劉洪冰，姚 鵬，李振國(guó)，陳超凡，陳 濤，王金生

（1.清華大學(xué)天津高端裝備研究院洛陽(yáng)先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地，河南 洛陽(yáng) 471003；2.大生清風(fēng)（北京）科技有限公司，北京 100036）

0 引言

由于化石能源會(huì)導(dǎo)致空氣污染、全球變暖等問(wèn)題，近年來(lái)，新能源在全世界得到了高速發(fā)展[1]。其中，風(fēng)能因?yàn)榫哂协h(huán)境效益好、基建周期短等優(yōu)勢(shì)，其裝機(jī)量在全球得到快速增長(zhǎng)[2]，[3]。在碳達(dá)峰、碳中和的大背景下，我國(guó)的新能源革命和能源結(jié)構(gòu)多元化進(jìn)程將被快速推動(dòng)，急需建立一個(gè)清潔、低碳的能源體系[4]，[5]。電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院發(fā)布的《中國(guó)電力發(fā)展報(bào)告2020》指出，截至2020年底，我國(guó)非化石能源裝機(jī)容量達(dá)到了9.8億kW，超額完成了“十三五”規(guī)劃目標(biāo)[6]。其中，2020年風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到了7 167萬(wàn)kW，創(chuàng)歷史新高。有學(xué)者預(yù)測(cè)，未來(lái)40 a，風(fēng)電發(fā)展將維持高速度，預(yù)計(jì)到2060年，風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到20.07億kW，約為2020年的7.1倍，在電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中的比重預(yù)計(jì)提升至44.09%，成為主要能源形式之一[7]。

風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)壽命不應(yīng)低于20 a[8]。因此，其核心部件設(shè)計(jì)壽命均應(yīng)高于20 a。其中，偏航制動(dòng)盤是風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)中受力最復(fù)雜的核心部件之一[9]。在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行期間，通過(guò)偏航驅(qū)動(dòng)與偏航齒圈之間的傳動(dòng)，風(fēng)機(jī)機(jī)艙的朝向得到調(diào)整，進(jìn)而通過(guò)偏航制動(dòng)盤固定機(jī)艙朝向，保證葉輪始終朝向來(lái)風(fēng)方向[10]。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行，偏航制動(dòng)盤容易出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，若不及時(shí)維修，磨損程度將加劇，維修難度及成本將進(jìn)一步增大[11]。以往出現(xiàn)該問(wèn)題，須對(duì)機(jī)艙進(jìn)行吊裝，隨后更換偏航制動(dòng)盤。采用該方法，工期需1個(gè)月以上，成本30萬(wàn)元以上，給風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)巨大的不利影響。因此，研發(fā)一種不需吊裝且質(zhì)量可靠的在線再制造修復(fù)工藝，可直接在機(jī)艙中對(duì)偏航制動(dòng)盤進(jìn)行維修，進(jìn)而縮短工期，降低維修成本和發(fā)電量損失。

1 修復(fù)要求及修復(fù)工藝

1.1 修復(fù)要求

偏航制動(dòng)盤材質(zhì)為QT400-18AL。磨損后，偏航制動(dòng)盤的厚度減小，表面凹凸不平，偏航不穩(wěn)定。針對(duì)偏航制動(dòng)盤的運(yùn)行工況，結(jié)合其出廠時(shí)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，確定修復(fù)后相關(guān)參數(shù)應(yīng)滿足表1的要求。

表1 偏航制動(dòng)盤修復(fù)后參數(shù)Table 1 Remanufacturing parameters of yaw disc

1.2 修復(fù)工藝

修復(fù)工藝如圖1所示。針對(duì)修復(fù)工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)介紹如下。

圖1 修復(fù)工藝流程圖Fig.1 Process of remanufacturing

①盤面清理。對(duì)偏航制動(dòng)盤磨損面進(jìn)行清理，首先清理表面雜質(zhì)，隨后用清洗劑徹底清除表面油污，露出金屬基體。

②盤面粗銑。使用自主研發(fā)的偏航制動(dòng)盤銑削裝置，對(duì)磨損的盤面進(jìn)行銑削，銑削前須根據(jù)偏航速度、電機(jī)功率等參數(shù)確定進(jìn)刀量，避免進(jìn)刀量過(guò)大導(dǎo)致崩刀、卡刀。

