基于故障樹的風(fēng)機(jī)液壓控制系統(tǒng)典型故障分析_董連俊

1、基于故障樹的風(fēng)機(jī)液壓控制系統(tǒng)典型故障分析大連東鼎工業(yè)設(shè)備有限公司 董連俊【摘 要】 液壓控制系統(tǒng)成本在風(fēng)機(jī)總成本中的占比較小，但其在機(jī)組運(yùn)行中發(fā)揮的作用卻不容忽視，很多業(yè)主缺乏對(duì)液壓控制系統(tǒng)的重視，致使風(fēng)機(jī)存在嚴(yán)重的安全隱患。 本文介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組液壓控制系統(tǒng)的工作原理與現(xiàn)場(chǎng)使用情況， 針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)的故障及隱患進(jìn)行闡述，同時(shí)結(jié)合多年的液壓系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)故障處理經(jīng)驗(yàn)，利用故障樹方法進(jìn)行故障分析，并針對(duì)液壓控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)日常維護(hù)提出了建議。【關(guān)鍵詞】 液壓系統(tǒng) 制動(dòng)系統(tǒng) 故障樹分析引言在兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，液壓系統(tǒng)一般用于主軸制動(dòng)器、偏航制動(dòng)器及風(fēng)輪鎖定機(jī)構(gòu)的控制，對(duì) 機(jī)組的安全起著至

2、關(guān)重要的作用。風(fēng)機(jī)液壓控制系統(tǒng)具有小型化、集成化的特點(diǎn)，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的 不斷增長(zhǎng)，加之部分液壓系統(tǒng)本身存在設(shè)計(jì)缺陷，故障也隨之而來，如不及時(shí)進(jìn)行分析處理，將存在嚴(yán) 重的安全隱患，甚至導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。仁 風(fēng)機(jī)液壓控制系統(tǒng)原理及功能由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)空間非常有限，因此要求各部件結(jié)構(gòu)緊湊，便于設(shè)備的安裝和維護(hù)。圖1為兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組典型液壓控制系統(tǒng)原理圖，集成了高速軸制動(dòng)控制、偏航制動(dòng)控制及風(fēng)輪鎖定機(jī)構(gòu)控制三種功能，各功能獨(dú)立控制、互不影響，由一臺(tái)液壓泵提供動(dòng)力源供給。圖為兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)典型液21壓控制系統(tǒng)原理圖。3)292b j,| y f i .23 m 25w z9 :22 ； t ml

3、19.1 wnj 八n22 < 16 r151 *u13317q”nn ft t1 *!2ne n t :ii443s1.油箱2液壓泵3.電機(jī)4、17.溢流閥5過濾器6、9、12、18、28單向閥7、13.兩位兩通電磁換向閥8、15、16、33兩位兩通電磁換向閥 10、29節(jié)流閥 簡(jiǎn)主軸制動(dòng)器14偏航制動(dòng)器19兩位三通電磁換向閥20風(fēng)輪鎖21 手動(dòng)泵22減壓閥23壓力表24、26壓力繼電器 25、27、30.蓄能器3壓力傳感器32.測(cè)壓點(diǎn)34液控單向閥 35空氣濾清器36液位液溫繼電器 37加熱器38液位計(jì)39.放油閥圖兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)典型液壓控制系統(tǒng)原理圖2、液壓控制系統(tǒng)典型故障及存在隱患2

4、.1運(yùn)行現(xiàn)狀由于其特有的原理功能及結(jié)構(gòu)型式，液壓控制系統(tǒng)在使用過程中必須進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)并對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)處理，以保證系統(tǒng)及機(jī)組的正常安全運(yùn)行。以1.5mw風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，該機(jī)型在我國(guó)開始批量裝機(jī)運(yùn)行至今已近10年之久，隨著使用年限的增長(zhǎng)，液壓控制系統(tǒng)出現(xiàn)的問題逐漸增多。另外，值得一提的是，很多機(jī)組使用的液壓控制系統(tǒng)，在 設(shè)計(jì)之初對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行工況和使用狀態(tài)考慮不周，系統(tǒng)本身存在設(shè)計(jì)缺陷，比如元器件的耐低溫性 能不足、可靠性差、元器件之間的匹配度低等，導(dǎo)致使用過程中故障頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行。因?yàn)橐簤合到y(tǒng)在機(jī)組中的價(jià)格占比非常小，所以一直得不到應(yīng)有的重視，很多業(yè)主及運(yùn)維單位都是 等到液壓系

