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山西某风电场2.0MW机组偏航大齿及驱动齿断裂故障分析报告

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  近期,山西某风电场发生2台2.0MW风电机组(2017年投产)偏航大齿和驱动齿断裂事件。

  一、故障原因分析

  1.直接原因

  结合《山西某风电项目2.0MW机组偏航大齿及驱动齿断裂故障分析报告》(详见附件)及区域内其他风场已发生类似故障情况分析,故障发生的直接原因是:偏航驱动系统由4台偏航驱动器组成,正常情况下同步转动机舱使风轮扫掠面与风向保持垂直。其中1台偏航驱动器因偏航驱动抱闸失效,制动盘被抱死导致偏航驱动无法转动;而其他三个偏航驱动器仍在正常推动偏航大齿圈偏航对风,使得偏航减速器小齿轮与偏航大齿圈之间发生挤压,致使偏航大齿和驱动齿发生断裂。

  2.间接原因

  (1)偏航卡钳漏油及偏航大齿润滑脂脱落,污染卡钳刹车片和偏航刹车盘,导致摩擦力降低,大风情况下制动力不足,机舱出现“滑移”,反作用到偏航驱动器抱闸,导致抱闸刹车片磨损加剧,使其失效。

  (2)极端情况下,机舱“滑移”,导致偏航大齿与驱动齿冲击,最终出现裂纹或断裂情况。

  3.其他原因

  偏航驱动器变速箱缺油也会使得齿轮传动出现故障,偏航电机转速变慢或完全锁死,使得驱动器小齿轮受力超出承受程度,引起齿轮断裂,电机烧坏。

  二、排查治理内容

  1.全面排查偏航驱动器抱闸开合情况,确保每台驱动器在通电后能正常将摩擦片和制动盘彻底脱离。

  2.全面排查偏航驱动器变速箱油位及润滑情况,确保每台驱动器润滑正常。

  3.全面排查偏航卡钳漏油情况,及时处理。

  4.偏航刹车盘按维护要求保持清洁,不许存在油污污染;集油盘安装到位。

  5.完善风机巡检及定检维护项目,及时发现、处理偏航驱动器抱闸失效、变速箱缺油、偏航卡钳漏油及偏航齿圈润滑脂脱落问题。

  附件:山西某风电场2.0MW机组偏航大齿及驱动齿断裂故障分析报告

  一 质量调查

  (一)检查内容及目的

  1、检查驱动电机工作是否有效,是否存在部分电机不工作,三拖一或者二拖二等问题;

  2、检查驱动电机抱闸是否有效工作,是否存在卡死现象或自由状态,存在拖动或者不能对机舱进行有效锁定;

  3、检查驱动减速器、偏航卡钳、偏航润滑是否存在漏油、漏脂污染刹车盘、刹车片,导致偏航卡钳摩擦力降低,不能有效锁定机舱;

  4、检查驱动齿与偏航大齿啮合情况,是否存在偏载,齿系啮合是否均匀、平稳;(50bar背压实验模拟风机负载工作)

  5、现场数据调查,主要对现场运行数据(buffer\NCR等)进行检查梳理,以找出相似共性问题;

  6、偏航系统时序及相关参数设定复核工作;

  7、调查问题风机的运行环境,对比无问题风机进行比较。

  (二)43#风机检测


  偏航大齿齿顶有裂纹,偏航驱动发生断齿。

  1、4个偏航驱动电机抱闸失效;

  2、驱动电机均为江西特种电机;

  3、偏航刹车盘油污污染严重;

  4、偏航卡钳存在内部漏油的可能,需要现场进一步确认;

  5、以上为右侧受力,齿面与竖端面接触基本全部断裂。

  (三)26#风机检测


  偏航大齿和驱动齿均有断裂。

  调查显示:

  1、偏航卡钳、刹车盘有明显油污;

  2、偏航驱动刹车全部失效;

  3、偏航卡钳存在内部漏油的可能,需要现场进一步确认。

  (四)NCR统计分析

  以上发生问题机组,在历年NCR报告中,对偏航系统问题进行刷选、梳理,可以大致看到一个顺序:偏航卡钳漏油——偏航驱动刹车片磨损——偏航驱动断齿&偏航大齿圈断齿。

  (五)现场地理环境

  从地理环境调查来看,发生偏航断齿风场全部为山地环境,大部分机组位置处于山丘环绕地带,机组运行时,特别是大风情况下,湍流较为严重;而此类风场中处于相对平缓地带的机组,目前未发现偏航断齿机组。以上调查可以间接推断,山地风场的湍流情况对机组运行存在一定影响。


  三、技术分析

  (一)偏航卡钳、偏航大齿、偏航刹车盘分析

  从现场实际调查,可以发现偏航卡钳漏油、偏航大齿表面润滑脂都存在污染偏航刹车盘及刹车片情况;刹车片和刹车盘的污染会极大降低偏航制动力的保持,大风情况下极易产生机舱的“滑移”;机舱“滑移”对偏航驱动和偏航齿圈存在较大的冲击,容易导致齿面受力超过设计安全裕度。

  (二)偏航驱动抱闸失效分析

  偏航驱动包括驱动电机、减速器及驱动齿;实际机组检查发现,风机存在驱动电机内部刹车片磨损严重,以及部分抱闸24V整流桥失效现象。抱闸不能分开,会导致电机被动拖动,加剧驱动齿与齿圈受力;抱闸因摩擦片磨损,摩擦力不够,会导致机舱大风情况下“滑移”产生冲击,都会对大齿和驱动齿产生增益影响。

