國華（哈密）新能源有限公司 李 博 于彥明 支培華 劉偉軍 劉 康

當(dāng)前采用的齒輪驅(qū)動(dòng)偏航技術(shù)中，為實(shí)現(xiàn)機(jī)艙定位工況的制動(dòng)力矩及偏航工況所需的阻尼力矩，需要一個(gè)摩擦片與偏航制動(dòng)盤來實(shí)現(xiàn)“剎車”功能，在液壓裝置加壓壓緊剎車片的作用下產(chǎn)生阻尼作用的摩擦力。但通過以往對風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙組的檢修工作中發(fā)現(xiàn)，偏航系統(tǒng)中存在的最大問題，就是摩擦材料表面的釉質(zhì)碳粉會(huì)隨著剎車磨損而脫落，這樣掉入下面的偏航制動(dòng)盤中就會(huì)嚴(yán)重影響偏航工況，所以解決偏航制動(dòng)盤的碳粉清理問題，對于提高風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的理論工作壽命來說是非常具有應(yīng)用意義的。

1 偏航制動(dòng)盤碳粉清理自動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)背景

偏航系統(tǒng)對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說是非常重要的，是為實(shí)現(xiàn)使發(fā)電機(jī)組的葉輪軸面始終與風(fēng)向垂直、從而獲得最大發(fā)動(dòng)動(dòng)力的功能。但為了避免振蕩風(fēng)向變化帶來額外的交變荷載使偏航輪齒過早地?fù)p壞，需要一個(gè)實(shí)現(xiàn)剎車制動(dòng)功能的偏航制動(dòng)器。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片正對風(fēng)向運(yùn)行發(fā)電時(shí)，液壓系統(tǒng)通過全壓制動(dòng)來穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)組的工況定位，當(dāng)風(fēng)向變化需要調(diào)整偏航運(yùn)行方向時(shí)將液壓裝置的壓力下調(diào)至23bar，使制動(dòng)裝置阻尼減小，從而實(shí)現(xiàn)偏航功能。

從偏航制動(dòng)器的構(gòu)造看主要分為摩擦片、制動(dòng)片和卡鉗活塞三部分，其中摩擦片的工作表面是釉面粗糙處理的，確保其具有較好的摩擦制動(dòng)功能。這樣的結(jié)構(gòu)下，盡管能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的偏航制動(dòng)功能，但摩擦片的工作面與制動(dòng)盤在進(jìn)行一段時(shí)間的接觸后，一定會(huì)產(chǎn)生釉質(zhì)層脫落的磨損問題，從而導(dǎo)致摩擦片表面的碳粉顆粒分離。而為了整個(gè)偏航系統(tǒng)能獲得較好的運(yùn)行狀態(tài)，在偏航內(nèi)齒圈等連接構(gòu)件間都會(huì)用潤滑油來加強(qiáng)配合，因此碳粉在脫落飄散的過程中極易受到油污污染，從而在制動(dòng)盤上結(jié)塊粘黏。而制動(dòng)盤表面碳粉結(jié)塊后就會(huì)使偏航制動(dòng)出現(xiàn)不同程度的軟啟動(dòng)故障，或造成機(jī)艙偏心振動(dòng)超限出現(xiàn)故障，最終導(dǎo)致偏航電機(jī)過載損壞，嚴(yán)重影響了偏航裝置的正常運(yùn)行。

當(dāng)前階段對于該問題的解決方法還仍停留在定期檢修階段，安裝了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電站需每三月進(jìn)行一次停機(jī)處理，將制動(dòng)器從發(fā)電機(jī)艙中拆除后以人工的方式清理。這樣的工作模式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、影響風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際效率，也無法有效起到過程控制作用，無法顯著提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的使用壽命。本文計(jì)劃利用一種自動(dòng)運(yùn)行的刮板裝置，在偏航系統(tǒng)完成自動(dòng)解纜或偏航對風(fēng)動(dòng)作的過程中同步將制動(dòng)盤表面的碳粉刮除清理，在源頭處解決偏航裝置因積落碳粉而產(chǎn)生偏振、工作噪聲等一系列故障問題，避免偏航系統(tǒng)在摩擦片碳粉影響下進(jìn)一步出現(xiàn)損傷現(xiàn)象。

