劉洪冰，姚 鵬，李振國，陳超凡，陳 濤，王金生

（1.清華大學天津高端裝備研究院洛陽先進制造產業(yè)研發(fā)基地，河南 洛陽 471003；2.大生清風（北京）科技有限公司，北京 100036）

0 引言

由于化石能源會導致空氣污染、全球變暖等問題，近年來，新能源在全世界得到了高速發(fā)展[1]。其中，風能因為具有環(huán)境效益好、基建周期短等優(yōu)勢，其裝機量在全球得到快速增長[2]，[3]。在碳達峰、碳中和的大背景下，我國的新能源革命和能源結構多元化進程將被快速推動，急需建立一個清潔、低碳的能源體系[4]，[5]。電力規(guī)劃設計總院發(fā)布的《中國電力發(fā)展報告2020》指出，截至2020年底，我國非化石能源裝機容量達到了9.8億kW，超額完成了“十三五”規(guī)劃目標[6]。其中，2020年風電新增并網(wǎng)裝機容量達到了7 167萬kW，創(chuàng)歷史新高。有學者預測，未來40 a，風電發(fā)展將維持高速度，預計到2060年，風電裝機將達到20.07億kW，約為2020年的7.1倍，在電力生產結構中的比重預計提升至44.09%，成為主要能源形式之一[7]。

風電機組設計壽命不應低于20 a[8]。因此，其核心部件設計壽命均應高于20 a。其中，偏航制動盤是風電機組傳動系統(tǒng)中受力最復雜的核心部件之一[9]。在風機正常運行期間，通過偏航驅動與偏航齒圈之間的傳動，風機機艙的朝向得到調整，進而通過偏航制動盤固定機艙朝向，保證葉輪始終朝向來風方向[10]。經(jīng)過一段時間運行，偏航制動盤容易出現(xiàn)嚴重磨損，若不及時維修，磨損程度將加劇，維修難度及成本將進一步增大[11]。以往出現(xiàn)該問題，須對機艙進行吊裝，隨后更換偏航制動盤。采用該方法，工期需1個月以上，成本30萬元以上，給風場的經(jīng)濟性帶來巨大的不利影響。因此，研發(fā)一種不需吊裝且質量可靠的在線再制造修復工藝，可直接在機艙中對偏航制動盤進行維修，進而縮短工期，降低維修成本和發(fā)電量損失。

1 修復要求及修復工藝

1.1 修復要求

偏航制動盤材質為QT400-18AL。磨損后，偏航制動盤的厚度減小，表面凹凸不平，偏航不穩(wěn)定。針對偏航制動盤的運行工況，結合其出廠時的質量標準，確定修復后相關參數(shù)應滿足表1的要求。

表1 偏航制動盤修復后參數(shù)Table 1 Remanufacturing parameters of yaw disc

1.2 修復工藝

修復工藝如圖1所示。針對修復工藝的關鍵環(huán)節(jié)介紹如下。

圖1 修復工藝流程圖Fig.1 Process of remanufacturing

①盤面清理。對偏航制動盤磨損面進行清理，首先清理表面雜質，隨后用清洗劑徹底清除表面油污，露出金屬基體。

②盤面粗銑。使用自主研發(fā)的偏航制動盤銑削裝置，對磨損的盤面進行銑削，銑削前須根據(jù)偏航速度、電機功率等參數(shù)確定進刀量，避免進刀量過大導致崩刀、卡刀。

③鑲塊粘接。采用特制的耐高溫環(huán)氧結構膠，將鑲塊逐一粘接至銑削后的盤面，如圖2所示。鑲塊共有8塊，其材質與制動盤相同，均為QT400-18AL，8塊鑲塊連接起來與制動盤配合良好。為了提高鑲塊的耐磨性，避免再次發(fā)生磨損，對加工后的鑲塊做了合金化處理和淬火處理。通過合金化，使得涂層與球墨鑄鐵發(fā)生反應，在表面產生耐磨成分；通過淬火，使表面生成硬質相，提升了表面的耐磨性。

圖2 鑲塊粘接示意Fig.2 Cementing inserts

④加熱固定。采用特制的固定夾具將鑲塊固定到制動盤上，采用陶瓷電阻加熱片對鑲塊進行加熱，加熱溫度為80℃，加熱時間為2 h，以實現(xiàn)膠的快速固化。

⑤盤面精銑。利用偏航制動盤銑削裝置對粘接后的鑲塊進行表面銑削，銑削過程注意控制進刀量，以保證銑削精度。當制動盤的厚度滿足要求后，停止銑削，改用拋光片對盤面進行拋光，以保證表面粗糙度滿足要求。

