設置一定距離。如圖2所示，O1為輸出軸座法蘭圓心，O2為偏航軸承圓心，O3為小齒輪圓心，△S為輸出軸座圓心與小齒輪中心的距離，D為偏航減速器輸出軸座安法蘭圓心與偏航軸承圓心之間的距離，L（θ）為偏航減速器小齒輪與偏航軸承的中心距：

L（θ）＝f（D, △S，θ）

從這個函數中可以看出，D和△S都是定值，θ為變量，調整減速器（輸出軸座）的安裝角度，即改變θ，可以實現偏航減速器小齒輪與偏航軸承的中心距L（θ）的改變，從而實現偏航軸承側隙的調整，使大小齒輪之間的側隙保持在一個合理的范圍內。

齒輪副的側隙檢測通常使用壓鉛絲法、打表法和塞尺法這三種方法，后兩種方法精度比較高，但由于風電機組偏航系統的結構性，其操作空間狹小，無法架表和塞尺測量，目前主要使用壓鉛絲法測量偏航軸承側隙。

二、某1.5MW風電機組偏航軸承側隙調整實例

采用壓鉛絲法測量齒側間隙。具體步驟如下：先將兩個鉛絲在齒輪齒長方向對稱放置，上下鉛絲距齒輪的上、下端面的距離均為L＝20mm-30mm，如圖3所示。啟動偏航電機驅動偏航小齒輪碾壓鉛絲，測量鉛絲的厚度。若間隙偏小，則將偏航減速器大端向遠離大齒方向旋轉；若間隙偏大，則將偏航減速器大端向靠近大齒方向旋轉。由于偏航減速器的小齒輪的齒形被修正過，上測量點間隙大于下測量點間隙，并且每臺偏航減速器的齒側間隙要分別調整。

結論

目前，許多風電場維護人員不重視偏航軸承側隙是否合理這個問題，該間隙一方面用于儲油，另一方面用于彌補熱膨脹空間。有些機組偏航軸承齒面存在鐵屑剝落和缺少潤滑脂的現象，以及偏航齒之間嚙合異響等問題；風電機組運行了較長時間，都從未測量過偏航軸承側隙，即使偏航啟動瞬間發出巨大的撞擊聲，也未查明問題的根源，這些問題很有可能是偏航軸承側隙不合理造成的。所以，建議維護人員按照風電機組檢修技術要求的規定，定期檢測偏航軸承側隙及調整側隙，以提高機組的穩定性，延長偏航軸承和偏航減速器的使用壽命。

（作者單位：新疆金風科技股份有限公司）