3MW风力发电机组偏航制动盘损伤和摩擦片磨损问题浅析和处理

　　风机通过自动偏航找到主风向，在运行过程中偏航制动比较频繁，如果偏航制动盘损伤和摩擦片磨损会造成偏航过程中发生振动异响，并引发机舱旋转超速或偏航、液压站故障，不但降低了机组可利用率和摩擦片的使用寿命，而且造成了偏航刹车盘结构件疲劳从而影响了机组整体的使用寿命。因此，分析3MW风力发电机组偏航偏航制动盘损伤和摩擦片磨损的原因并提出解决方法，是风机运维工作迫切需要解决的问题。
　　
　　一、风力发电机组偏航系统的工作原理及作用
　　
　　(一）偏航系统工作原理
　　
　　3MW风力发电机组采用主动偏航对风方式，超声波风速仪的通过风穿过腔体时所引起的信号相变来测量气流运动反映出风机与主风向之间的偏离程度，机组在运行时根据超声波风速仪检测的风向与机舱方向的夹角决定风机是否偏航。当风速持续发生变化时，主控PLC根据超声波风速仪传递的信号控制偏航驱动装置使机舱旋转对准主风向。
　　
　　在机组偏航时，安装在机舱上的偏航制动器加载有主液压站10%的刹车载荷（25bar-15bar的冗余压力），使得偏航过程中始终有阻尼存在，保证机舱平稳转动。偏航制动器采用常闭式结构的液压驱动方式，即静止时偏航制动器将机舱制动锁定，在需要偏航时，偏航制动器打开且保持一定的冗余压力，使机舱在阻尼作用下平稳偏航。机组根据偏航转动的制动载荷扭矩安装有7台偏航制动器。
　　
　　(二）偏航系统作用
　　
　　风力发电机组机组偏航主要在以下几点情况下出现:
　　
　　1.风向发生变化时，机组主动寻找主风向而自动偏航对风。
　　
　　2.机组朝着一个方向偏航到设定角度以后，为了使机组悬垂部分的电缆不至于过度扭绞而自动反方向偏航解缆。
　　
　　3.强制偏航，当电缆的扭绞程度威胁到机组安全运行时会触发扭缆保护装置，使机组停止旋转或保持设备停车状态，此时若恢复机组运行，必须手动强制偏航使其解缆。
　　
　　二、偏航制动盘损伤和摩擦片磨损原因分析
　　
　　风机在偏航过程中因偏航制动盘损伤和摩擦片磨损造成塔筒振动峰值较高且偏航运动产生噪声，不利于风机安全运行，结合偏航工作原理及实际工作中对故障的处理，从以下几个方面分析。
　　
　　（一）偏航制动器安装问题
　　
　　液压钳盘式制动器为机舱提供必要的制动扭矩，以保障机组的安全运行，在机组偏航时制动器提供的阻尼力矩应保持平稳，,制动摩擦片与制动盘的贴合面积应不小于设计面积的50%，闭合时摩擦片周边与制动钳体的配合间隙任一处应不大于0.5mm。
　　
　　偏航制动器在工作时，液压油进入缸体，在油压的作用下两个缸体内的柱塞推动摩擦片做相向运动，摩擦片在制动力矩下卡住刹车盘，使机舱的偏转运动停止，从而实现制动作用。
　　
　　偏航摩擦片在安装过程中在制动器与基座之间加装有间隙调整装置（调整垫片)，目的是调整摩擦片与偏航盘之间的间隙，但是当装配间隙发生变化后，导致制动器摩擦片与制动盘安装不平行，或者钳体与摩擦片贴合紧密，使得局部摩擦力增大。在更换安装摩擦片后未进行间隙调整，导致上下摩擦片卡涩或者窜动，偏航时摩擦片对制动盘的轴向压力不相等。由于每台机组上制动器的数量有7个，如果每个摩擦片与制动盘的间距不一致，摩擦力矩不均匀，偏航运动摩擦过程中制动盘上的多个受力点受力情况不一致，每个接触点的摩擦都是不连续的，而是点与点之间相互相互交替的过程，这种交替运动使摩擦过程中伴有振动，也是造成偏航制动盘损伤和摩擦片磨损最明显的摩擦运动。
　　
　　（二）摩擦材料的性能及摩擦过程分析
　　
　　风机偏航制动器技术参数里规定摩擦材料的摩擦系数为0.4，如果摩擦系数大于0.4，对制动盘的磨损量会增大，进而导致偏航过程中热量增大，热量将导致摩擦材料表面烧结，表面材质变硬，摩擦系数降低。如果摩擦系数小于0.4，偏航时阻尼力矩与制动力矩减小，将影响机组偏航过程中的准确定位。那么在多次摩擦后的压力和温度双重作用下，制动盘和摩擦片比压较高的接触面出现硬化、碳化等异化现象，摩擦系数下降过快，但是此时偏航制动器因液压系统压力未明显变化，偏航时会产生制动打滑引起偏航摩擦片磨损，加之制动盘接触面受压不同产生共振，共振产生的作用力加剧偏航制动盘磨损。
　　
　　摩擦材料对载荷、滑动速度及环境温度等因素有较高要求。由于偏航系统处于非封闭的环境里，气候条件的变化以及环境因素的变化（摩擦热量增加）会引起摩擦副的摩擦系数发生波动，摩擦的不稳定性导致偏航时制动盘在摩擦力的作用下产生振动，从而造成制动盘损伤和摩擦片磨损。
　　
　　偏航制动器应保证在较宽的制动初速度及较小的制动比压下，获得足够的制动力矩稳定性。但实际上往往制动盘，摩擦材料的平面度，平行度控制并不能达到标准要求，造成摩擦面结合不均匀。偏航制动器摩擦片材料均采用树脂聚合物为主的复合材料，该材质的刹车片热衰减温度，承受比压相对较低，机组在长期运行过程中，摩擦片与制动盘相互摩擦产生摩擦残留物（碳粉），碳粉会附着在制动盘和制动器刹车片之间。随着碳粉的积累量较多，碳粉在摩擦片与制动盘之间受到压力和摩擦热的作用，当制动产生的热量超过了刹车片的热衰减温度，这些残留物就会在刹车片表面形成一层烧饶层（即脆化光亮的釉光层），釉层是摩擦片和制动盘之间的作用效果发生变化，当釉层积累越厚，摩擦系数波动，在阻尼作用下产生的振动频率与与机组的固有频率发生共振时，导致偏航过程中摩擦片不均匀磨损。
　　
　　（三）3MW机组现场检查分析
　　
　　对现场的几台机组进行检查，发现摩擦片及制动盘磨损较严重。从制动器上拆卸摩擦片进行对比发现，摩擦材料已经从背板上剥离脱落，并且背板磨损变形；另外一些摩擦片磨损量较多已经对制动盘产生磨伤，还有一些摩擦片磨损材料成片状、块状。