摘要： FD80型机组的液压系统为变桨机构提供油压动力和控制，在风机偏航旋转运动时，液压系统调节偏航制动器液压缸压力，减小偏航制动器制动力，使得风机能够主动按风向进行偏航运动。液压系统与制动系统存在漏油、制动噪声等问题，需要对其运行状态进行系统的评估，本次针对该机组出现的偏航振动噪声问题，以及液压变桨系统的性能故障问题，进行了性能测试的诊断评估。
关键词：变桨、偏航、测试分析
1、 液压系统结构与功能解析
1.1 系统组成
对FD80-2000A液压变桨与偏航系统进行系统梳理，对各系统及各液压元件进行系统分解。液压系统分别为偏航制动系统、高速制动系统、变桨系统提供动力源。
（1） 偏航制动系统
通过1.012电磁阀与1.019电磁阀共同工作，控制偏航回路的通断，通过1.013溢流阀（25bar）控制偏航过程中的偏航压力。 1.002蓄能器稳定系统压力，1.009蓄能器、安全回路1.010蓄能器同时向偏航系统补充压力。
（2） SOBO BLOCK系统（高速制动系统）
SOBO模块通过控制缸回路获取动力源，进行制动力矩的输出，实现转速的平稳下降。
（3） 安全缸控制回路
通过泵2及蓄能器向安全缸提供动力源，并通过1.095换向阀（两电磁铁同时得失电）实现安全油缸的开桨和关桨动作。通过2.021电磁阀实现安全油缸的差动功能。通过1.071换向阀向控制缸回路补充流量，实现双泵合流的功能。 在1.095电磁阀失电时，2.022二通插装阀闭锁功能取消，应急蓄能器通过2.022二通插装阀向A路提供压力，实现应急关桨。
（4） 控制缸控制回路
通过泵1及蓄能器向控制缸提供动力源，并通过1.089比例阀实现控制油缸的动作，平衡阀1.083、1.084保障控制油缸的动作平稳。通过1.072换向阀以及溢流阀实现控制缸回路压力平衡。
（5） 旁路过滤散热单元
旁路过滤散热单元，实现对油缸油液的散热和过滤功能，与各功能单元隔离，相互不影响。
2、 测试数据分析
2.1 偏航系统
2.1.1 偏航制动压力特性
测试数据1台，压力下降速度，平均间隔时间：
2.1.2 偏航过程压力特性
测试数据1台（3#），压力曲线如图1所示。偏航编码器采样周期6.22s~6.24s，每个周期变化2.25°，偏航速度为0.36°/s。
1.012电磁阀得电后延迟280ms，1.019电磁阀得电；1.019电磁阀在结束偏航前100ms失电，1.012电磁阀在结束偏航后200ms失电。偏航压力泄放响应时间（到达25bar）1.04s。压力上升时间0.82s，上升压力幅值138bar。0.075L蓄能器预充压力过小（15bar），偏航压力上升曲线中体现不出预充压力拐点，如图4。1.009 0.7L蓄能器响应拐点异常波动，压力拐点不在合理范围
图1偏航结束系统蓄能器充液压力变化曲线
2.1.3 偏航过程卡钳振动数据
偏航过程中卡钳钳体的振动数据如下图所示。从数据结果看，偏航过程中各卡钳振动均较大，同时伴有明显噪音，尤其是6#和7#卡钳振动明显较大。
3.1.4 小结分析
1) 偏航编码器需排查，采样周期过长，偏航定位精度低；
2) 偏航过程溢流阀泄漏量大，偏航压力无法稳定保持在25bar，出现11bar左右的低压，容易造成偏航失稳，同时0.075L蓄能器预充压力为15bar，最低工作压力为17bar，11bar工作压力下已排空，易损；
3) 偏航泄压和增压过程响应时间1s左右，比较正常；
4) 系统制动压力保持特性尚无对比，建议其他机组1.007测点处加装压力传感器，监测偏航压力，压力过低应报故障停机。
5) 偏航过程中卡钳钳体的振动均较大，同时伴有明显噪音，尤其是6#和7#卡钳振动明显较大。建议对偏航制动片进行排查，必要时进行刹车片的更换。