2 偏航制動(dòng)盤碳粉清理技術(shù)的問題

當(dāng)前我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)興起時(shí)間較短，在意識(shí)到偏航系統(tǒng)受到碳粉粘黏不利影響的問題后，所采取的清理技術(shù)還比較簡單落后。多數(shù)風(fēng)力發(fā)電站都是按照每三個(gè)自然月的固定檢修周期，將制動(dòng)盤連通整個(gè)偏航系統(tǒng)一起拆卸下進(jìn)行檢修清理的。這種檢修模式主要有如下問題。

2.1 維護(hù)成本過高，操作難度較大

過于頻繁的檢修工作給風(fēng)力發(fā)電站建設(shè)單位帶來了經(jīng)濟(jì)效益損失，較為頻繁的停機(jī)操作，不僅在偏航制動(dòng)盤維修上投入的人力、物力以及時(shí)間成本較高，也直接導(dǎo)致了風(fēng)力發(fā)電效率不高的問題。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組每次的停機(jī)檢修工序時(shí)間都是較長的，帶來了巨大的發(fā)電量損失，且在它的檢修過程中，對于檢修人員來說還存在設(shè)備碰撞損傷、高空作業(yè)等客觀不確定危險(xiǎn)因素。所以采用一種與偏航制動(dòng)系統(tǒng)同步運(yùn)行的自動(dòng)清理裝置來替代人工檢修，是具有提高風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)能和降低機(jī)艙維護(hù)檢修成本現(xiàn)實(shí)意義的。

2.2 缺乏過程控制，不利于設(shè)備保養(yǎng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航制動(dòng)盤上積落的碳粉結(jié)塊并不可能是一天形成的，而是隨著每次制動(dòng)裝置完成偏航動(dòng)作或自動(dòng)解纜動(dòng)作、在液壓裝置提供壓力產(chǎn)生摩擦?xí)r就會(huì)隨之產(chǎn)生。但每次制動(dòng)盤產(chǎn)生阻尼作用時(shí)都由人工清理顯然是不現(xiàn)實(shí)的，所以風(fēng)力發(fā)電站為了發(fā)電效益，將制動(dòng)盤的檢修周期定為3個(gè)月，以犧牲制動(dòng)盤使用壽命的方式來保證風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)效益不受影響[1]。因此，只要有阻尼作用產(chǎn)生就會(huì)有碳粉脫落，若是處于風(fēng)向變化較為頻繁的特殊自然天氣環(huán)境下，由于偏航制動(dòng)裝置需完成更高頻次的解纜與追蹤偏航動(dòng)作，摩擦片所脫落的碳粉顆粒也會(huì)更多，那么出現(xiàn)偏航裝置振動(dòng)、異常響動(dòng)、剎車時(shí)間過長以及電機(jī)過載等故障現(xiàn)象的概率就會(huì)更高。所以等到制動(dòng)盤的碳粉結(jié)塊積累到一定程度再進(jìn)行檢修清理，是非常不利于設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行的。

2.3 多次檢修拆卸過程給偏航系統(tǒng)本身質(zhì)量帶來不利影響

目前，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓系統(tǒng)的制動(dòng)阻尼兩部分組成，其中偏航制動(dòng)器、紐纜保護(hù)裝置、偏航驅(qū)動(dòng)、偏航軸承等部分含有大量的配合傳動(dòng)部件，它們在設(shè)計(jì)時(shí)的維護(hù)保養(yǎng)需求是遠(yuǎn)高于三個(gè)月的，且大部分的機(jī)械構(gòu)件都存在關(guān)于拆裝次數(shù)的使用壽命。而為了單一的制動(dòng)盤碳粉清理問題對部件配合部分進(jìn)行多次拆裝操作，容易使偏航系統(tǒng)的連接部件出現(xiàn)配合不嚴(yán)的問題，嚴(yán)重影響了偏航系統(tǒng)的正常運(yùn)行性能和使用壽命。所以每年因過度拆卸組裝問題而提前到達(dá)使用壽命報(bào)廢處理的機(jī)械部件，對于發(fā)電站來說是一筆不小的成本浪費(fèi)，且多次檢修拆卸的工作流程，也給偏航系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行埋下了不小的隱患因素，因錯(cuò)誤操作、不規(guī)范操作導(dǎo)致偏航裝置故障損壞的問題現(xiàn)象也顯著增加。

3 偏航制動(dòng)盤碳粉清理自動(dòng)裝置的構(gòu)造設(shè)計(jì)

