風(fēng)電偏航制動(dòng)摩擦片的磨耗壽命計(jì)算

文 | 韓德海，馮博，陽凌霄，歐陽華

風(fēng)電偏航制動(dòng)摩擦片的磨耗壽命計(jì)算

文 | 韓德海，馮博，陽凌霄，歐陽華

大型風(fēng)電機(jī)組均采用主動(dòng)偏航系統(tǒng)，并設(shè)置有摩擦制動(dòng)機(jī)構(gòu)，滾動(dòng)軸承加液壓制動(dòng)器的配置是普遍使用的偏航系統(tǒng)形式（圖1）。

繞偏航回轉(zhuǎn)中心軸線的偏航載荷作用到機(jī)架上，通過三條路徑傳遞到塔筒（圖2）。機(jī)組不偏航時(shí)，偏航制動(dòng)器通入高壓，保持住機(jī)艙對(duì)風(fēng)角度；機(jī)組偏航時(shí)，偏航制動(dòng)器通入較低壓力，提供一定的阻尼，保證偏航運(yùn)動(dòng)的平順性。

在偏航運(yùn)動(dòng)中，制動(dòng)器摩擦片會(huì)產(chǎn)生磨耗，其磨耗壽命除了與摩擦材料的磨耗率特性有關(guān)，還與偏航系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、部件裝配尺寸有關(guān)。本文對(duì)影響制動(dòng)器摩擦片磨耗壽命的各變量進(jìn)行了分析，以某型號(hào)風(fēng)電機(jī)組為例做了計(jì)算，并給出了準(zhǔn)確計(jì)算制動(dòng)接觸面積和有效制動(dòng)半徑的方法。

磨耗壽命公式的導(dǎo)出

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)的普遍應(yīng)用，磨耗率定義為“單位摩擦功下的磨耗量”，量綱為“體積/功”。即

其中，K——磨耗率；

ΔV——磨耗體積；

W——摩擦功。

在風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)中，磨耗體積由制動(dòng)接觸面積和磨耗厚度確定——

其中，Aclap——制動(dòng)接觸面積；

Twear——磨耗厚度。

摩擦功體現(xiàn)為偏航摩擦力矩與偏航角度里程的乘積(公式3)，偏航角度里程由偏航角速度和偏航運(yùn)動(dòng)時(shí)間確定(公式4)，摩擦力矩由摩擦力和有效制動(dòng)半徑確定(公式5),摩擦力決定于制動(dòng)器的夾緊力和摩擦副的摩擦系數(shù)(公式6)。

其中，M——偏航摩擦力矩；

α——偏航角度里程；

ωyaw——偏航角速度；

tyaw——偏航運(yùn)動(dòng)時(shí)間；

Fbrake——偏航摩擦力；

Rclap——有效制動(dòng)半徑；

Fclap——制動(dòng)器夾緊力；

μ——摩擦系數(shù)。

偏航時(shí)制動(dòng)器的夾緊力與設(shè)置的偏航壓力有關(guān)

圖1 偏航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖2 偏航載荷的傳遞路徑

整理以上計(jì)算式，可得到制動(dòng)器摩擦片磨耗厚度與可用的偏航運(yùn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系式

變量分析

在業(yè)內(nèi)，偏航制動(dòng)器已實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，當(dāng)選定某型號(hào)偏航制動(dòng)器時(shí)，其活塞數(shù)和活塞面積就確定下來，如當(dāng)前廣泛應(yīng)用的三缸、直徑120mm產(chǎn)品，或雙缸、直徑90mm產(chǎn)品。

偏航制動(dòng)器摩擦片的允許磨耗厚度一般設(shè)計(jì)為6mm或7mm。

根據(jù)不同機(jī)組具體的設(shè)計(jì)原理、參數(shù)匹配和控制方法，偏航運(yùn)動(dòng)時(shí)向偏航制動(dòng)器施加的液壓壓力值有所不同，常見的設(shè)置為20bar－60bar區(qū)間內(nèi)的某一定值。

隨偏航運(yùn)動(dòng)速度和施加壓力的不同，制動(dòng)器摩擦片與制動(dòng)盤的摩擦系數(shù)會(huì)有微小波動(dòng)，但會(huì)保持在被要求的可靠范圍內(nèi)。當(dāng)前廣泛應(yīng)用產(chǎn)品的名義摩擦系數(shù)值為0.4。

