變槳距風電機組被動式制動液壓系統技術優化

劉景陽 李明亮 楊海峰

許昌許繼風電科技有限公司 461000

2.0MW風機制動器為被動式液壓剎車。剎車鉗的作用是在發現緊急狀況和維護的情況下使機組全面停機。風機運行時，液壓站的液壓力克服剎車鉗彈簧力，將半鉗張開；需要緊急制動時，手動或通過電信號切換液壓站的電磁閥，切斷液壓油路，依靠剎車鉗彈簧力將制動盤抱死而實現制動。

1 制動器動作機理

圖1為原設計的液壓站原理圖，圖示初始位置為制動器蓄能器泄壓狀態，即剎車狀態。電磁閥Y1斷開，閥Y2接通，蓄能器中的液壓油直接由閥Y2經節流閥18緩慢流回油箱，壓力表15慢慢減小直至完全泄壓。設置節流閥18的目的就在于使制動過程緩慢進行，以防止粗暴制動帶來的摩擦溫升和大的機械沖擊。

圖1 原設計的液壓站原理圖

壓力開關S1為制動器狀態顯示開關，如蓄能器壓力低于設定值48±5bar，則顯示制動器on,如蓄能器壓力高于設定值，則顯示制動器off。

風機正常運行時，需要將閥Y1接通，閥Y2斷開，壓力表15迅速達到與壓力表21相同的壓力，即系統為制動器蓄能器充壓，同時液壓油進入制動缸，克服制動器碟形彈簧彈力，主、被動制動摩擦片與制動盤表面各產生1.35mm左右的制動間隙，制動盤可以自由旋轉，這就是被動式制動器和液壓系統的動作機理。

電磁閥Y1、Y2永遠處于相反的通斷位置，在液壓站上，操作手柄被設計成雙聯式，不致產生誤動作。

用手動泵也可短暫地為制動器或蓄能器充壓，操作時一邊打壓，同時用手提起雙聯閥手柄，即手動讓閥Y1接通，閥Y2斷開，壓力油即可進入制動器缸。當壓力超過48bar時，即可克服彈簧力，將制動器張開。當把雙聯閥手柄放下時，閥Y1斷開，閥Y2接通，制動器因失壓而制動。

圖2 改造后的液壓站原理圖

2 液壓站改造

由于制動器的工作壓力只有45bar，而在原設計中，制動器控制回路是直接與液壓站的主回路聯通的，制動器壓力在55bar到150bar這個范圍中變化，導致制動器中蝶形彈簧的受力隨系統壓力的變化而變化。風輪剎車的延遲與斜坡時間僅通過節流閥18可能不能實現，為防止這一問題的出現可在剎車回路添加一個減壓閥。止回閥與減壓閥組合可以保持制動器的工作壓力為55bar，保證延遲與斜坡時間的實現。

3 風力發電機組制動器的數學建模

被動式液壓剎車具有巨大的制動力矩儲備功能和較高的可靠性，而工藝特性運用的好壞則主要體現在制動作業的安全性上。對被動式液壓剎車的建模分析主要是對剎車鉗的工藝特性進行分析，被動式液壓剎車的工藝特性包括響應特性和微調特性兩個指標。響應特性是指制動器操作的反映速度，而微調特性是指閥控制制動壓力產生微小變化的能力。

建模過程中，忽略管路的沿程壓力損失和局部壓力損失，忽略制動閥開啟時液壓油的瞬時沖擊與泄漏，忽略制動油管、制動液缸體彈性變形。

被動式液壓制動器的工作過程是典型的閥控單作用缸的模型，對進入(流出為負)制動器的制動液缸的流量Q進行分析有

式中Ap——活塞有效面積，m2；

xp——活塞移動距離，m；

Vo——制動液壓缸的初始體積，m3；

β——液體彈性模量，MPa。

當制動器打開時，摩擦塊與制動盤的間隙增大，液壓缸的蝶形彈簧抵住活塞，形成一個不變的密閉高壓容積，在此平衡時刻，活塞的位移、加速度以及速度均可假設為0。在封閉的液缸容積中，隨著活塞的運動，設V=Apxp+Vo，假設溫度不變，則式(1)制動器液壓缸的工作流量可簡化為：

進入或者流出液缸的流量等于流過比例閥的流量，對于壓力調節閥，無論是手動閥還是電磁閥，均滿足以下流量方程

式中C——閥門流量系數；

A——閥門流通面積，m2；

Δp——節流口壓差，pa；

m——節流指數，m=0.5～1.0，與節流口兩端的壓力差、過流面積及節流口形式有關系。

3.1 響應特性分析

設制動器液壓缸的壓力控制閥在工作點A=At，制動壓力為 Pt，對式(3)的閥工作點(At，Pt)進行線性化。

式中Kq——流量增益系數；

Kt——壓力流量系數；

Δpt——節流口壓差，約等于主路壓力和制動液缸壓力之差，Pa。

由式(4)可得制動壓力調節過程的傳遞函數

從該模型可以發現，制動器具有慣性環節的頻響特性，時間常數t=V/(Ktβ)，它與制動缸和高壓油路總容積成正比，其增益則等于閥的壓力增益Kp=Kq/Kt。增壓過程和減壓過程的Δp不同，可以得到在兩種狀態時制動壓力響應的截止頻率ωt的表達

式中Pm——主路壓力，Pa；Pb——制動器蝶形彈簧壓力，Pa。

可見，在調壓過程中，制動壓力在增壓時的響應頻率是減壓時的（pm/pb-1）m倍，這種響應頻率的差異在制動壓力較低時更為明顯。由于系統的響應頻率是由最低響應頻率的環節所定，因此，剎車的響應頻率取決于下降調壓的響應頻率。經過改造后的制動器液壓缸壓力始終保持pm=55bar，這樣系統下降調壓的響應頻率保持不變，不會出現原系統中出現的非線性變化，系統的穩定性大大提高。

3.2 微調特性分析

被動式剎車的液壓制動缸為單作用柱塞缸，當流量流入時，動力源提供液體壓力能，節流口壓差為比例閥的液壓進口主路壓力pm與彈簧壓力pb之差；而當流量流出時，它通過制動液缸內彈簧壓力實現，所以，此時的壓差就是彈簧壓力pb。由此，聯合式(2)、式(3)，得到制動器壓力變化的模型

從式(7)可以看出，彈簧壓力具有強烈的非線性，即使閥口的面積不變，當壓力從增大到減小相互轉化時，制動壓力的速率也會發生突變，當制動壓力Pb比較低時，壓力調節的變化尤為劇烈。從上述被動式啟動器的模型分析可以看出，當盤式剎車的機械結構確定，剎車副之間跑合達到均勻磨損狀態時，制動鉗的微調特性主要取決于液壓缸的壓力加載梯度。經過改造后制動器的工作壓力能夠保持穩定，因此大大提高了制動器的微調特性。

4 總結

改進后的風力發電機組制動回路在加減壓過程中，動作較為平緩、穩定，不會有瞬間的高壓，有利于對制動器的保護，并大大提高了風機運行過程中的安全系數。經過改進液壓站，最大限度滿足了風場對風機安全性能的需求，其設計思路、設計中所采取的提高風機安全性的措施、相關設計參數的選取等對于今后風機制動系統的設計和制造有一定的借鑒作用。

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