3.2 变桨系统
4.2.1 安全缸控制回路
1) 静态压力特性
对安全缸控制回路进行保压测试，测试压力点为安全缸控制回路1.020处，测试2台风机数据如下：
表一
表二
结合液压泵启停的条件，当安全主回路和控制主回路压力低于135bar时液压泵启动，从以上数据表中可以看出，2台机组安全回路系统压降不同，但压降速率都不大，在可接受范围内，表二机组压降速率最大，侧面说明其安全缸系统的回路泄漏较大、蓄能器和系统的保压性能较差，需对蓄能器和系统进行检测，必要时进行元件更换。
2) 动态压力特性
安全缸动态压力测试中，手动调节测试只有3#机组风机安全缸在收桨过程中压力变化平稳，收桨速度平缓；而开桨过程前半段压力波动不大，后半段开桨压力差有波动，开桨速度不够平稳。可能是桨距角处理分析过程中的误差引起，下面主要分析其相应时间与速度。
3#机组三次开桨和收桨过程数据如下表：
结合电磁阀样本来看，实测响应时间偏长，但不影响正常功能，机组开关桨速度符合要求。 机组在收桨过程中桨叶角度出现跳变，安全缸未添加位移传感器，桨角曲线为计算机合成虚拟桨角，其相关算法不明确。
3.2.2 控制缸控制回路
1) 静态压力特性
对控制缸控制回路进行保压测试，测试压力点为控制缸控制回路1.021处，测试2台风机数据如下：
表三
表四
从上述图表中可以看出，每个机组液压泵启动都是低于135bar而启动的，各个机组压降值都在30bar以内。 表四机组压降速率比较大，控制缸回路泄漏量较大，泵每隔1.8分钟就要启动一次，应对其主蓄能器、液压缸和液压阀进行排查必要时进行更换。其他机组机组系统也存在不同程度的泄漏，但在可接受范围内
2) 动态压力特性
控制液压缸压力变化与桨叶角度变化曲线较为稳定，在慢速开桨过程中，比例高频阀阀芯开度小，压损较大，在慢速开桨过程中1.081出现了小的压力波动，但整个开桨过程中压力值比较稳定，侧面说明该机组比例高频阀性能较为稳定。
3.2.3 系统泄漏量分析
测试中针对3#机组试验最全面，系统泄漏量计算中以3#机组为例进行计算。数据处理中通过1.082的背压，结合1.083平衡阀的性能指标，可以计算控制缸小腔的流量，通过1.021压力，结合电磁阀1.071和1.072工作位，可以计算控制缸油路的总流量，安全缸不动作的过程，两泵流量总和可知，可以提取系统总的泄漏量。 安全缸不动作：安全缸蓄能器充能流量+向控制缸泄放流量+控制缸蓄能器充能流量+控制缸动作流量=系统总流量（双泵流量） 开桨流量：大腔流量=F(1.083平衡阀压降(1.021-1.082),平衡阀压力特性（过流面积），控制压力（1.021）) 小腔流量= F(1.089高频比例阀压降(1.021-1.081),比例阀压力特性（过流面积），控制压力（1.021）) 计算过程中以液压泵启动，安全缸不动作，控制缸快速开桨为一个周期，应用到压力值为该周期内的平均值，蓄能器充液流量为平均流量。
具体计算步骤和过程如下：
（1） 从试验数据得出，电磁阀1.071B得电，1.071A、1.072A和1.072B失电，结合原理图此时系统处于控制缸控制快速开桨阶段，双泵合流后流入控制缸液压回路。
（2） 双泵供控制回路流量，所以系统总流量为：
Q=Q1+Q2=n（V1+V2）η/1000=3000*（16+20）*0.88/1000=96L/min. 所以控制回路系统总流量为96L/min。
