远景能源陈为国：测试验证打造风机高可靠性

9月19日，由中国可再生能源学会风能专业委员会主办，中车株洲电力机车研究所有限公司承办，金风科技、远景能源、明阳智慧能源、海装风电、施耐德电气协办的“2019第三届中国风电设备质量与可靠性论坛”在株洲召开。

远景能源测试验证总工程师陈为国出席大会并发表了题为《测试验证打造风机高可靠性》的主旨演讲。以下为发言全文：

陈为国：各位同仁大家好，前面对可靠性这方面的一些介绍，已经非常全面了，这个事肯定是个系统工程，从原部件的材料的质量，到上游部件出厂的一些工艺控制、过程控制、出厂检验，最后到风场的活动，非常全面，我今天单独就新的就整机开发过程中，我们特别需要关注的几个问题，谈一谈我个人的体会。

大致上分这么几个部分，一个是开发过程中，我们提高可靠性需要关注的几个点，就是整机开发中，当然这不是全面，我只是拿出几个点，我认为比较重要的聊一聊，另外的话，我们为了解决这些不确定性和进行的一些努力。

风机我觉得一个最大的特点，因为我们所处的环境就是不确定性的，风可能有风速变化，当然还有湍流、风向、空间、时间都不确定，我觉得风机作为一个产品，相对于其它的像发电机等等，或者成熟的一些机械行业，这个决定了我们的起点，我们的产品面临的环境，必须把这些不确定性掌握清楚，否则你拿到的东西你输入的是错误的，必然得到一个错误的结果，那这样的话可靠性就无从谈起了。我们知道的风资源和风况到底有什么样的，我们的了解是不是足够的全面，是不是把关键因素掌握了，举个简单的例子，实际上它相当多的内容，不足以代表我们现实遇到的情况。比如说我们地形会有很多差异，甚至说风切面，是不是有个简单的系数就可以代表了，这是不够的。另外一点，比如说我们之前用的1400-1 2005第三版跟第四版有什么差别，它增加了一个（英语），风机必然会经历这个过程，依据第三版标准做的设计，是不是能够反映你遇到的情况呢？但是这是一个例子。那么第四版做的补充，但是仍然不够，标准总是落后于实践，这个需要各个厂家深入的挖掘，去找找自己的风场，你的目标风场到底有什么问题，把那么真正的影响因素都挖掘清楚。另外一个就是说，我们数字模型和物理实体的的一致性，比如说载荷仿真中，大家用（英语）用得比较多的，这个模型是一个高度简化的模型，尤其是叶片，一些结构，可能你的简化过程中，必然去失掉一些东西，尤其是一些选择的过程。

这块的话，一样的，你如果过度简化模型，或者说模型的简化这个度把握不好，那就可能在你的载荷边界中引起一些误导。一个是模型的精度如何去把握，可能需要各个厂家自己深入的去摸索，另外一个就是说，模型可能是准确的，但参数的边界、参数的设定是不是能够符合我的实际情况，这个需要有大量的现场运行数据，跟仿真做一个对比，把关键的点找到。

举个简单的例子，比如齿轮箱或者传动链，既可以直接用（英语）给你提供的一些模型，直接简单的输入几个参数就行了，自己去构建部件模型，外挂DNL复杂到什么程度，精确到什么程度就全看你自己了，这两边会产生大的差异。这些都是决定了我们的输入，当然还有控制器，实际仿真的控制器，跟现场运行的时候，到底有什么差异，仿真的时候十分钟一个例子，跟实际过程中，会不会引起差异，比如说你用了一些特殊的控制器，十分钟是不是能够稳定下来，这些看似是细节，但是它会对你的输出造成一些很大的差异。

前面两个解决了输入的问题，另外一个就是说，我们知道了我们的前面两步产生了我们对部件的输入，我们对叶片，对齿轮箱，对轴承等将要承受什么载荷，假设我们做得比较准确了，那这样的话，我们输入给供应商，或者我们自己去做部件设计，你用什么样的标准去验收它。根据我们现在来说，大家对部件测试的标准是不够的。

比如说你的主轴承是怎么测试的，你的齿轮箱是怎么测试的，这些东西是不是能够充分代表你实际应用环境，如果你的测试标准，不能代表实际应用环境，怎么能够保证在现场应用二十年。比如说我们测试标准包括一些工作条件的差异，有可能环境方面的，有可能温度、湿度，比方说西门子的早期风场，因为这个事，全场叶片更换，可能就是腐蚀引起的，可能强度没问题，但是腐蚀这个问题，他可能也考虑的点可能有差异的，但是考虑的点跟实际情况是有差异的，最终结果很不好，把西门子全部利润都吃掉了，可能一个非常细节的点，就会造成相当大的影响。当然载荷也是非常重要的，刚刚我们说的是载荷这块，比如载荷的边界是不是准确，疲劳的话，当然要做加速测试，那怎么去加速的话你怎么去加速这个事，疲劳你既可以110%去加载，200%去加载，这个度怎么掌握，你算出来200%的加载和115%的去加载，你可能算出一个等量的来，你可能从数学意义上，好像是等效的，但实际情况呢？微观情况有什么差异，是不是已经跨越了疲劳边界，或者一个灰色地带了，这些东西是需要我们在建立标准过程中深入把握的，也需要大量的投入测试，用实际的结果来说明问题。