③鑲塊粘接。采用特制的耐高溫環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，將鑲塊逐一粘接至銑削后的盤面，如圖2所示。鑲塊共有8塊，其材質(zhì)與制動(dòng)盤相同，均為QT400-18AL，8塊鑲塊連接起來(lái)與制動(dòng)盤配合良好。為了提高鑲塊的耐磨性，避免再次發(fā)生磨損，對(duì)加工后的鑲塊做了合金化處理和淬火處理。通過(guò)合金化，使得涂層與球墨鑄鐵發(fā)生反應(yīng)，在表面產(chǎn)生耐磨成分；通過(guò)淬火，使表面生成硬質(zhì)相，提升了表面的耐磨性。

圖2 鑲塊粘接示意Fig.2 Cementing inserts

④加熱固定。采用特制的固定夾具將鑲塊固定到制動(dòng)盤上，采用陶瓷電阻加熱片對(duì)鑲塊進(jìn)行加熱，加熱溫度為80℃，加熱時(shí)間為2 h，以實(shí)現(xiàn)膠的快速固化。

⑤盤面精銑。利用偏航制動(dòng)盤銑削裝置對(duì)粘接后的鑲塊進(jìn)行表面銑削，銑削過(guò)程注意控制進(jìn)刀量，以保證銑削精度。當(dāng)制動(dòng)盤的厚度滿足要求后，停止銑削，改用拋光片對(duì)盤面進(jìn)行拋光，以保證表面粗糙度滿足要求。

⑥質(zhì)量檢測(cè)?；诒?所列的參數(shù)，對(duì)修復(fù)后的制動(dòng)盤進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，以確定是否需要再次進(jìn)行銑削或拋光，直到質(zhì)量檢測(cè)滿足要求。

2 修復(fù)強(qiáng)度校核

在風(fēng)機(jī)偏航過(guò)程中，偏航制動(dòng)器對(duì)制動(dòng)盤有壓力和剪切力，同時(shí)耐高溫環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠存在老化問(wèn)題，因此，需要對(duì)修復(fù)后的偏航制動(dòng)盤抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和老化情況進(jìn)行校核。

2.1 抗壓強(qiáng)度校核

鑲塊與制動(dòng)盤粘接后，二者之間的粘接面積S為

式中：F為偏航過(guò)程中1個(gè)制動(dòng)器對(duì)制動(dòng)盤的最大壓力；m為1個(gè)鑲塊的質(zhì)量；g為重力加速度；分子中的±選取原則，當(dāng)磨損面為上盤面時(shí)為+，磨損面為下盤面時(shí)為-。

由式（2）可知，當(dāng)上盤面磨損時(shí)，修復(fù)后膠粘面受到的壓力更大。

以某國(guó)產(chǎn)品牌1.5 MW風(fēng)機(jī)為例，代入相關(guān)參數(shù)，得到σ=2.55 MPa。

實(shí)驗(yàn)表明，耐高溫環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的抗壓強(qiáng)度[σ]為90.0 MPa，因此有：

式中：nσ為抗壓強(qiáng)度校核得到的安全系數(shù)，達(dá)到了35.3，滿足工程要求。

2.2 剪切強(qiáng)度校核

在得到壓應(yīng)力的基礎(chǔ)上，可以計(jì)算得到：

式中：τ為剪切應(yīng)力；μ為制動(dòng)器摩擦片與鑲塊間的摩擦系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)表明，耐高溫環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的剪切強(qiáng)度[τ]為21.5 MPa，因此：