5、統(tǒng)出現(xiàn)了問題才去關(guān)注和處理，而且處理一般采取“頭痛醫(yī)頭腳痛醫(yī)腳”的簡(jiǎn)單方式，如發(fā) 現(xiàn)系統(tǒng)不保壓就更換閥類元件、發(fā)現(xiàn)液壓油不足就補(bǔ)充液壓油等等，短期內(nèi)使暴露的問題得到緩解，實(shí) 際上并未找到出現(xiàn)問題的深層次原因，時(shí)間一長(zhǎng)導(dǎo)致問題重復(fù)出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致制動(dòng)失靈，引發(fā)安 全事故。如圖2.1是一組某風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)液壓控制系統(tǒng)的照片，該液壓系統(tǒng)頻繁岀現(xiàn)液壓油泄漏、系統(tǒng)不保壓等 問題，由于缺乏跟蹤維護(hù)，油箱中紅鼎液壓油所剩無(wú)幾，壓力表、壓力傳感器顯示壓力幾乎為零，而油 泵電機(jī)依然高速旋轉(zhuǎn)，這種狀態(tài)非常危險(xiǎn)，存在嚴(yán)重的安全隱患。圖2.1：某風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)液壓系統(tǒng)運(yùn)行照片圖2.2為某風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)液壓系統(tǒng)照片，該液壓系統(tǒng)液壓油

6、內(nèi)泄、外泄嚴(yán)重、壓力下降迅速、油泵及電機(jī)頻繁啟動(dòng)，同時(shí)伴有電磁閥卡滯、失效現(xiàn)象，主軸制動(dòng)器、偏航制動(dòng)器非工作狀態(tài)下平均每20秒電機(jī)啟動(dòng)一次，制動(dòng)器無(wú)法完成正常的制動(dòng)功能，引發(fā)主控系統(tǒng)故障報(bào)警。2.2典型故障及存在隱患液壓控制系統(tǒng)典型故障包括控制功能失效、電機(jī)（泵）頻繁啟動(dòng)、系統(tǒng)泄漏、壓力無(wú)法上升或上升 緩慢、油溫過高等。圖2.2：某風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)液壓系統(tǒng)照片2.2.1控制功能失效具體表現(xiàn)為主軸制動(dòng)器、偏航制動(dòng)器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)法按照控制要求實(shí)現(xiàn)其正常功能，如制動(dòng)失靈、 制動(dòng)緩慢、無(wú)法松閘等。一般情況下，主軸制動(dòng)器只是在葉片變槳調(diào)節(jié)系統(tǒng)或手動(dòng)安全剎車失效后才發(fā)生作用，或者空氣制 動(dòng)將速度減到非常低時(shí)投入使

7、用，相對(duì)而言使用次數(shù)較少，但是一旦需要其投入制動(dòng)，必須保證功能正 常，否則極易岀現(xiàn)安全事故。尤其在葉片變槳調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)要求制動(dòng)停機(jī)的情況下，如果主軸制 動(dòng)失效，極易發(fā)生飛車事故，造成機(jī)組和人員傷亡。如圖2.3為某風(fēng)場(chǎng)雙饋機(jī)組由于高速軸制動(dòng)器制動(dòng)失靈引發(fā)的飛車事故照片，造成聯(lián)軸器碎裂、螺 栓斷裂、制動(dòng)盤脫落損傷、電控柜等其他部件不同程度損傷等后果。圖2.3：高速軸制動(dòng)失效引發(fā)的飛車事故2.2.2電機(jī)（泵）頻繁啟動(dòng)液壓控制系統(tǒng)一般在主油路上配備容量較大的蓄能器，提供系統(tǒng)保壓功能同時(shí)作為應(yīng)急動(dòng)力源使用，正常情況下，油泵經(jīng)電動(dòng)機(jī)為液壓系統(tǒng)提供一定的壓力油后，系統(tǒng)能夠在執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作的情況下保壓

