黃久平

（國電和風(fēng)風(fēng)電開發(fā)有限公司，吉林 長春 130000）

0 引言

作為水平軸風(fēng)電機組中的重要組成部分之一，偏航系統(tǒng)承擔(dān)著幫助風(fēng)電機組捕獲風(fēng)能的職責(zé)。在風(fēng)電機組運行的過程中，偏航系統(tǒng)的功能具體表現(xiàn)在以下兩個方面，一是跟蹤風(fēng)向變化情況，當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化時偏航系統(tǒng)將與風(fēng)電機組的控制系統(tǒng)形成聯(lián)動關(guān)系，以便于風(fēng)電機組能夠及時根據(jù)風(fēng)向的變化調(diào)整對風(fēng)口，提高風(fēng)向系統(tǒng)整體風(fēng)能的捕獲效率；二是阻止電纜斷裂，風(fēng)向系統(tǒng)在運行的過程中會因為電纜出現(xiàn)單向纏繞的現(xiàn)象，從而引發(fā)電纜斷裂問題。當(dāng)風(fēng)電機組的機艙發(fā)生電纜纏繞問題時，偏航系統(tǒng)將會觸發(fā)自動解纜功能，從而維護風(fēng)電系統(tǒng)運行穩(wěn)定。因此，通過開展偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)研究能夠維護偏航系統(tǒng)的穩(wěn)定，從而為風(fēng)電機組的正常運轉(zhuǎn)提供保障。

1 基于人工智能的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)研究的必要性分析

偏航系統(tǒng)是連接機艙與塔筒的核心環(huán)節(jié)，而且，偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)能利用率的必備組件之一。偏航系統(tǒng)一旦產(chǎn)生故障，輕則損失發(fā)電量，影響機組的正常運行，重則需動用大型吊裝設(shè)備進行檢修、更換。聯(lián)合動力1.5MW機組常見故障為偏航噪音大、偏航振動、齒輪箱打齒、偏航制動盤磨損、摩擦片異常磨損等故障[1]。主機廠原設(shè)計中針對偏航系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)測幾乎沒有，目前完全依靠人工進行巡檢。由于偏航系統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu)的特性，通過靜態(tài)肉眼檢查很多問題無法發(fā)現(xiàn)。因此有必要針對偏航系統(tǒng)主要設(shè)備進行實時的故障預(yù)警。

2 風(fēng)電機組中偏航系統(tǒng)常見的故障問題

2.1 摩擦片異常磨損

由于機組多年運行偏航系統(tǒng)部件老化、振動導(dǎo)致各部件故障，其中包括液壓系統(tǒng)故障、制動器故障、盤體塊狀剝落等原因，造成摩擦片異常磨損。當(dāng)發(fā)生異常磨損時，摩擦片壽命會嚴重縮短，因為沒有限位報警，未及時發(fā)現(xiàn)就會造成制動器壓板、液壓缸在壓力作用下直接磨盤體。輕則盤體出現(xiàn)不同程度的劃痕，嚴重可導(dǎo)致偏航盤變形[2]。若沒有及時發(fā)現(xiàn)，有可能造成偏航負荷過載伴嚴重振動導(dǎo)致偏航電機、齒輪箱損壞。

2.2 偏航齒輪箱故障

由于齒輪箱下沉、大小齒潤滑不良、大小齒嚙合間隙不良會導(dǎo)致小齒輪與大齒產(chǎn)生噪音和振動，嚴重會發(fā)生齒輪嚙合卡死現(xiàn)象。以上故障的初期都會產(chǎn)生異音，若早發(fā)現(xiàn)早治理，短時停機就可輕松治理。但發(fā)現(xiàn)不及時，造成嚴重后果，維修難度極大[3]。