式中：nτ為剪切強(qiáng)度校核得到的安全系數(shù)，nτ達(dá)到12.1，滿足工程要求。

2.3 老化試驗(yàn)校核

耐高溫環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠受高低溫變化影響，存在老化情況?？紤]到其剪切強(qiáng)度的安全系數(shù)大大低于抗壓強(qiáng)度，因此針對(duì)剪切強(qiáng)度開展雙85試驗(yàn)，以驗(yàn)證其老化后的剪切強(qiáng)度是否還能滿足要求。試驗(yàn)時(shí)，將樣件表面清洗干凈，使用耐高溫環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行粘接，粘接面積為25 mm×12.5 mm，粘接5個(gè)試樣，固化后將其放入高低溫循環(huán)箱中并加載。根據(jù)試驗(yàn)要求，先在2 h內(nèi)升溫至85℃/85%濕度，保持4 h，隨后在2 h內(nèi)降溫到-40℃，保持4 h，然后在2 h內(nèi)再升溫到85℃，一次循環(huán)12 h，在90 d后取出5組樣件測(cè)試其剪切強(qiáng)度。

考慮到加載情況以及溫度變化情況，該試驗(yàn)可模擬偏航制動(dòng)盤運(yùn)行20 a的工況。

從加載角度考慮，以某國(guó)產(chǎn)品牌1.5 MW風(fēng)機(jī)為例，其偏航次數(shù)為1 000～3 000次/月，每次偏航時(shí)間為5～10 s。按上限計(jì)算，偏航制動(dòng)盤在20 a內(nèi)受到制動(dòng)器加載作用的總時(shí)間（折算為天）為

試驗(yàn)天數(shù)為90 d，大于83.3 d，因此從加載角度考慮，該試驗(yàn)滿足模擬偏航制動(dòng)盤運(yùn)行20 a的情況。

從溫度變化角度考慮，由-40℃升溫至85℃并保溫，再降溫至-40℃并保溫，一個(gè)溫度變化周期為12 h，90 d內(nèi)溫度變化次數(shù)為180次。無(wú)論溫度變化次數(shù)，還是溫度變化范圍，均比風(fēng)機(jī)運(yùn)行20 a的實(shí)際工況條件更為嚴(yán)苛。

因此，綜合考慮加載情況和溫度變化情況，該試驗(yàn)可以模擬偏航制動(dòng)盤運(yùn)行20 a的工況。

測(cè)試樣件如圖3所示，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖3 “雙85”試驗(yàn)樣件Fig.3 Samples for“double 85”test

表2 測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results

測(cè)試結(jié)果表明，5個(gè)樣件中剪切強(qiáng)度最小值為18.0 MPa，此時(shí)剪切強(qiáng)度的安全系數(shù)為10.1，滿足工程要求。

3 銑削參數(shù)設(shè)計(jì)

為了能夠高效高質(zhì)量地銑削偏航制動(dòng)盤，本文設(shè)計(jì)了專用的偏航制動(dòng)盤銑削裝置。由于風(fēng)機(jī)機(jī)艙中空間尺寸和供電功率有限，因此銑削裝置的體積和功率受限。為了保證銑削效率，對(duì)銑削裝置的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)偏航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

式中：v為銑刀最佳切削速度，由銑刀特性決定，不同材料制成的銑刀特性不同，本計(jì)算選用硬質(zhì)合金銑刀；d為銑刀槽寬，可以直接設(shè)計(jì)為銑削寬度，進(jìn)而銑削時(shí)只需銑削一次即可滿足銑削寬度要求。

在N基礎(chǔ)上，計(jì)算得到每齒進(jìn)給量Sz。

式中：CN為系數(shù)，取決于銑刀盤自身特性；t為銑削深度，即進(jìn)給量，可根據(jù)工程要求確定；g，x，y，u，p，f和KMN均為系數(shù)，可查表得到。

計(jì)算得到的N，P等參數(shù)可直接用于銑削裝置設(shè)計(jì)，包括電機(jī)功率、減速器減速比等。因機(jī)艙內(nèi)空間、供電功率十分有限，故在設(shè)計(jì)過(guò)程中，若出現(xiàn)裝置所需功率超過(guò)供電功率或裝置體積要求超過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)空間大小，則須減小t，進(jìn)而可減小P和電機(jī)尺寸，直至設(shè)計(jì)裝置所需空間和功率均滿足要求。若t減小到一定程度后裝置體積仍然超過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)空間大小，可考慮更換電機(jī)類型，以在保證P的基礎(chǔ)上減小電機(jī)的體積。

值得一提的是，銑削效率是影響再制造效率的最重要因素之一。因此，建議在已知空間要求、功率要求的前提下，盡量選用功率大、尺寸小、重量輕的電機(jī)，進(jìn)而提高再制造效率，同時(shí)降低人工成本。