8、較長(zhǎng)時(shí)間，期間電動(dòng)機(jī)與油泵停止工作，同時(shí)由液壓控制系統(tǒng)中的壓力檢測(cè)元件實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)壓力值， 一旦壓力降低到一定數(shù)值，檢測(cè)元件將信號(hào)反饋給主控系統(tǒng)，啟動(dòng)電機(jī)為液壓系統(tǒng)補(bǔ)充壓力。一旦液壓 系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致壓力迅速下降，壓力檢測(cè)元件將頻繁向主控系統(tǒng)反饋“壓力低”信號(hào)，造成電機(jī)及油 泵頻繁啟動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至十幾秒、二十幾秒啟動(dòng)一次，極易造成電機(jī)燒毀、油泵損壞、油溫過高報(bào)警、 液壓油加速老化等一系列不良后果。2.2.3系統(tǒng)泄漏液壓油泄漏是液壓控制系統(tǒng)一種非常常見的故障表現(xiàn)，分為內(nèi)泄和外泄兩種，外泄能夠直接觀察到，一般出現(xiàn)在管路附件及元件連接接口、老化的膠管表面等，內(nèi)泄出現(xiàn)在液壓元件內(nèi)部，無(wú)法通過肉眼觀 察

9、，需通過對(duì)系統(tǒng)原理及現(xiàn)象的分析才能判斷。泄漏不僅造成油液資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，同時(shí)還可能造 成系統(tǒng)效率下降、停機(jī)損失、火災(zāi)隱患、設(shè)備污染等問題。圖2.4、圖2.5為液壓系統(tǒng)及制動(dòng)器液壓油泄漏造成的制動(dòng)盤、平臺(tái)及爬梯污染，易導(dǎo)致人員滑倒甚至高空墜落事故，危及人員安全。圖2.4：液壓系統(tǒng)及制動(dòng)器漏油導(dǎo)致的扶梯及平臺(tái)污染圖2.5：偏航制動(dòng)器漏油及導(dǎo)致的制動(dòng)盤污染2.2.4壓力無(wú)法上升或上升緩慢風(fēng)機(jī)液壓控制系統(tǒng)郵箱一般不超過20升（包含液壓變槳功能的液壓系統(tǒng)除外），所用液壓泵的排量一般不超過2ml/r ,系統(tǒng)壓力由零升至所需壓力的時(shí)間一般不超過20s。壓力無(wú)法上升或上升緩慢表現(xiàn)為 -254 -電機(jī)、油泵

10、單次工作時(shí)間長(zhǎng)甚至持續(xù)工作，出現(xiàn)這種狀況的原因可能為液壓泵損壞、液壓油不足、系統(tǒng) 存在嚴(yán)重泄漏等，如不及時(shí)進(jìn)行處理，將影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全。圖2.6為液壓泵密封損壞，導(dǎo)致電機(jī)、泵持續(xù)工作，系統(tǒng)壓力達(dá)不到所需值。圖2.6：液壓泵密圭寸損壞2.2.5油溫過高風(fēng)機(jī)液壓系統(tǒng)在油箱部位配有溫度繼電器，報(bào)警點(diǎn)溫度一般設(shè)置為 70°co液壓油溫度過高可能是系統(tǒng)深層次故障的外部表現(xiàn)之一，液壓泵過載、液壓泵氣蝕、液壓油內(nèi)混有空氣、液壓油污染導(dǎo)致過濾器 及液壓元件阻塞等均可能是油溫過高的原因，因此必須經(jīng)過專業(yè)分析排查問題根源并針對(duì)性地解決。2.2.6液壓油污染、老化及變質(zhì)風(fēng)機(jī)液壓系統(tǒng)液壓油污染問題需要引起重

11、點(diǎn)關(guān)注，液壓介質(zhì)是液壓系統(tǒng)的“血液”，實(shí)踐證明，污染危害占液壓系統(tǒng)故障率的75%o很多情況下，由于缺乏對(duì)液壓系統(tǒng)的重視與跟蹤維護(hù)，液壓油經(jīng)常使用數(shù)年都不進(jìn)行更換，直到引起元件故障導(dǎo)致控制功能失效才進(jìn)行處理，甚至表象故障處理完畢后仍然 不進(jìn)行更換，致使故障頻繁出現(xiàn)，解決不了根本問題。圖2.7為某風(fēng)場(chǎng)液壓系統(tǒng)中即將更換的液壓油與排出的液壓油對(duì)比照片，液壓油在更換之前已使用 了將近6年，最終導(dǎo)致液壓泵損壞、電磁閥卡死、阻尼器堵塞等故障。圖2.7：某風(fēng)場(chǎng)液壓系統(tǒng)新、舊液壓油對(duì)比除上述故障類型以外，液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的故障還包括蓄能器壓力不足、液壓系統(tǒng)噪音過大等。值 得說明的是，液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、集成