偏航制動(dòng)盤的碳粉清理自動(dòng)裝置的外形如圖1，主要包括如下部分。

圖1 碳粉清理自動(dòng)裝置外形

3.1 清理刮板

主要采用接觸式輪刮動(dòng)作模式來完成清理偏航制動(dòng)盤表面碳粉動(dòng)作的裝置，其構(gòu)造設(shè)計(jì)上分為兩部分：一是為了確保結(jié)構(gòu)剛性的金屬機(jī)架，采用無縫鋼材料與裝置支架一體化加工完成；二是用于刮除清理作業(yè)的刮板頭，采用材料剛性較低一些的鋁板或硬質(zhì)橡膠制成，避免清理刮除作業(yè)時(shí)對制動(dòng)盤本身產(chǎn)生摩擦損耗。這樣的清理刮板在該裝置中共有兩個(gè)，兩個(gè)刮板在端面平面方向互相垂直安裝，在裝置進(jìn)行清理輪刮動(dòng)作時(shí)，以兩條刮板邊為直角邊的三角形中垂線即為裝置的最短有效工作距離，它的清理面積為制動(dòng)盤上的條形圓環(huán)區(qū)域。

這樣的設(shè)計(jì)，是因?yàn)樵谇謇砉伟逶O(shè)計(jì)中考慮到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素，避免清理裝置的基架在輪刮作業(yè)時(shí)會(huì)受到應(yīng)力影響形變，從而導(dǎo)致出現(xiàn)刮刀刀面斷裂缺失、刮板基架與偏航制動(dòng)盤互相沖突的問題。且無論清理裝置的底盤運(yùn)動(dòng)到什么角度什么位置，它都能確保擁有至少中垂線距離的清理工作范圍[2]。另一方面雙刮板頭的設(shè)計(jì)也是考慮到在硬質(zhì)橡膠或鋁板刮頭使用壽命的問題，雙刮頭即使有一處刮板刀頭出現(xiàn)斷裂缺失，還會(huì)有另外一個(gè)刮板來補(bǔ)充作業(yè)，將前面刮頭的清理死角解決。

3.2 底盤

裝置底盤與刮頭在端面方向來看，對應(yīng)安裝位置是互相錯(cuò)開的，底盤在工作時(shí)處在偏航制動(dòng)盤的內(nèi)槽處。該清理裝置的底盤采用圓形設(shè)計(jì)，要求底盤焊件必須整齊無毛刺，且要確保與支架連接可靠，下料粗糙度為Ra25。由于它是固定安裝在偏航制動(dòng)盤的環(huán)形槽內(nèi)的，隨著液壓裝置的壓緊松開動(dòng)作牽引支架完成壓緊松開，因此圓形的底盤設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮到減少故障運(yùn)行時(shí)由于端面跳動(dòng)導(dǎo)致自動(dòng)裝置與偏航裝置的沖突碰撞。在圓形底盤的邊際處，豎直伸出高度與制動(dòng)盤槽深相同的圍擋板組成一個(gè)開放容器結(jié)構(gòu)。這樣的目的是起到收集碳粉顆粒的作用，避免清理作業(yè)時(shí)碳粉結(jié)塊被從制動(dòng)盤刮除脫落后進(jìn)入到凹槽，從而增加裝置與環(huán)形槽的底面摩擦，影響裝置底盤與凹槽的正常接觸[3]。另一方面，也與制動(dòng)盤凹槽起到同樣的收集潤滑油作用，避免潤滑油流向塔筒給其它機(jī)組配件帶來不利影響。

3.3 支架

該裝置的支架是指底盤與刮頭之間的連接部位，豎直方向的支架下部支腳與底盤的近圓心位置用兩顆螺栓穩(wěn)定連接，上部支腳是一個(gè)方形的支座，用四顆雙頭螺栓與偏航制動(dòng)器的液壓裝置連接，起到固定裝置的作用。水平位置在支架中端伸出兩條垂直的橫臂，分別用于安裝兩個(gè)獨(dú)立的清理刮板。為了使整個(gè)支架結(jié)構(gòu)在刮刀與制動(dòng)盤接觸時(shí)的穩(wěn)定性，在兩條刮板臂之間還加裝了T型支架橫臂。使整個(gè)自動(dòng)清理裝置的結(jié)構(gòu)整體區(qū)域穩(wěn)定。

4 清理裝置的工作原理、設(shè)計(jì)優(yōu)勢與亮點(diǎn)