⑥質量檢測?；诒?所列的參數(shù)，對修復后的制動盤進行質量檢測，以確定是否需要再次進行銑削或拋光，直到質量檢測滿足要求。

2 修復強度校核

在風機偏航過程中，偏航制動器對制動盤有壓力和剪切力，同時耐高溫環(huán)氧結構膠存在老化問題，因此，需要對修復后的偏航制動盤抗壓強度、剪切強度和老化情況進行校核。

2.1 抗壓強度校核

鑲塊與制動盤粘接后，二者之間的粘接面積S為

式中：F為偏航過程中1個制動器對制動盤的最大壓力；m為1個鑲塊的質量；g為重力加速度；分子中的±選取原則，當磨損面為上盤面時為+，磨損面為下盤面時為-。

由式（2）可知，當上盤面磨損時，修復后膠粘面受到的壓力更大。

以某國產品牌1.5 MW風機為例，代入相關參數(shù)，得到σ=2.55 MPa。

實驗表明，耐高溫環(huán)氧結構膠的抗壓強度[σ]為90.0 MPa，因此有：

式中：nσ為抗壓強度校核得到的安全系數(shù)，達到了35.3，滿足工程要求。

2.2 剪切強度校核

在得到壓應力的基礎上，可以計算得到：

式中：τ為剪切應力；μ為制動器摩擦片與鑲塊間的摩擦系數(shù)。

實驗表明，耐高溫環(huán)氧結構膠的剪切強度[τ]為21.5 MPa，因此：

式中：nτ為剪切強度校核得到的安全系數(shù)，nτ達到12.1，滿足工程要求。

2.3 老化試驗校核

耐高溫環(huán)氧結構膠受高低溫變化影響，存在老化情況?？紤]到其剪切強度的安全系數(shù)大大低于抗壓強度，因此針對剪切強度開展雙85試驗，以驗證其老化后的剪切強度是否還能滿足要求。試驗時，將樣件表面清洗干凈，使用耐高溫環(huán)氧結構膠進行粘接，粘接面積為25 mm×12.5 mm，粘接5個試樣，固化后將其放入高低溫循環(huán)箱中并加載。根據(jù)試驗要求，先在2 h內升溫至85℃/85%濕度，保持4 h，隨后在2 h內降溫到-40℃，保持4 h，然后在2 h內再升溫到85℃，一次循環(huán)12 h，在90 d后取出5組樣件測試其剪切強度。

考慮到加載情況以及溫度變化情況，該試驗可模擬偏航制動盤運行20 a的工況。

從加載角度考慮，以某國產品牌1.5 MW風機為例，其偏航次數(shù)為1 000～3 000次/月，每次偏航時間為5～10 s。按上限計算，偏航制動盤在20 a內受到制動器加載作用的總時間（折算為天）為

試驗天數(shù)為90 d，大于83.3 d，因此從加載角度考慮，該試驗滿足模擬偏航制動盤運行20 a的情況。

從溫度變化角度考慮，由-40℃升溫至85℃并保溫，再降溫至-40℃并保溫，一個溫度變化周期為12 h，90 d內溫度變化次數(shù)為180次。無論溫度變化次數(shù)，還是溫度變化范圍，均比風機運行20 a的實際工況條件更為嚴苛。

因此，綜合考慮加載情況和溫度變化情況，該試驗可以模擬偏航制動盤運行20 a的工況。

測試樣件如圖3所示，測試結果如表2所示。

圖3 “雙85”試驗樣件Fig.3 Samples for“double 85”test

表2 測試結果Table 2 Test results

測試結果表明，5個樣件中剪切強度最小值為18.0 MPa，此時剪切強度的安全系數(shù)為10.1，滿足工程要求。

3 銑削參數(shù)設計

為了能夠高效高質量地銑削偏航制動盤，本文設計了專用的偏航制動盤銑削裝置。由于風機機艙中空間尺寸和供電功率有限，因此銑削裝置的體積和功率受限。為了保證銑削效率，對銑削裝置的參數(shù)進行計算。