12、度高、專業(yè)性強(qiáng)，各種因素存在著密切的內(nèi)在聯(lián)系，它們之 間相互影響、綜合作用，以上問題往往不是單一出現(xiàn)，因此需要由專業(yè)人員進(jìn)行仔細(xì)地分析、排查與處 理。i itnr9 xi：曲齡勵(lì)磁係統(tǒng)原理圖13、基于故障樹的風(fēng)機(jī)液壓控制系統(tǒng)故障分析31故障樹的建立故障樹分析（fta）建種將系統(tǒng)形式的原因做幣體至部分按樹枝狀逐步細(xì)化的示慰圖°以卜以上 軸制動(dòng)控制油路部分為例建工故障樹模型.其他回路與此類似。如圖3.1為主軸控制回路原理。主軸制動(dòng)器11為主動(dòng)式液壓制動(dòng)器,晉制動(dòng)油缸內(nèi)充入壓力油時(shí). 制動(dòng)器制動(dòng).泄壓時(shí)制動(dòng)器松閘 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行發(fā)電時(shí)，電磁換向閥7電磁鐵y1、電磁換向閥 12電磁鉄y

13、2同時(shí)得電制動(dòng)器11油缸內(nèi)無(wú)爪力汕制動(dòng)器處r松剛狀態(tài)：需要制動(dòng)時(shí)電磁換向閥7電磁鐵y1、電磁換向閥12電磁鐵y2同時(shí)失電壓力油經(jīng)電磁換向閥7進(jìn)入制動(dòng)器油缸.實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。減防止制動(dòng)器超壓盯流閥（陽(yáng)尼器）10起延時(shí)制動(dòng)的作川.防止匸軸制動(dòng)器突然制動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)傳動(dòng)璉造成沖擊進(jìn)而保護(hù)傳動(dòng)鏈1的部件不受損害2油泵3電動(dòng)機(jī)4溢流閥1 5過濾器'6單向閥7進(jìn)口:電磁換向閥二8減壓閥9單向閥10.節(jié)流閥11 主軸制動(dòng)器12 出口電磁換向閥13.空氣濾清器14 液位液溫繼電卿 15液位訊抿潴敝障樹分析彷注原理j樹；3.2列i出口圭軸制劫?gòu)貕豪劢y(tǒng)典型啊題敝障械兒般僚樹4創(chuàng)事忻代側(cè)h化譏對(duì)應(yīng)的事）件詢?nèi)厝缌x丿3彳

14、師示、s .4：歸臧嘶o啊樹表3.1：故障樹中的事件內(nèi)容事件事件事件事件事件事件代碼內(nèi)容代碼內(nèi)容代碼內(nèi)容go液壓控制系統(tǒng)故障、失效g7制動(dòng)器無(wú)法松閘x?氣蝕gi控制功能失效x1閥芯卡死x8過濾器及元件堵塞g2電機(jī)、泵頻繁啟動(dòng)x2蓄能器壓力不足x9電機(jī)損壞g3壓力上升慢或不上壓x3元件損壞內(nèi)泄嚴(yán)重x10聯(lián)軸器等機(jī)械件損傷松動(dòng)g4液壓油溫高x4密封損壞x11液壓閥故障導(dǎo)致的尖叫g(shù)5系統(tǒng)噪音大x5壓力繼電器故障x12節(jié)流閥堵塞g6制動(dòng)器制動(dòng)失效x6液壓泵損壞x13電路故障3.2故障樹的定性分析故障樹分析法分為定性分析與定量分析，本文利用定性方法對(duì)風(fēng)機(jī)液壓系統(tǒng)典型故障進(jìn)行分析。定 性分析是找出故障樹全