最終設(shè)計(jì)的偏航制動(dòng)盤銑削裝置（圖4）的額定功率為1.5 kW，額定銑削深度為0.3 mm，其功率和尺寸滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，銑削深度也滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

圖4 偏航制動(dòng)盤銑削裝置Fig.4 Milling machine for yaw disc

偏航制動(dòng)盤銑削裝置的關(guān)鍵參數(shù)如表3所示。

表3 偏航制動(dòng)盤銑削裝置設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Parameters of the milling machine for yaw disc

銑削裝置主要部分的功能如下。

連接板：用于將銑削裝置安裝于偏航制動(dòng)器安裝孔上。

電機(jī)：為銑削裝置提供動(dòng)力。

支撐底座：用于固定電機(jī)。

銑刀座：用于安裝銑刀盤。

銑刀盤：用于銑削偏航制動(dòng)盤表面。

橫向調(diào)節(jié)輪：用于沿水平方向調(diào)整銑刀盤的位置，即調(diào)整銑刀盤銑削偏航制動(dòng)盤表面的具體位置。

橫向?qū)к墸赫{(diào)節(jié)橫向調(diào)節(jié)輪時(shí)，電機(jī)和銑刀盤沿橫向?qū)к夁\(yùn)動(dòng)。

縱向?qū)к墸河糜谘卮怪狈较蛘{(diào)整銑刀盤的位置，進(jìn)而調(diào)整銑刀盤距離偏航制動(dòng)盤表面的距離。

縱向固定螺栓：調(diào)整好銑刀盤的縱向位置后，鎖緊縱向固定螺栓可將電機(jī)和銑刀盤的縱向位置固定。

4 工程應(yīng)用

本文選取2個(gè)風(fēng)場(chǎng)開展工程應(yīng)用，分別為山東某風(fēng)場(chǎng)和河北某風(fēng)場(chǎng)。偏航制動(dòng)盤修復(fù)前后對(duì)比如圖5所示。

圖5 偏航制動(dòng)盤修復(fù)前后對(duì)比Fig.5 Comparison of the yaw discs before and after remanufacturing

圖中：山東某風(fēng)場(chǎng)偏航制動(dòng)盤修復(fù)前最大磨損量為8.5 mm，表面有多條犁溝，偏航噪音較大，經(jīng)過(guò)7 d修復(fù)后，其表面粗糙度達(dá)到Ra6.3，最大表面跳動(dòng)為±0.3 mm，最薄處為29.8 mm，最厚處為30.3 mm，偏航無(wú)異響，滿足要求；河北某風(fēng)場(chǎng)偏航制動(dòng)盤修復(fù)前最大磨損量為5.6 mm，表面犁溝相對(duì)較少，但深度較大，偏航噪音較大，經(jīng)過(guò)8 d修復(fù)后，其表面粗糙度達(dá)到Ra6.3，最大表面跳動(dòng)為±0.3 mm，最薄處為29.7 mm，最厚處為30.1 mm，偏航無(wú)異響，滿足要求。

工程應(yīng)用表明，對(duì)磨損的偏航制動(dòng)盤進(jìn)行再制造修復(fù)，效果可靠，成本低廉，修復(fù)后偏航制動(dòng)盤的耐磨性增強(qiáng)，修復(fù)期間發(fā)電量損失小，對(duì)于風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性有一定意義。

5 結(jié)語(yǔ)

偏航制動(dòng)盤磨損會(huì)導(dǎo)致偏航系統(tǒng)無(wú)法正常工作，影響風(fēng)機(jī)發(fā)電量。本文介紹了一種再制造修復(fù)工藝，該工藝不需吊裝，可以直接在風(fēng)機(jī)上對(duì)磨損的偏航制動(dòng)盤進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)后，偏航制動(dòng)盤的尺寸、表面粗糙度等參數(shù)得到恢復(fù)，耐磨性提高，偏航系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。工程應(yīng)用表明，該工藝可以高效可靠地完成偏航制動(dòng)盤的磨損修復(fù)，對(duì)于風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性具有一定意義。