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其中,传动链的功能是将风轮(叶片与轮毂)捕获到的风能转化为主轴的低速旋转机械能,再通过齿轮箱将主轴的机械能增速为发电机可接受的高速旋转机械能(不计机械效率的条件下,能量大小不变);齿轮箱的润滑冷却系统在润滑油温低于限值时,将润滑油泵送至齿轮箱中的各个润滑点,减缓传动机构磨损导致的寿命衰减,当润滑油温高于限值时,则控制油温继续上升,以免润滑油变质,影响润滑效果。
联轴器主要用于补偿齿轮箱输出轴与发电机输入轴之间的轴向与径向偏差,并防止齿轮箱传动机构受到超出其承受范围的载荷。变桨系统主要功能是在机组捕获的风能大于额定载荷时,通过改变桨距角来降低机组承受的载荷,从而保护机组正常运行。
偏航系统在风向发生变化时,通过改变机组横向角度位置,以使机组能够捕获到最大的能量。偏航/变桨系统的角度调整一般都是通过回转支承来实现的,因此需要自动润滑系统来确保回转支承的滚道、滚动体与轮齿受到充分润滑,以保证其满足机组整体的寿命要求。
制动系统包含主轴制动与偏航制动两部分,主轴制动部分在机组触发紧急停机时,对齿轮箱输出轴实施快速制动,以保护机组运行安全;偏航制动部分在机组偏航过程中提供阻尼,使机组的横向运动保持平稳,在偏航结束后定位机舱,减小偏航驱动所受载荷。制动系统的功能实施与控制通过液压系统来实现。传动链中主轴与齿轮箱的支撑是依靠主轴承与弹性支撑实现的,两者同时将传动链载荷传递到机架上。
机架将主轴承与弹性支撑传递过来的载荷再通过偏航系统传递给塔筒,最终传导到地面。此即风电机组机械系统各部件的主要功能。
基于以上功能描述,例如传动链若不能持续将捕获到的风能转化为发电机可以接受的高速机械能,则视为故障,以此类推可得各部件的故障判据。根据故障判据,进而确定机械系统各部件的基本故障模式库,针对故障模式展开面向各部件定性的故障模式和影响分析。
根据机械系统各部件的故障模式和影响分析,可以得出传动链中的一些关键部件发生故障,将导致机组基本的发电功能失效,并且对故障部件的更换成本中大都涉及现场大型设备的吊装,维修成本高;辅助系统中的回转支承与机架的维修更换也涉及现场吊装,成本较高。传动链系统与辅助系统的附件系统的故障影响则相对较小,但其故障模式对传动链与辅助系统中的大型部件工作寿命却有不容小视的渐进性影响。
因为故障影响除了对系统性能与维修成本进行分析,还需考虑故障发生频率的高低,以衡量是否有必要对该类故障采取预测性维修方案。瑞典风电机组各部件的故障统计数据如图一所示,可见液压制动系统、齿轮箱与偏航系统在机组的机械系统的故障占比位列三甲(叶片/变桨故障主要为变桨控制系统故障),并且引发三者主要故障对机组系统工作寿命也有很大影响。造成液压制动系统、齿轮箱与偏航系统故障的主要原因一般通过温度、压力和振动(加)速度等参数变量体现。根据这三个主要故障部件的现场故障相关数据,发掘故障发生前传动机构温度、润滑油(脂)温度、润滑油/液压油压力,以及关键部位振动(加)速度等重要参数的变化趋势,研究这些物理量在大型部件失效前的渐变规律,从而为运维工作提供预警,避免严重故障导致的巨大维修成本。
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