歌美飒风机液压系统故障原因分析及日常处理

林剑斌

（福建省福能新能源有限责任公司 福建莆田 351146）

0 引言

歌美飒G80/G90 系统风力发电机组采用液压变桨控制技术，是通过液压执行元件调整叶片桨距角在0°～90°之间变化，以改变气流对桨叶的攻角，风力发电机达到切入风速时自动启动，在超过额定风速时控制桨距角保持叶轮转速和输出功率恒定，以及在安全链触发时风力发电机自动顺桨（90°）以保证风力发电机组的安全。液压变桨具有体积小、重量轻、运动惯性小、反应速度快、动作可靠、操作性能好等特点。液压变桨系统因其系统的元件较多，相对应的故障也比较多，主要体现在液压系统方面的故障和变桨系统方面的故障。

1 风机液压系统的作用及组成

1.1 液压系统的作用

液压系统属于风力发电机的1 种动力系统，其主要作用是为变桨控制装置、偏航驱动和制动装置、停机制动装置和安全桨距控制装置提供液压驱动力。歌美飒G80/G90 风机中液压系统主要控制变桨机构，实现风力发电机组的转速控制、功率控制，同时也制控转子刹车机构和偏航刹车机构。

1.2 液压系统的组成

1.2.1 动力元件

液压系统的动力元件是指液压系统中的油泵，其作用是将原动机的机械能转化为液压油的压力能。

1.2.2 控制元件

控制元件是指在液压系统中控制和调节液体压力、流量和方向，以满足执行元件对力、速度和运动方向的要求。主要包括安全阀、电磁阀、比例阀、单向阀、减压阀、压力开关等控制元件。

1.2.3 执行元件

执行元件是指将液压油的压力能转换为机械能的装置，以驱动外负载做功；主要包括：变桨油缸（活塞缸）和刹车（柱塞缸）。

1.2.4 辅助元件

辅助元件是指在传递液压油压力能和液压油本身所需的液压辅件，起到储油、保压、滤油和检测等作用；主要包括：油箱、油管及油管接头、蓄能器、滤芯、压力表、油位计、油温计等。

1.2.5 液压油

液压油是液压系统中传递能量的工作介质。

2 风机液压变桨系统故障原因分析及处理

2.1 风机液压系统故障原因分析及处理

液压系统最主要的2 条回路是M280 液压泵回路和M281液压油散热风扇电机回路，见图1。

图1 液压变桨过程

2.1.1 油泵打压超时和液压系统反馈出错

从故障触发条件可以看出201 油泵打压超时和208 液压系统反馈出错均发生于M280 液压泵回路，M280 液压泵是整个液压系统的核心动力，而KM280 接触器是液压系统运行最频繁的电气元件。风机运行时，因风速一直处于变化的状态，系统通过风速不断调整叶片桨距角需要液压泵来提供动力。当压力传感器检测到压力低于200 MPa 时，则发出KM280 接触器吸合的命令，其为液压系统最为容易出故障的电气元件。主要通过半年定期维护、全年定期维护时进行定期更换KM280 接触器，检查并紧固回路，从而减少该类故障的发生。（注意：更换KM280 接触器有严格工艺要求，其接线不允许出现松动，因KM280 启动电流较大，若出现松动则会导致KM280 接触器烧毁。）

2.1.2 液压系统油位低

205 液压系统油位低是歌美飒系列机型最常见的故障，也是液压变桨系统的通病——液压系统液压油泄漏，导致其油位降低。经过多年故障处理研究及总结发现其最主要的泄漏点是变桨油缸密封圈长期频繁变桨磨损致使密封性降低，导致液压油外漏。在保证安全的情况下，通过对各个叶片进行变桨测试，观察各变桨油缸与活塞杆连接处的漏油情况，来判断该油缸是否需要更换密封圈，同时检查各个油管及其连接处是否存在漏油。而发生磨损的最根本原因是歌美飒风机变桨油缸半月板轴承因无润滑长期干摩擦导致油缸与半月板之间出现间隙，变桨油缸运行不平衡，密封圈受到的径向力不平衡，长期运行密封圈磨损加速致变桨油缸漏油；通过半月板轴承固定改造增加润滑油脂，减少半月板干摩擦，以延长变桨油缸密封圈寿命，从而减少该类故障的发生。最后添加足够的液压油恢复风机运行。