当然还有基层测试。尤其都是标准化了，61400都已经规定了一些，我们需要做的内容，我们做了一遍，证据拿到了，但是作为一个部件来说，你拿到证了，你的产品是可靠的吗？我们做的61400规定的测试，是不是能够反映二十年真正规定的工况，这些东西我们需要从第一步中，在现场获得的认知，对它增加我们认为的部分。所以行业特点决定了，我们必须有完整的载荷基地，载荷基地可能是传统意义上的（英语），也可能包括一些环境数据，有了这些完整、准确的载荷，才能提出完整部件的要求，那这样的话，部件去开发，你必须有完整的测试级，才能保证我的部件是达标的，有了部件的达标，才有整机，整机可靠了，才能实现我们今天的主题，我们如何去评价。当然评价的话，其实我觉得整个物料成本或者是初始的投资，可能不见得是个重点，真正达成评价的还是要SUE，那可靠性就是非常关键的一环了，包括后期的运营成本，包括故障率。

举个简单的例子，变桨轴承外圈开裂的事，可能是行业内前几年发生的事，这就反映了我们早期对部件不了解，可能以那时候的认知去开发的时候，我不相信整机厂家会去确定，他可能依据他的认知，依据行业的标准，该做的事做了，安全系数的满足的，但是事情就发生了，那么说明我们认知上还有盲点。

我们回忆一下这个过程，变桨轴承开发的过程，我们会经历哪些东西，每一步会产生什么偏差，如果我们重新做这个事的话，怎么做好。第一步，整机载荷，这个大家必须做足，然后供应商，他会根据现有产品目录，给你推荐一个型号，你根本他的推荐，看是不是合适，不合适的话做一些修理，做一些计算，这些东西都有相关的标准。做测试的话，肯定先是供应商的台架测试，我们这是两个行业内比较领先的供应商测试台架，我们看左边这个，看着还是比较高大上的，反正它也测了，也去运营加载了。这边可能是模拟的叶根部分，那时候是个不错的测试台架，但实际上现在看的话，是有一些致命的缺陷的，比如说它是一个钢的材料，它一定会在受载过程中变形，也就是说在实际运行过程中，轴承引起变形，在这个台架上是不存在的，可能是因为轴承的变形引起的，然后引起轴承的管道进行变形，跟理想情况不一样了，这样的话，你在这个台子的话，因为没有这个变形，你再怎么转，它也不会有现场的条件。所以说，这种台架做出来又怎么样呢？可能引起误导，所以测试条件，也就是说我们认知不够，即使是符合标准了，即使是通过测试了，你拿到的东西仍然是一个不可靠的东西，这样的话可能是比实际情况，比左边更进一步了，对吧，它是用了一个轮毂，然后后边是模拟了叶片的情况，但是这个毕竟是部件供应商，他们有一些先天的信息的缺失，一些不对称，这些轮毂跟实际轮毂不一样，他们可能拿不到真实轮毂的数据，他做的东西钢度要比实际的大一些。甚至后边叶片部分的话，叶根的法兰，叶根的一些结构变形，跟实际情况也会有出入，比它近了一步，但离实际情况还有差距。这块做好的话，对主机厂家有优势，也就是说在测试标准这方面，不是说部件厂家的问题，需要主机厂家联合部件部件厂家，一起做一些真正符合实际标准的测试来。

最后完了以后是集成测试，继承测试也不是说简单的去满足那些标准得了，那我们也有一些必须要针对轴承特殊的受载条件的测试，从我们的现场测试的数据里面，提取出来的一个新的测试机。

这个的话我简单的举一下，测试在开发过程中的几个点，只是指的新品开发这段，不是风机全流程，我们在立项阶段的时候，必须完成测试需求，这个测试需求就是以一个标准，当然这也是在不断丰富过程中。说一点，我们这几年在飞马苦（音）的建设过程中，投入了很大的心力，飞马苦（音）的建立，每一个新品开发都是一个起点，设计变更有哪些，有可能带来哪些实效，这都是测试验证需求的起点。行业内的失效，S1过程中的失效等等，还有设计变更，包括部件变更，概念变更，运营参数变更，所有变更必须得回答，对整机、对部件到底有什么影响，这个影响就是完成我的数据需求。