根據(jù)偏航系統(tǒng)的設計參數(shù)。

式中：v為銑刀最佳切削速度，由銑刀特性決定，不同材料制成的銑刀特性不同，本計算選用硬質合金銑刀；d為銑刀槽寬，可以直接設計為銑削寬度，進而銑削時只需銑削一次即可滿足銑削寬度要求。

在N基礎上，計算得到每齒進給量Sz。

式中：CN為系數(shù)，取決于銑刀盤自身特性；t為銑削深度，即進給量，可根據(jù)工程要求確定；g，x，y，u，p，f和KMN均為系數(shù)，可查表得到。

計算得到的N，P等參數(shù)可直接用于銑削裝置設計，包括電機功率、減速器減速比等。因機艙內空間、供電功率十分有限，故在設計過程中，若出現(xiàn)裝置所需功率超過供電功率或裝置體積要求超過了現(xiàn)場空間大小，則須減小t，進而可減小P和電機尺寸，直至設計裝置所需空間和功率均滿足要求。若t減小到一定程度后裝置體積仍然超過了現(xiàn)場空間大小，可考慮更換電機類型，以在保證P的基礎上減小電機的體積。

值得一提的是，銑削效率是影響再制造效率的最重要因素之一。因此，建議在已知空間要求、功率要求的前提下，盡量選用功率大、尺寸小、重量輕的電機，進而提高再制造效率，同時降低人工成本。

最終設計的偏航制動盤銑削裝置（圖4）的額定功率為1.5 kW，額定銑削深度為0.3 mm，其功率和尺寸滿足現(xiàn)場實際情況，銑削深度也滿足現(xiàn)場要求。

圖4 偏航制動盤銑削裝置Fig.4 Milling machine for yaw disc

偏航制動盤銑削裝置的關鍵參數(shù)如表3所示。

表3 偏航制動盤銑削裝置設計參數(shù)Table 3 Parameters of the milling machine for yaw disc

銑削裝置主要部分的功能如下。

連接板：用于將銑削裝置安裝于偏航制動器安裝孔上。

電機：為銑削裝置提供動力。

支撐底座：用于固定電機。

銑刀座：用于安裝銑刀盤。

銑刀盤：用于銑削偏航制動盤表面。

橫向調節(jié)輪：用于沿水平方向調整銑刀盤的位置，即調整銑刀盤銑削偏航制動盤表面的具體位置。

橫向導軌：調節(jié)橫向調節(jié)輪時，電機和銑刀盤沿橫向導軌運動。

縱向導軌：用于沿垂直方向調整銑刀盤的位置，進而調整銑刀盤距離偏航制動盤表面的距離。

縱向固定螺栓：調整好銑刀盤的縱向位置后，鎖緊縱向固定螺栓可將電機和銑刀盤的縱向位置固定。

4 工程應用

本文選取2個風場開展工程應用，分別為山東某風場和河北某風場。偏航制動盤修復前后對比如圖5所示。

圖5 偏航制動盤修復前后對比Fig.5 Comparison of the yaw discs before and after remanufacturing

圖中：山東某風場偏航制動盤修復前最大磨損量為8.5 mm，表面有多條犁溝，偏航噪音較大，經(jīng)過7 d修復后，其表面粗糙度達到Ra6.3，最大表面跳動為±0.3 mm，最薄處為29.8 mm，最厚處為30.3 mm，偏航無異響，滿足要求；河北某風場偏航制動盤修復前最大磨損量為5.6 mm，表面犁溝相對較少，但深度較大，偏航噪音較大，經(jīng)過8 d修復后，其表面粗糙度達到Ra6.3，最大表面跳動為±0.3 mm，最薄處為29.7 mm，最厚處為30.1 mm，偏航無異響，滿足要求。

工程應用表明，對磨損的偏航制動盤進行再制造修復，效果可靠，成本低廉，修復后偏航制動盤的耐磨性增強，修復期間發(fā)電量損失小，對于風場的經(jīng)濟性有一定意義。

5 結語

偏航制動盤磨損會導致偏航系統(tǒng)無法正常工作，影響風機發(fā)電量。本文介紹了一種再制造修復工藝，該工藝不需吊裝，可以直接在風機上對磨損的偏航制動盤進行修復。修復后，偏航制動盤的尺寸、表面粗糙度等參數(shù)得到恢復，耐磨性提高，偏航系統(tǒng)可以正常運行。工程應用表明，該工藝可以高效可靠地完成偏航制動盤的磨損修復，對于風場的經(jīng)濟性具有一定意義。