2.1.3 液压系统压力低和液压系统压力很低

这2 条故障主要发生在台风天气或者高风速时。因风速变化过快，风机桨距角频繁大角度调整，导致液压系统压力跟不上桨距角变化的速度。根据液压系统原理及日常维护检查发现其最主要的原因是蓄能器压力降低或者蓄能器损坏，导致液压系统保压能力降低，当系统平均流量不足时，无法有效对其进行补充。蓄能器还具备吸收液压冲击能力，减少振动和噪音，降低钢管头泄漏的风险，还能有效降低系统频繁打压导致液压油油温升高，同时能提供叶片紧急收桨的动力，保证风机安全。每年定期对蓄能器进行充氮气并检测其是否完好，若出现损坏及时更换气囊，能有效减少此故障发生频率，以保证机组安全稳定运行。

2.1.4 液压系统油温高

液压系统油温高的原因是M281 其散热回路问题，歌美飒风机液压系统散热通过风冷进行散热。该故障通过检查其回路电气元件，同时检查散热片是否脏污，若是脏污应对其进行清洗。

2.2 液压变桨系统故障原因分析及处理

2.2.1 风机液压变桨过程及控制过程

变桨过程：电磁阀（Y240、Y241、Y242、Y243）通电，比例阀（三位四通）交叉线圈端通电（即P-B 互通，A-T 互通）。液压油经机械泵打压后，经过旋转接头—单向阀92—电磁阀Y243—比例阀Y250（P-B 通道）—油缸A 端。油缸B 端—电磁阀Y242—比例阀Y250（A-T 通道）—回到油箱，见图2 和图3。

图2 变桨过程

图3 变桨电气控制系统

2.2.2 风机液压变桨故障原因分析

分析歌美飒风机液压变桨故障首先要了解整个变桨执行过程。歌美飒风机变桨采用3 个独立液压变桨，轮毂内安装3 个油缸，每只油缸单独由1 个比例阀（Y250）控制变桨。正常运行状态下，根据检测到的风速PLC 发出收桨或收桨信号，3 个叶片同时变桨，由模拟量输出模块（AO 模块或SA 模块）向比例阀输出-10 V 至+10 V 连续可变的电压控制信号，比例阀控制器接收到信号后与本身的负信号进行叠加后，实现比例阀开度调节，模拟量输入模块（EA 模块）将比例阀的开度信号反馈给PLC；同时PLC 通过控制电磁阀的通断配合比例阀执行变桨；油缸位移信号由叶片位置传感器（将直线机械位移量转换成电信号）检测，通过模拟量输入模块反馈给PLC 进行比对。由于叶片位置传感器信号响应速度远远高于传动机构，所以液压变桨控制完成某角度的变桨过程是非常快的。整个变桨过程是一个精密配合的过程，当任意一个元件出现故障，都会导致变桨机构无法执行。

（1）“800 变桨系统驱动错误”触发条件：在暂停、就绪或运行模式下5 s 以上，如果任何叶片的变桨系统偏离基准变桨系统4°超过4 s，或任何叶片的变桨系统偏离基准变桨系统2°超过10 s。

（2）“804 两叶片角度之差很大”触发条件：在暂停、就绪或运行模式下，2 个叶片之间的位置差大于4°超过200 ms。在3 个叶片的位置＞80°之前，该报报继续开启。

