推荐2024年度湖南省科技进步奖公示材料
项目名称：
大型风电机组关键零部件全寿命周期可靠性与现场维修技术 推荐奖种：
科技进步奖 主要完成人：
沈意平、张学文、苏邦伟、阳雪兵、宋晓萍、郭帅平、王广斌、王文韫、 曹宇翔 主要完成单位：
湖南科技大学、湘电风能有限公司、 湖南省大中型电机电控产品质量检验中心 推荐单位：
湖南科技大学 项目简介：
近年来我国风电装机容量持续快速增长，目前风机总量超过九万台，预计以后每年还将新增一万台。由于我国风电机组早期高速发展时期大都采用国外引进或消化吸收模式，风电技术水平远远落后于风电产业发展，在役风机往往寿命短、故障率高、可靠性差，风机在全寿命周期内可靠运行及维修成本日益成为生产企业和运营商的聚焦点。如直驱型风电机组常发生的主轴承故障需吊装和维修费用近百万元，双馈型风电机组的齿轮箱往往3-8年就需要维修、大修甚至更换，相应的维修费用与经济损失高达200万以上，近年来不断发生主轴承和齿轮箱现场批量更换事故，高昂的维护费用和停机损失对企业的生存发展带来巨大挑战，也给我国风电产业的健康发展带来强大冲击。尽管我国风电机组严格按照国际标准设计，但故障率仍然居高不下，其根本原因在于：我国风电场风机关键零部件的真实载荷偏离设计载荷，全寿命周期内零部件可靠性评估及故障预警缺乏基础实验数据积累，以及维护和维修技术的落后。
项目在多项国家和省级科研基金和研发计划支持下，针对大型风电机组主轴承、齿轮箱、偏航与变桨轴承等关键零部件，开展了关键零部件真实载荷分析和模拟实验技术、全寿命周期关键零部件可靠性设计及其故障预警技术、以及现场维修技术方面的方法和技术创新，具体如下：
创新技术一：关键零部件全寿命周期可靠性研究模拟真实载荷的实验技术 采用叶素-动量理论及其修正方法计算了典型风况下叶片承受的气动载荷，获得了叶轮传递给主轴承的六自由度载荷；基本相似理论，研究了变风载下叶轮
传递给主轴承的六自由载荷的等效转换方法及协同加载技术，研制了风电机组主轴承、齿轮箱等关键零部件可靠性实验的缩尺模拟实验装置；搭建了模拟发电机倾斜安装状态的振动检测实验系统，提出了一种倾斜安装角度可调的风电机组模拟试验装置；研制了轴承径向和轴向加载的轴承性能实验装置，实验获得了轴电流和机械载荷共同作用下轴承滚道损伤演化规律、轴承温升引起润滑脂性能改变而造成的轴承性能退化规律。综合六自由度载荷、轴承温升及发电机倾斜安装等因素，阐明了关键零部件真实载荷与设计载荷谱存在的差异，从而为提高风电机组可靠性设计提供了基础载荷数据。
创新技术二：关键零部件多参数测点与信息融合特征增强的可靠性测试技术 根据关键轴承和齿轮处于空间封闭、狭小及润滑运行环境特点，分析了温度和振动响应在可安装传感器位置的响应敏感性，采用神经网络模型进行关键参数可检测的传感器测点优化方案；发展了异源多传感器信息融合技术来实现运行状态特征增强；搭建了模拟典型轴承和齿轮故障的实验装置，开展了模拟故障件多传感器信息融合的故障特征增强技术，从而实现了关键运行状态和故障特征的可检测性。
创新技术三：关键部件全寿命周期可靠性预测与故障预警
基于模拟实验台故障数据、运行状态历史数据、故障实时诊断数据、维护技术等信息，建立了全寿命周期内关键零部件运行状态与性能特征数据库，发展了基于神经网络、流行学习、深度学习等典型故障的智能诊断方法，并结合大数据技术实现了关键零部件的寿命预测及故障预警；提出了基于隐式半马尔科夫模型的关键零部件可靠性增长方式或维修优化方法，分析了全寿命周期服役性能与状态演化规律，从而实现了风电机组关键零部件寿命评估、故障预测及在线监测。
创新技术四：关键零部件可维修性设计及无拆卸现场维修技术 针对大型风电机组故障维修面临的高昂吊装和拆卸成本，通过结构优化和改进来提高关键零部件可维修性，提出了一种偏航轴承与内齿圈分体式结构及其相应的风力发电机结构，当内齿圈失效时仅需更换部分齿圈，降低了维修难度和成本；提出了一种无需拆卸发电机制动器等部件的偏航制动盘表面修复装置；提出了一种轴承废脂自动收集装置和自动润滑系统，通过更换轴承密封和废脂自动收集及润滑，形成适于轴承维护空间有限的装置与系统，从而延长全寿命周期内轴承的使用寿命。
项目获发明专利授权4项，登记软件著作权1项，实用新型专利授权12项；参与起草ICS国际认证标准3项、国家标准1项。项目研究技术成果应用于湘电风能有限公司系统风机产品的可靠性设计与运行维护与维修，实现故障提前预警诊断，节约维修成本20%，为风电机组高效可靠运行提供了重要保障，降低了运维成本和维修人员劳动强度，保护了风电场设备和人员的安全，取得了显著的经济效益和社会效益。
沈意平-湖南科技大学