2.3 制動力矩不足

正常情況下，完成偏航后制動器加壓至160bar保壓穩(wěn)定機頭方向。機組在風(fēng)載作用下整機會不規(guī)律晃動，當(dāng)制動力矩不足時會發(fā)生制動器抱不住的現(xiàn)象，表現(xiàn)的特征是隨晃動發(fā)出噪音及振動。此類情況若不及時發(fā)現(xiàn)并治理，將嚴重危害機組安全。制動力矩不足的原因包括：液壓系統(tǒng)故障；制動器故障；偏航盤經(jīng)多年運行過于光滑導(dǎo)致制動器與盤之間摩擦系數(shù)過低，達不到預(yù)期制動力；個別制動器摩擦片耗盡未及時更換，導(dǎo)致制動力矩不足。

2.4 偏航制動盤磨損

盤體的磨損主要來自制動器，因偏航過程中主液壓站用10%的剎車載荷（25bar-15bar的冗余壓力）給系統(tǒng)提供一定的阻尼，使得偏航過程中始終有阻尼存在，保證機艙平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。如果個別摩擦片耗盡，摩擦力矩不均勻，偏航運動摩擦過程中制動盤上的多個受力點受力情況不一致，會造成偏航制動盤磨損，嚴重可致盤體變形。

2.5 偏航齒圈軸承損壞

易發(fā)生斷齒，內(nèi)外圈之間的滾道脫落、剝離，產(chǎn)生的原因有潤滑不良、受沖擊載荷，熱處理工藝不達標。潤滑不良和沖擊載荷在早期都會出現(xiàn)輕微的異音，難于發(fā)現(xiàn)。后期噪音變大代表著已發(fā)生不可逆的磨損，難以治理。

綜上可見，偏航系統(tǒng)為多機械設(shè)備，相互配合的同時又相互影響，僅一個小小的摩擦片可導(dǎo)致一系列設(shè)備故障。故障發(fā)生的初期治理難度小費用低，但磨損量小、異音輕微，巡檢人員難以發(fā)現(xiàn)，故障后期，人員巡檢易于發(fā)現(xiàn)，但此時由于部件損壞嚴重維修費用高昂，停機損失發(fā)電量大，影響機組安全運行。

3 基于人工智能的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 基于人工智能的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計思路

偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計以聲音采集模塊、激光測量識別模塊為核心，通過開發(fā)可發(fā)出特殊音頻的摩擦片的形式實現(xiàn)偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)的動態(tài)化預(yù)警[4]。以聲、光為識別核心的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)具有以下五個方面的優(yōu)點，一是系統(tǒng)適應(yīng)性強，該系統(tǒng)以聲、光為識別核心，能夠滿足不同類型的風(fēng)向機組機型的需要，降低了置換系統(tǒng)的成本。二是滿足非接觸式采集數(shù)據(jù)的需求，以聲、光為識別核心的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)在運行的過程中不需要額外在監(jiān)測部件上安裝傳感器，也不需要連接任何線纜，避免出現(xiàn)電纜單向纏繞的現(xiàn)象，保障風(fēng)電系統(tǒng)運行穩(wěn)定；三是聲音采集模塊、激光測量識別模塊體積較小，運轉(zhuǎn)過程中所耗費的能耗較低，且不需要頻繁地維護；四是特殊音頻式預(yù)警，偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)能夠發(fā)出特殊音頻，數(shù)據(jù)系統(tǒng)將會自動捕捉該音頻信息；五可擴展性強，以聲、光為識別核心的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)具有極高的應(yīng)用擴展性，除了應(yīng)用于風(fēng)電機組中，未來還可滿足輪轂、傳動鏈等監(jiān)測領(lǐng)域的需求[5]。

3.2 基于人工智能的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用

風(fēng)電機組中偏航系統(tǒng)主要由兩個兩個模塊所組成，分別是機械以及電控，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了能夠保障偏航系統(tǒng)的運行，風(fēng)速風(fēng)向儀實時監(jiān)控風(fēng)電系統(tǒng)所處區(qū)域的風(fēng)速以及風(fēng)向狀況，并利用后臺系統(tǒng)將處理后的信息反饋至偏航電機系統(tǒng)中，此時剎車松開，偏航電機正反轉(zhuǎn)，并將反饋信息輸送至制動器，制動器接收反饋信號后及時調(diào)整偏航角，從而達到預(yù)期效果，以保障風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[6]。