（3）“812 叶片位置测量出错”触发条件：如果3 个叶片中任何1 个的巴鲁夫测量值连续3 次读数增加超过40°/s，且这并非因与DI 模块的通讯错误所致。

以上3 条为变桨系统最主要的故障，从触发条件来看，共同的原因就是叶片之间出现了“角度差”。在变桨过程的任何一个环节出现问题都会产生“角度差”；主要原因包括：AO 模块故障、比例阀故障、电磁阀故障、叶片位置传感器故障、线路接线问题。

2.2.3 风机液压变桨系统故障的处理方法

（1）首先确定故障的叶片。控制器（触摸屏）进入测试状态，通过变桨距测试对3 个叶片逐个测试，观察叶片变桨情况，故障叶片一般无法变桨或者变桨速度会比较慢；无法准确判断哪个叶片变桨速度比较慢时，可对3 个叶片同时进行变桨距紧急测试，观察叶片桨距角，会出现1 个叶片桨距角会明显慢于另外2 个叶片，确定变桨故障叶片。

（2）锁定风机叶轮后，做好安全措施。

①812 叶片位置测量出错。处理思路：查看叶片位置传感器的指示灯是否正常→传感器接线是否松动→测量传感器的电压是否正常→测量接线是否存在断线的情况，以此来判断是否为传感器本身的故障。

②800 变桨系统驱动错误和804 两叶片角度之差很大。现象表现为变桨测试时故障的叶片无法变桨，或者3 个同时变桨时，故障叶片的桨距角变化速度会明显慢于另外2 个叶片。

故障叶片无法变桨处理思路：按顺序检查继电器、电磁阀和比例阀；先排查线路后执行元件。进入变桨测试状态，检查继电器KR240、KR241 是否工作（查看指示灯，亮则正常，灭则更换继电器）。从图2 可以看出当Y242 或Y243 电磁阀无法正常工作时，液压油无法进入油缸或回到油箱，油缸不动作。先检查Y242 和Y243 电磁阀接线是否断线、接地、短路，同时要测量线路的电阻值，电阻值过大则会形成压降导致电磁阀无法正常工作；若线路无问题，则是电磁阀故障；电磁阀故障包括线圈故障和阀体故障（小技巧：保持叶片变桨状态，输入参考桨距角88°，后用用螺丝刀挨个接触电磁阀，看电磁阀是否有磁力）。检查该叶片比例阀接线是否松动；若线未松动，则可尝试将SA1（控制A、B 叶片变桨）与SA2 模块（控制C 叶片变桨）对换，然后做变桨测试。若是SA2 模块故障，则对换后，A、B 2 叶片无法变桨；SA1 模块故障，同理。若是对换后，故障叶片仍无法变桨，检查比例阀线路，若线路正常，则是比例阀问题。

1 个叶片变桨速度比其他2 叶片慢处理思路：①比例阀接线长期运行电阻值变高，导致AO 模块输出的电压到达比例阀时出现压降，则该比例阀的开度比另外2 个小，从而表现出来变桨速度比其他2 叶片慢；②比例阀本身出现问题。

更换完元器件后，应再次对所有叶片进行变桨测试，检查变桨是否正常。

因变桨故障出现在轮毂内，处理起来有较多的条件限制，我们可以从日常维护中采取措施来减少该类故障的发生。①改善电气元件运行条件，紧固电气元件同时做好轮毂内卫生；②紧固电气元件接线并采取防松措施，这是最能减少接线类故障的有效措施。

3 结语

液压变桨系统因结构紧凑、调速范围广、空间布置灵活、传动扭矩大和便于伺服控制等优点在风力发电机中的应用逐渐增多。但风力发电机在室外自然环境中工作，因温差大、沙尘多等因素，对风机液压变桨系统的密封性有很高的要求，同时液压变桨系统置于机舱顶部、轮毂内，受机舱震动影响最为严重，经常会出现断线、接线松动等现象，风力发电机维护检修人员提高检修质量和做好日常维护就显得尤为重要。