（3）从实验数据得出，在快速开桨过程中液压泵出口压力1.021平均压力值为152.07bar，液压缸大腔1.082平均压力值为29.31bar，液压缸小腔1.081平均压力值129.68bar，此时高频电磁阀1.089电流值为17mA，该电磁阀工作电流范围为4-20mA，中位工作电流为12mA，阀的型号为E1型，该阀工作流量特性如下图所示，
3.2.4 变桨精度分析
控制液压缸变桨精度测试主要是主控给定角度与桨叶实际角度的差值，分析了4台机组从开桨到收桨的运行数据，计算变桨跟随误差，如下表所示：
误差与变桨角度变化关系下图所示，横坐标为桨角变化，纵坐标为跟随误差，0°~45°（误差为正值）为收桨过程，45°~0°（误差为负）为开桨过程。
3.2.5 小结
（1） 安全油缸和控制油缸系统保压性能中，所测的5台机组均出现一定程度的压降，安全缸回路33#机组压降速率较大， 控制缸回路45#机组压降速率较大，需要对其回路关键元件进行检测和排查，主要可能原因：（a）主蓄能器元件老化，保压性能下降。（b）液压系统运行时间较长，油液污染，导致单向阀不能完全关闭，致使系统保压时出现泄漏。（c）保压过程中，系统中主要液压元件泄漏量较大，主要是安全和控制油缸的泄漏、液压滑环的泄漏、以及换向阀1.095以及比例阀1.089的泄漏等。
（2） 对3#机组进行安全缸与控制缸动态测试，整个收桨与开桨过程中压力值比较稳定，侧面说明该机组比例高频阀性能较为稳定。
（3） 结合所测3#风机试验数据计算出系统泄漏量为1.98L/min、该泄漏量偏大，可能原因为控制液压缸内泄漏严重，建议对该液压缸进行检测，必要时进行更换。 （4）变桨过程中，四台风机开桨跟随误差较小，控制精度较高，角度变化平稳，收桨过程3#机组误差略大，建议跟踪3#机组变桨跟随特性（可根据SCADA数据）。
5 测试结论及机组健康状态评估
5.1 测试结论
1) 偏航系统应该加装压力传感器，建议其他机组1.007测点处加装压力传感器，监测偏航压力，压力过低应报故障停机。3#机组的偏航系统溢流阀（1.013）保压能力差，偏航过程压力严重不足，建议更换。同时0.075L蓄能器预充压力为15bar，最低工作压力为17bar，11bar工作压力下已排空，易损，建议改进设计，去除此蓄能器。
2) 3#机组偏航过程中卡钳钳体的振动均较大，同时伴有明显噪音。从现场了解到，该机组偏航卡钳刹车片已使用多年，同时可见刹车盘已有轻微磨痕，从部分卡钳侧面可发现硬化剥落物。建议对3#机组及噪声或振动明显机组的刹车片进行处理或更换。
3） 偏航编码器需排查，采样周期过长，偏航定位精度低，建议排查或更换。偏航泄压和增压过程响应时间1s左右，比较正常；
4） 对3#机组进行安全缸与控制缸动态测试，整个收桨与开桨过程中压力值比较稳定，侧面说明该机组比例高频阀性能较为稳定。
5） 变桨过程中，四台风机开桨跟随误差较小，控制精度较高，角度变化平稳，收桨过程3#机组误差略大，建议跟踪3#机组变桨跟随特性（可根据SCADA数据跟踪）。
参考文献:
1、曾亿山.液压与气压传动.合肥工业大学出版社，1999:2-8
2、张岚.新编液压实用液压技术手册.人民邮电出版社，2002:82-96
3、张利平.液压阀原理、使用与维护.化学工业出版社，2004:150-193
4、张嘉英;王文兰;蔡永刚;;风力发电机组偏航控制系统[J];兵工自动化;2009年11期
5、郭洪澈.兆瓦级风力发电机组变桨距系统控制技术研究（D）.沈阳工业大学.2008.06
论文作者:樊振海,李关平,高煜坤
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/9/17
标签：压力论文; 机组论文; 蓄能器论文; 回路论文; 偏航论文; 系统论文; 过程中论文; 《电力设备》2019年第7期论文;