  (三)偏航驱动与偏航齿圈啮合分析

  1、驱动齿与偏航大齿啮合重合度为1.351,即35.1%时间内有2对齿参加偏航力的传动,如下图:


  2、从软件仿真看,偏航大齿齿顶部位是参加啮合的,此时为2对齿同时参加,如下图:


  3、正反偏航受力


  (四)数据分析

  分析机组之前buffer数据可以发现,大风天气中,机舱在没有偏航动作的情况下机舱位置发生了变化;


  五)偏航软启整定值T—STOP时间设置

  从厂家提供的产品说明书中可以明确,T—STOP时间设定为0s;在偏航系统时序控制中,偏航停止的时序是停止信号给出后,偏航卡钳液压刹车半压刹车3-5s,然后全压刹车;偏航驱动在停止信号给出后,延时3-5s动作(以上时间参数需要结合现场主控版本对应来看);而现场如果T—STOP时间设定超过以上时间,就会导致偏航驱动刹车情况下电机还未停止,加速刹车片的磨损。(C风场的驱动磨损主要原因就是T—STOP为6S)

  (六)其它补充说明

  之前的调查分析中,已完成偏航频次、偏航动作时序(软件内部参数与硬件设置不同),偏航策略的核实、优化,确认目前不存在明显异常现象。

  (七)综合分析

  1、风机偏航问题基本逻辑如下:


  1)偏航卡钳漏油及偏航大齿润滑脂滴落,污染卡钳刹车片和偏航刹车盘,导致摩擦力降低,大风情况下制动力不足,风机出现“滑移”;

  2)机组在没有偏航动作情况下出现“滑移”,反作用到偏航驱动电机抱闸,导致电机抱闸刹车片磨损加剧,使其失效;

  3)机组制动力来自偏航卡钳和4个驱动电机抱闸;驱动电机抱闸的失效,进一步降低机组制动效果,形成恶性循环,加剧机组“滑移”;

  4)机舱“滑移”导致偏航轴承大齿与驱动齿频繁撞击;

  5)一般情况下,由于驱动齿表明硬度高于偏航大齿,考虑到现场山地湍流对机舱翘头的影响(机舱翘头影响驱动齿与偏航齿系啮合,存在偏载现象),以及通过仿真计算得出正向偏航频次、载荷高于反向偏航情况,长时间处于这种带病运行状态下,机组容易出现偏航大齿左齿顶端裂纹;

  6)极端情况下,机舱“滑移”,导致偏航大齿与驱动齿冲击,产生低周疲劳及瞬间载荷超过设计安全裕度,驱动齿齿根部位晶界残留对其疲劳强度的影响,导致驱动齿根部发生断裂,其断裂碎屑夹杂到齿系啮合之间,形成挤压效果,最终发生驱动齿与大齿同时断裂。

  四、故障结论

  1、偏航问题可以分为两种情况;其一,一般情况下,偏航大齿左顶端出现裂纹;其二,极端情况下,偏航大齿及驱动齿断裂情况。

  2、偏航大齿左顶端裂纹;主要原因为,偏航卡钳漏油、偏航刹车盘润滑脂滴落污染偏航卡钳刹车片和偏航大盘;导致机舱锁定摩擦力降低,大风情况下机舱“滑移”,使驱动电机刹车磨损,进一步加剧偏航保持力降低;机舱“滑移”进一步加剧,导致偏航大齿与驱动齿频繁撞击;由于驱动齿表明硬度高于偏航大齿,考虑到现场山地湍流对机舱翘头的影响(机舱翘头影响驱动齿与偏航齿系啮合,存在偏载现象),以及通过仿真计算得出正向偏航频次、载荷高于反向偏航情况,长时间处于这种带病运行状态下,机组容易出现偏航大齿左齿顶端裂纹;

  3、偏航大齿及驱动齿断裂原因:极端情况下,机舱“滑移”,导致偏航大齿与驱动齿冲击,产生低周疲劳及瞬间载荷超过设计安全裕度,驱动齿齿根部位晶界残留对其疲劳强度的影响,导致驱动齿根部发生断裂,其断裂碎屑夹杂到齿系啮合之间,形成挤压效果,最终发生驱动齿与大齿同时断裂。

  4、补充说明,偏航卡钳与偏航驱动刹车是共同保持机舱稳定的设备,其担负的载荷比约为6:4;目前发现的表层原因为偏航驱动刹车失效,及40%机舱保持力丧失,导致大风情况下机舱“滑移”,大小齿频繁撞击,最终出现裂纹或者断齿情况。进一步分析发现,现场存在偏航软启T-STOP时间参数设置问题(具体原因前面已经分析,此处不再赘述)。

  五、后续整改措施

  1、现场需要全面排查卡钳漏油情况,及时处理(重点关注卡钳密封圈更换、刹车片更换、油缸活塞如有卡涩必需更换、油品不合格必需更换);

  2、偏航刹车盘必需按照维护要求保持清洁,不允许存在油污污染;

  3、集油盘安装工作必需到位;

  4、现场需要全面排查驱动电机抱闸有效性;及时、全面统计出现场电机抱闸的型号,工服内部尽快进行物料号的申请与采购工作;现场及时更换;

  5、对全场机组偏航驱动与偏航轴承齿系啮合进行复测工作,如有问题,及时整改;

  6、现场做好巡查计划,保证可以及时发现、处理偏航卡钳漏油及偏航齿圈润滑脂滴落问题;

  7、检查、核对包括偏航软启在内的机组所有硬件整定值设置。

(来源:电力安全生产)