4.1 工作原理

在該裝置與制動(dòng)盤配合的工裝表面處有一個(gè)用于表面清理的刮板，將該裝置的基架用雙頭螺栓與發(fā)動(dòng)機(jī)組進(jìn)行穩(wěn)定連接后，當(dāng)制動(dòng)裝置需要完成制動(dòng)動(dòng)作時(shí)，液壓裝置將剎車片推向制動(dòng)盤完成剎車。此時(shí)裝置受液壓裝置影響，清理刮板被一同壓向制動(dòng)盤，與制動(dòng)盤表面產(chǎn)生物理接觸，在制動(dòng)盤與摩擦片的阻尼作用下的減速過程中，由制動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)提供裝置的水平輪刮力將摩擦片表面脫落的釉質(zhì)與碳粉第一時(shí)間從制動(dòng)盤擦除。而當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化時(shí)，液壓裝置的壓力下調(diào)至23bar，卡鉗松開制動(dòng)盤完成偏航運(yùn)行時(shí)，該清理裝置能夠和剎車片一同與制動(dòng)盤分離，不影響制動(dòng)盤的正常運(yùn)作。

這種自動(dòng)清理裝置的連接桿，能夠使偏航制動(dòng)盤與清理裝置的刮板底邊接觸，完成制動(dòng)盤端面工裝表面的水平輪刮推刮動(dòng)作，利用刮板頭來將制動(dòng)盤的碳粉完全刮除清理，避免碳粉在制動(dòng)盤表面污染結(jié)塊，從而使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)組的偏航制動(dòng)器始終處于理想的表面清潔狀態(tài)。用這樣的裝置替代傳統(tǒng)依靠人力拆卸檢修、完成清理偏航制動(dòng)盤碳粉任務(wù)，就能夠起到減少現(xiàn)場人員的工作量和延長偏航制動(dòng)片使用壽命的作用。

4.2 構(gòu)造簡單，便于檢修維護(hù)

該裝置僅由清理刮板、底盤、支架三部分構(gòu)成，可輕松實(shí)現(xiàn)替代人工砂紙打磨制動(dòng)盤碳粉的檢修步驟，由于工作原理與剎車片的卡鉗壓送類似，所以在投入使用的過程中，不會(huì)因清理裝置出現(xiàn)故障而影響偏航制動(dòng)裝置的正常運(yùn)行。且由于結(jié)構(gòu)可靠，這樣以兩組鋁板和硬質(zhì)橡膠充當(dāng)?shù)额^的刮板，比此前出現(xiàn)的用于清理摩擦片的刮刀裝置更加堅(jiān)固耐用。在對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)進(jìn)行檢修時(shí)，只需將自動(dòng)清理裝置底盤內(nèi)的碳粉清理出即可，無需拆換制動(dòng)盤的操作。

4.3 避免碳粉顆粒影響其它部件

與此前華儀風(fēng)能有限公司《一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航制動(dòng)器摩擦片表面清理工裝及其清理方法》的技術(shù)專利相比，本文提及的自動(dòng)清理裝置具有的技術(shù)優(yōu)勢主要有兩方面：一是能夠直接解決制動(dòng)盤積落的碳粉結(jié)塊問題，而不用從摩擦片的釉面清理方面考慮，與摩擦片同步運(yùn)動(dòng)的方式，使它能在碳粉還未與制動(dòng)盤油污粘黏的第一時(shí)間就將其從制動(dòng)盤端面刮除，具有更高的碳粉清理效率；二是此前技術(shù)并未解決刮除后的碳粉容放問題，碳粉在刮除后，受到制動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)的影響雖大部分都會(huì)被排出偏航制動(dòng)器，但仍有少量殘留會(huì)順著向心力方向流向塔筒，影響其它機(jī)組部件的配合運(yùn)行，因此在制動(dòng)盤圓環(huán)槽內(nèi)安裝清理碳粉的裝置，解決了碳粉對制動(dòng)盤之外的影響問題。

綜上，通過安裝試驗(yàn)證明，該裝置能夠在偏航制動(dòng)器液壓裝置全壓制動(dòng)時(shí)，將摩擦片脫落到制動(dòng)片的碳粉顆粒全部除凈，且并未出現(xiàn)與偏航制動(dòng)器部件的沖突碰撞現(xiàn)象。因此可以廣泛應(yīng)用于大型風(fēng)電機(jī)組的齒輪驅(qū)動(dòng)偏航系統(tǒng)，有效起到降低人工檢修勞動(dòng)成本與保養(yǎng)設(shè)備的基本要求。