圖1 偏航系統(tǒng)的機械組成圖

為了能夠滿足以聲音采集模塊、激光測量識別模塊為核心，具備可發(fā)出特殊音頻功能的摩擦片，在設(shè)計摩擦片時主要選擇6mm的標準摩擦材料，實現(xiàn)2mm噪音發(fā)生層的需要。如圖2所示，該摩擦片符合GB/T 11834-2011標準，適配聯(lián)合動力1.5MW風(fēng)機偏航制動器雙層材質(zhì)一體成型粉末冶金摩擦片，將該摩擦層最下面的2mm厚度添加特殊發(fā)音材質(zhì)，當(dāng)摩擦片整體消耗至還剩2mm時與盤體摩擦將發(fā)出特殊音頻，這種音頻被聲音采集模塊識別后將發(fā)出預(yù)警信號。

圖2 具有特殊音頻的摩擦片的示例圖

基于人工智能的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)通過監(jiān)測摩擦片所發(fā)出的特殊音頻進行偏航系統(tǒng)故障預(yù)警，當(dāng)風(fēng)速風(fēng)向儀在運轉(zhuǎn)的過程中出現(xiàn)異常偏航現(xiàn)象時，摩擦片將會因為偏航系統(tǒng)的變化與周圍的零部件共同偏位。偏航電機的正反轉(zhuǎn)機則根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向儀則會根據(jù)電控部分的信號指引與偏航盤的相對旋轉(zhuǎn)位移，達到指定位置。如果當(dāng)前偏航電機的正反轉(zhuǎn)機未達到預(yù)定位置時，此時摩擦片與盤體摩擦將發(fā)出特殊音頻，聲音采集模塊識別將會采集所發(fā)出的特殊音頻信息，經(jīng)過后臺數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，并將處理后的信息反饋至預(yù)警監(jiān)控后臺。此外，制動器的工作也是由電控部分傳遞信號，通過液壓站提供壓力給制動器油缸，推動摩擦片，與摩擦盤相對位移產(chǎn)生摩擦力進行工作，從而發(fā)出預(yù)警信息。

然而，偏航系統(tǒng)中的電機的初始參數(shù)以及液壓站的壓力值等相關(guān)參數(shù)主要是設(shè)計人員根據(jù)風(fēng)電系統(tǒng)所處的區(qū)域的風(fēng)向、風(fēng)速等相關(guān)數(shù)據(jù)信息激素按而得到的，使得偏航系統(tǒng)在后期無法通過改動，或者是改型的方式實現(xiàn)偏航系統(tǒng)故障預(yù)警，只能對偏航系統(tǒng)維修以及維護的手段。而在基于人工智能的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)中，摩擦片作為執(zhí)行元件，后期維護更換和進行改進的可能性更大，利用摩擦片所產(chǎn)生的特殊音頻能夠滿足偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控和預(yù)警的需要，從而滿足偏航系統(tǒng)故障預(yù)警提前預(yù)判，以便于相關(guān)工作人員提前更換相應(yīng)的零部件，使得偏航系統(tǒng)能夠處于安全可靠的運行狀態(tài)中。

4 結(jié)語

綜上所述，偏航系統(tǒng)常見的故障問題為摩擦片異常磨損、偏航齒輪箱故障以及制動力矩不足等多種類型，為了能夠保障風(fēng)電機組的安全，可采取以聲音采集模塊、激光測量識別模塊為核心，通過開發(fā)可發(fā)出特殊音頻的摩擦片的形式實現(xiàn)偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)的動態(tài)化預(yù)警，以便于工作人員在故障發(fā)生的初期采取相應(yīng)的治理措施。