基于FMEA 的風力發電機組偏航系統可靠性分析

席瑞萍

（太原重工新能源裝備有限公司， 山西 太原 030032）

0 引言

偏航系統[1]是風力發電機組必不可少的重要組成結構， 也是影響風機發電量的重要因素和風機安全的重要保證。其主要功能有兩個：一是使風輪跟蹤變化穩定的風向，提升風能的利用效率；二是當發生特大強風、電纜纏繞或者故障時， 采用相應的控制程序進行操作， 自動解纜，保證機組的安全[2]。 偏航系統的作用除了在風向變化時可及時調整風輪風向外， 還可以有效防止懸垂電纜過度發生扭轉、纏繞。因此，該機構的裝配安裝質量，對于其工作性能及可靠性意義重大。

故障模式及影響分析FMEA （Fault Modes & Effects Analysis）是一種通過分析系統中每一產品所有可能發生的故障模式及對系統造成的所有可能影響， 并按每一個故障模式的嚴重程度及其發生概率進行分類的一種歸納分析方法。 按使用階段的不同，可以分為設計FMEA（簡稱DFMEA）和過程FMEA（簡稱PFMEA）。

FMEA 是開始于產品設計和制造過程中， 并指導貫穿實施于整個產品周期， 是以產品可能發生的潛在故障為基礎， 不斷進行產品的升級改造以達到提升產品安全性及可靠性的目的。 該分析方法是從整個結構系統的每個零部件著手，自下而上逐級分析，匯總所有基礎零部件的可能故障種類，最后歸納總結。

1 偏航系統的組成及工作原理

偏航系統由偏航軸承、偏航制動盤、偏航電機、偏航減速器、偏航制動器等部件組成[3]，見圖1。

圖1 偏航系統

偏航系統具有連接機艙與塔筒的作用[4]，與塔架和機架配合連接， 其中偏航軸承安裝于塔架頂端的塔筒法蘭上， 偏航軸承的軸承內外圈分別與機組的機艙和塔體用螺栓連接。 偏航軸承外圈連接機架，內圈連接偏航驅動齒輪，偏航驅動安裝于偏航內齒圈，驅動裝置通過驅動小齒輪在偏航軸承上的運動，帶動機架在塔架上轉動，從而實現偏航對風功能。

2 偏航系統功能分解－矩陣分析

為充分分析偏航系統的各項功能要求， 使其滿足標準、安全性、可靠性、穩定運行等要求，同時也要滿足外觀、制造性、裝配性、維修性等要求。對偏航系統及其各組件的使用功能進行列舉，辨別各種零部件內、外在使用要求， 對其進行分析整理， 將零部件使用功能一一進行分解，根據零部件的使用功能制定關鍵質量控制點。依據此功能分解，使零部件的質量特性定義更具針對性，更有利于對零部件的失效原因進行分析， 并依此制定相應的質量改進計劃。 偏航系統功能－矩陣分析見表1。

表1 偏航機構功能－矩陣分析

3 偏航機構FMEA 分析

3.1 故障模式與影響分析

故障是產品由于老化、磨損、疲勞等多方面原因，喪失預計性能的一種狀態，對于機電產品來說，組成結構較復雜，產品故障原因受設計、生產、制造、使用、維護等多方面因素的影響，導致故障模式多種多樣，對于風電機組產品而言，其使用環境比較惡劣，如若日常運維不夠及時等因素，就會加大故障產生的頻率，同時故障的模式也會更趨于復雜。偏航系統是一個較復雜的機構，主要由結構件、液壓系統共同組成，根據該系統設計的穩定運行可靠等級，再結合實際工程經驗，對偏航齒輪故障、偏航軸承故障、偏航驅動故障、制動系統液壓管路[5]的故障模式分別進行分析，并計算其風險優先數RPN，以判定故障的嚴重程度。 風險優先數RPN 可用下式表示，它反映了故障發生的可能性及其后果嚴重性的綜合度量，RPN 值越大，該故障的危害性就越大。

RPN=S×O×D

通過表2 可知，在偏航系統中，偏航電機的風險優先數RPN 值最大，偏航軸承次之。 可以反映出偏航電機的故障對偏航系統的穩定運行影響風險最大。

表2 偏航系統故障模式分析[6-10]

3.2 分析結論及改進建議

根據FMEA 的故障模式與影響分析結果， 可以看出在偏航機構中，液壓管路等部件，其RPN 相對較低，因其失效最主要是由于日常維護不足，未對密封件定期更換，通過提高維護保養水平，以降低系統失效的影響，提高產品穩定運行能力。

而偏航減速器的失效嚴重度較高，這主要由以下原因導致：減速器摩擦片表面附滿油；制動盤與減速器摩擦片接觸，長期運行在制動盤表面形成釉質層，且與釉質層相互摩擦；減速器內部齒輪疲勞裂紋擴展；齒輪折斷；減速器內部潤滑不足；減速器密封不嚴等，一旦發生任一故障，將會影響風機的可靠運行；同時，受結構及安裝位置影響，發生故障后，均有一定的維護難度。

4 結束語

本文使用FMEA 的方法對偏航系統進行了可靠性分析，分析出潛在的故障模式，以此進行了風機可靠性影響分析。偏航系統作為風力發電機組的核心功能部件，其運行可靠性直接影響到風機的正常運轉， 提高系統的可靠性，對保證風機穩定運行的安全性具有較大意義。因此需從多方面進行可靠性控制，如設計時，全面考慮各部件的工作運行環境，合理選取參數、確認材質；生產時，加強對配套件產品質量的控制， 加強對過程的監督檢驗； 裝配時，增加檢驗偏航系統的重要工藝部分的次數；驗收時，增加驗收相應的條款；運行時，加強風場的巡檢及日常維護；及時更換損壞部件和易損件等。