做一个非常完整的测试需求，后面就必须得给它相应的验证计划，每一个需求对应一个验证，然后后面验证执行，最后就是验证结果的闭环，也就是说我们在样机阶段的时候，必须得有一个测试验证闭环，把前面所提出来的需求，都一一对应的，有我的测试报告，有我对结果的判断。在这个过程中，作为产品验证，我们既是整个测试验证的实施方，也是这个事的监管方，我们在制度方面，也是效仿三权分立，我是开发是一方，测试验证是执行监管的职能，开发说出来一些问题，然后去测试了，有些测试不是我们执行的，但是最终结果，我们是要做把好关，每个结点测试验证闭不了环，没办法去说，开发过程就必须得终止。一个就是说测试级的完整性，另外就是说对于测试结果的追求，然后就是说技术和制度层面来保证我们，能够把我们历史发生的问题都解决掉，设计变更发生的问题都解决掉。

然后我们的职能简单概括一下，就是说测试机的建立，然后测试验证关闭环的一些结果监管，另外的话，就是一些现场的运行条件，有些部件，尤其是机械部件，天然这部分比较低一点，比如你去跟筑建，如何去测试，如何去挖掘数据，他看到数据有些畏惧，所以说这些的话，我们深度支持的地方，比方说轮毂是热点，我们如何去帮它验证，帮它采集数据，帮它把模型纠正，在这方面我们做的工作也非常多，我们在整机方面的开发、验证、建模，也是投入了非常多的力量，包括叶片、轴承、轮毂、螺栓，还包括电气方面，都是我们深入参与的，我们测试团队针对于这些部件，也是建立了一一对应的关系，有专业的工程师去进行分析、测试、闭环，测试验证的组织方面，更多是执行一些监管。

好，这是一个简单的例子，比方说环境有一些不确定性，不确定性到什么程度呢？我们以为剪切可能是一个指数分布的，但是有些地方的剪切，可能是个普遍性的，不是一个单方面增长的，你仿真的时候，它竟然是一个普遍剪切出现的，那你拿到的叶片情况准确吗？载荷分布不均匀影响越来越大。这是整个风湍流的截面分布，这可能是个93的扇面，一个风速的分布，这个的话是156的载荷分布，这样的话，随着你风轮越来越大，整个空间的不确定性影响越来越大，这方面必须量化，这方面光靠标准是不够的。

这块的话是我们为采集风资源的一些特异性，所进行的一些努力，我们全国专门做测试验证的样机有一百台，分布在北方山区的垭口，为什么台湾海峡的风速是中国最大的地方，显然海峡效应作用很大。实际上我们去山上布置的时候，也不是想放在哪里就放在哪里，有时候就有不太有利的地形。其它包括一些山坡上，林区表面变化，然后山脊上，两测都是坡，还有平原上，海上的话，平是平，但是伪流影响非常长，你平时可能路上5个D，但是海上20个D，上风向的风机都对你下风向的风机都会产生影响，这些东西如何去量化，如何去评估。包括市区，尤其分布市，一些热岛效应对它造成的影响，当然，理论肯定是要有支持，但你必须把你的风机放在那里，进行一些非常细致的分析，才能知道它的特点，有了这些，你的载荷分析，你设计的第一步，才是可信的。

当然除了不同地方放风机，AEC做测试，有这三四个传感器，但是我们要做可靠性的话，你必须了解部件，在局部到底受载情况怎么样，比如叶片，只贴叶根不够，但是每个关键的截面受载是怎么样呢？这些东西，会给叶片制造和可靠性提供非常重要的数据。

以主轴承为例，它在实际工作中，内外圈的温度是什么样子，内外圈的温差是什么样子的，主轴承的载荷分布是什么样子的，这些东西你不了解的话，你不可能造出一个可靠的部件。

这边是我们对部件上做的简单介绍，包括热点，包括前面提到的叶片、主轴承之类的，可能每一点都会有我们自身的体会。还有最后厂家做的努力，在出厂前，要有一个好的台子，这个台子肯定比第一页提到的厂家台子，把我们所获得的这些经验，都充分的用上去。比方说我们测轴承的时候，我们是把它放再一个真是的软骨上，然后安上一个真实的叶片，并且施加一些真实的动载，到底受力情况怎么样，我们根据仿真机和测试机，通过真实的叶片，传导到整个变相轴承上，轮毂也是真实的轮毂，当然，还有包括变桨的过程，这样的话，才能充分反映变桨的受载过程，经过这样的测试，完整我们算出来的疲劳的数据，这样的话部件才是合格的部件，包括齿轮箱、主轴承也是类似的情况，可能齿轮箱厂家测试的话，就加一些载荷，做一些加速疲劳，还是说依靠前面采集的那些数据。这些是我们工厂那边自己建的几个平台，叶片的、轴承的、齿轮箱的，包括电气的，还有主轴承的。

好，这是一个简单的例子，以前主要是扭矩，然后其他几个点，我们再加一加，这是行业内以前的做法，现在的话，将来是一个多维的。

简单总结一下，必须完备的输入，完备的部件规范，还有过程和质量控制，单元测试和集成测试，这些才能打造可靠风机，谢谢大家。

（标题为编者所加，文字未经发言嘉宾本人审阅。）