某MW级风力发电机组偏航系统震动噪声问题研究

摘要 本文针对MW级风电机组偏航系统存在的震动噪声现象，进行了详细的原因分析与阐述，并在最后总结出了三个主要原因，给出初步结论。本文的研究成果，为该种类型风电机组偏航系统的装配过程提供了理论依据，对规避错误与偏差，具有一定的指导意义。

关键词 风电机组；偏航系统；震动噪声

中图分类号TM61 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）85-0074-02

0 引言

本文针对市场上投入运行的MW级风力发电机组偏航系统出现的震动噪声现象，特别是由于摩擦片本身产生的噪声现象，进行了一定的原因分析研究尝试。本文仅以自功能的滑动摩擦片结构形式的偏航系统为例，分析偏航震动噪声产生的原因。

1 滑片式滑动支承偏航系统结构及功能简介

如图1所示，滑片式滑动支承偏航系统主要由偏航驱动、侧向支承、摩擦片、偏航齿圈及调整螺栓等功能零部件组成。其中，偏航驱动指的是使机舱相对塔架旋转的机械装置，机舱装于塔架的回转支承上，其目的是保持风力机正向迎风和背离风向或者在电缆过度扭缆时解缆[1]。机舱体通过紧固件及主机架，与侧向支承、偏航驱动、摩擦片等连成一体，系统偏航时，偏航驱动的驱动齿轮与偏航齿圈外齿啮合，偏航齿圈静止不动，从而使机舱体围绕偏航齿圈滑动转动，实现偏航动作。关于滑片式滑动支承偏航系统的详细结构及功能说明见[2]所述。

2 震动噪声产生原因分析

如前所述，正是由于滑片式滑动支承偏航系统复杂的结构形式及严格技术参数要求，使得这种结构形式的偏航系统在完成安装运行时，机组发生震动噪声的几率较大。本文从两个方面分析了震动噪声产生的原因。

2.1 工程技术应用方面原因分析

从反馈回的噪声现象出发，得到如下原因分析：

1）偏航齿圈的技术参数不合格。首先，齿圈表面粗糙度偏离了针对特定机组，经过不断试验验证后取得的合理数值；其次，如偏航齿圈的表面硬度保证措施、网纹的形状和网纹的加工方法没有得到保证；最后，偏航齿圈摩擦工作面平面度差，微观上则极有可能会造成偏航摩擦片在偏航过程中突然加速及突然减速现象的发生，导致偏航系统内吸收能力受到冲击，其影响的结果就是偏航系统的震动，并伴以高噪声和高的额外负荷；

2）偏航滑块高度精度控制不严格。这种偏航系统结构的摩擦片粘接平面度没有控制在要求的精度范围内，如0.1mm。这样就导致由多个摩擦片共同支承的机组重量由少数的摩擦片来承担的情况，而摩擦噪声会随正压力的增加而增大；

3）调整螺栓紧固力矩未按规定拧紧。调整螺栓的紧固程度有严格的要求，导致机组偏航动作时偏航系统未夹紧而致使机组偏有“侧翻”倾向，没有保持底部摩擦片与偏航齿圈的紧密接触；

4）偏航齿圈的洁净程度差。经验表明，偏航齿圈摩擦工作区内沾染油、液压油或者油脂后，会造成机组在偏航时发生噪声。此外，个别厂家对偏航齿圈摩擦工作区错涂涂保护以及操作者后续操作时清理不彻底，导致有残留物存在，比如硬质防绣油，导致噪声发生；

5）侧向摩擦带与偏航齿圈挤压接触。当机组在风场工况条件下运行时，特别是在防松螺栓处有松动，机组偏航时在风力“侧吹”的情况下，容易发生侧带与偏航齿圈的“挤压”，从而发出刺耳噪声；

6）启动前磨合不充分。干摩擦片的特点决定了它在工作前，需要有充分的“层”形成，若初始磨合不充分，也极有可能发生震动噪声；

7）气候条件的影响。工况环境下的湿度和温度因素，对摩擦片的工作有着一定的影响。

2.2 摩擦材料理论层面原因分析

本部分将从偏航摩擦片工作机理出发，分析偏航噪声产生的深层次原因。

机理-不同于传统材料（油、脂等），固体材料主要是依靠材料本身或其转移膜的低剪切特性而具有优良的抗磨和减摩的作用。

实现-以聚四氟乙烯（PTFE）这种高分子基自材料为例。当PTFE与其它材料发生摩擦时，PTFE大分子容易被拉出结晶区，向对偶面转移，由于库伦力和范德华力作用在对偶面上，形成一层20nm～30nm厚的薄膜[3]。

“变形-梨削-粘着”理论。关于摩擦的“变形-梨削-粘着”理论指出，滑动表面之间的摩擦是微凸体的变形、磨粒和微凸体对表面的梨削以及粘着三者的综合作用的结果。这三者对摩擦系数影响程度取决于滑动界面的状态，物理模型。

摩擦材料黏弹性-摩擦材料工作时能量的转化和耗散，表现为机械阻尼，具有减振降噪作用。提高摩擦片的黏弹性可以降低摩擦片的各阶模态频率、最大振幅和振动幅值，从而减少振动能量，实现减振降噪的目的[4]。

从以上分析不难看出，固体自材料实现功能的关键是这层薄膜的形成。同时，若摩擦片在设计之初未能充分考虑其阻尼特性，也会造成偏航震动噪声。

总之，这种结构形式的偏航系统的偏航噪声产生的原因是非常复杂的，影响的因素是多方面的，有装配的因素，也有设计的因素，且各个因素又相互影响和作用。偏航震动噪声产生的主要原因不在于单方面考虑摩擦副摩擦系数大小或者表面粗糙度如何，而是在于是否有利于干摩擦片副的形成，以及副的形成程度如何；是否真正实现了精确装配。因此，偏航震动噪声产生的主要原因是：1）偏航齿圈摩擦工作面的表面质量及稳定性，如网纹所在区域齿圈的表面硬度以及网纹的形式、齿圈工作面的清洁程度；2）摩擦片材料设计、制备阶段的完善性；3）偏航摩擦片装配精度。

3 不足与展望

风力发电技术的发展在我国尚处在起步阶段，我们对很多问题的认识仍处在摸索和探讨阶段。本文对风电机组存在的偏航摩擦噪声问题的分析就是这种尝试。虽然这种分析在理论层面和部分实践中得到了验证，但它仍然是不够充分的，建议在今后的工作中加以扩展和深化，可以在有条件的情况下，针对不同的影响因素，在试验台上进行试验模拟，得到第一手的试验数据资料，找出规律，给出更详实的分析结论。

参考文献

[1][美]Tony Burton，等著.风能技术[M].武鑫，等译.北京：科学出版社，2007：303.

[2]苏凤宇，史航，刘景阳.浅析滑动轴承式偏航制动系统在大型风力发电机组中的应用[J].农村牧区机械化，2010（2）.

[3]杨威锋.与密封，2007，32（12）：119.

[4]葛如海，等.摩擦材料配方中黏弹性成份对其阻尼特性的影响研究[J].汽车工程，2008，30（7）：608-612.