15、部最小割集，弄清楚系統(tǒng)出現(xiàn)故障(頂事件)有多少種可能性。割集是導(dǎo)致故障 樹頂事件發(fā)生的若干底事件集合，當(dāng)這些底事件同時(shí)發(fā)生時(shí)頂事件必然發(fā)生。最小割集是導(dǎo)致故障樹頂 事件發(fā)生的數(shù)目不可再少的底事件集合，它指出了處于故障狀態(tài)的系統(tǒng)所必須修理的基本故障，指岀了 系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)。本文用求解故障樹最小割集的下行法進(jìn)行分析，根據(jù)下行法的基本思路可知，系統(tǒng)中只有“或門”沒有“與門”，其最小割集即為故障樹的所有底事件，因此該故障樹的最小割集就是所有底事件，即x1,x2, x3, x4, x5, x6, x7, x8, x9, x10, x11, x12, x130故障樹的每一個(gè)底事件的發(fā)生均會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)液壓控

16、制系統(tǒng)的故障或失效，底事件基本涵蓋了2.2.1-2.2.6液壓控制系統(tǒng)容易出現(xiàn)的典型故障出現(xiàn)的原因，形象直觀、邏輯性強(qiáng)，有助于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員 加深對(duì)系統(tǒng)原理的理解，利用其能夠清晰地找出風(fēng)機(jī)液壓控制系統(tǒng)的薄弱點(diǎn)，可以在日常巡檢中有針對(duì) 性地進(jìn)行預(yù)防；同時(shí)根據(jù)故障樹的內(nèi)容可以準(zhǔn)確、快速找出液壓控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因，提高工作效 率。4、日常維護(hù)根據(jù)上述分析，在風(fēng)機(jī)液壓控制系統(tǒng)的日常巡查及維護(hù)過程中，需特別注意以下幾點(diǎn)：(1) 對(duì)液壓控制系統(tǒng)的電機(jī)、電磁閥、繼電器等元件的接線及通電狀況等進(jìn)行定期檢查；(2) 定期檢查制動(dòng)器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能及工作狀態(tài)；(3) 檢查液壓油箱液位計(jì)中的液面狀態(tài)，確保液位值在

17、規(guī)定范圍內(nèi)；(4) 觀測(cè)電機(jī)、油泵的啟動(dòng)間隔時(shí)間是否滿足要求，觀測(cè)系統(tǒng)工作噪音情況；(5) 監(jiān)測(cè)液壓油的溫度狀態(tài)，并按照機(jī)組維護(hù)要求定期對(duì)液壓油及濾芯進(jìn)行更換；(6) 檢查液壓控制系統(tǒng)各元件安裝位置及管路接口的液壓油泄漏狀況；(7) 針對(duì)存在設(shè)計(jì)缺陷、故障頻繁的液壓系統(tǒng)，須及時(shí)進(jìn)行技術(shù)改造，從根本上解決問題。5、結(jié)論液壓控制系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行過程中起著重要的作用，本文針對(duì)液壓系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中容易出 現(xiàn)的故障及隱患進(jìn)行闡述，同時(shí)利用故障樹方法對(duì)液壓系統(tǒng)故障及失效原因進(jìn)行了定性分析，有助于現(xiàn) 場(chǎng)維護(hù)人員加深對(duì)系統(tǒng)原理的理解，快速找到各種故障發(fā)生的原因。參考文獻(xiàn)：1 tonyburton,等.風(fēng)

18、能技術(shù)m武鑫，等譯北京:科學(xué)出版社,2007.2 呼吉亞，段朝輝.淺談液壓系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用j.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，20簡(jiǎn)，24(2):笛2/14.3 王曉東，朱少輝.兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用j.科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力,2012, (10):97-102.4 劉惟信機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)m.北京：清華大學(xué)出版社，1996.5 趙靜一，姚成玉液壓系統(tǒng)的可靠性研究進(jìn)展 j液壓氣動(dòng)與密封,2006,(3):50-52.6 孫勇.1.5mw風(fēng)力發(fā)電機(jī)組液控技術(shù)研究d.杭州:浙江大學(xué),2011.收稿日期：201&5/6作者簡(jiǎn)介：董連俊(1982-),高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，就職于大連東鼎工業(yè)設(shè)備有限公司技術(shù)部， 從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組流體傳動(dòng)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究工作。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航剎車電磁閥異常動(dòng)作問題探究北京國(guó)電思達(dá)科技有限公司風(fēng)電設(shè)備及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京市風(fēng)電設(shè)備可靠性工程技術(shù)研究