根據(jù)GL設(shè)計(jì)規(guī)范，一般按公式9設(shè)置偏航角速度

其中，R——風(fēng)輪半徑。

磨耗率數(shù)據(jù)由摩擦片廠家提供，由于磨耗率與制動(dòng)器夾緊力和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)測(cè)定。

實(shí)際制動(dòng)接觸面積的提取

根據(jù)具體機(jī)組偏航系統(tǒng)的不同設(shè)計(jì)，偏航制動(dòng)盤的直徑可能取為2m－5m的某一值，而作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的偏航制動(dòng)器設(shè)計(jì)為矩形與之相匹配，因此受結(jié)構(gòu)限制，實(shí)際的制動(dòng)接觸區(qū)域既非理想的扇形也非完整的矩形。為獲得盡可能大的磨耗壽命，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能增大實(shí)際制動(dòng)接觸面積（公式8）。

實(shí)際結(jié)構(gòu)中，制動(dòng)盤邊緣設(shè)計(jì)有倒角，摩擦片上也設(shè)計(jì)有倒角、排屑槽等結(jié)構(gòu)。在計(jì)算時(shí)，應(yīng)將這些細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)考慮進(jìn)來，確定準(zhǔn)確的實(shí)際制動(dòng)接觸面積值。如圖3是在三維模型中提取出的某型號(hào)風(fēng)電機(jī)組每個(gè)偏航制動(dòng)器摩擦片的實(shí)際接觸區(qū)域及其面積值。

有效制動(dòng)半徑的計(jì)算

由于偏航制動(dòng)器安裝在遠(yuǎn)離回轉(zhuǎn)軸線的位置，即偏航制動(dòng)半徑遠(yuǎn)大于摩擦片的寬度，因此可以認(rèn)為摩擦片上的正壓力是均勻分布的。

考慮各作用力的面分布特性，偏航摩擦力矩由制動(dòng)微元產(chǎn)生的摩擦力與其制動(dòng)半徑的乘積在制動(dòng)接觸面積內(nèi)積分而來（圖4）——

其中，rclap——微元的制動(dòng)半徑。

由公式5、公式6和公式10整理可得——

圖3 實(shí)際制動(dòng)接觸面積

圖4 有效制動(dòng)半徑積分算法

由于實(shí)際制動(dòng)接觸區(qū)域形狀復(fù)雜，公式11難以用解析法進(jìn)行計(jì)算，但可借助CAD和有限元前處理軟件進(jìn)行離散計(jì)算。計(jì)算過程如下：

（1）在CAD軟件中將制動(dòng)接觸區(qū)域的曲面定義為參照偏航回轉(zhuǎn)軸線處的坐標(biāo)系，然后輸出給有限元前處理軟件；

（2） 將曲面劃分為有限元面網(wǎng)格；

（3）依次輸出每個(gè)單元的面積Ai、中心節(jié)點(diǎn)的xi、yi坐標(biāo)（圖5）；

（4）按公式12計(jì)算有效制動(dòng)半徑值；

（5）通過劃分更密的面網(wǎng)格，獲得收斂的有效制動(dòng)半徑值。

本文算例中，將實(shí)際制動(dòng)接觸區(qū)域劃分為1404個(gè)邊長(zhǎng)4mm的四邊形網(wǎng)格時(shí)，有效制動(dòng)半徑值已收斂至0.01mm。部分計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。

工程計(jì)算中，往往將摩擦片寬度中心線到回轉(zhuǎn)軸線的距離作為制動(dòng)半徑，從本例離散計(jì)算的結(jié)果來看，實(shí)際有效制動(dòng)半徑稍大于工程簡(jiǎn)化方法所取的值。

圖5 有效制動(dòng)半徑離散算法

表1 有效制動(dòng)半徑計(jì)算數(shù)據(jù)

磨耗壽命的計(jì)算

將本文算例中的各變量數(shù)值代入公式8，計(jì)算得到磨耗厚度可用的偏航運(yùn)動(dòng)時(shí)間為6475h，即0.74年。根據(jù)GL設(shè)計(jì)規(guī)范和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)電機(jī)組用于偏航的時(shí)間占比不高于機(jī)組壽命時(shí)間的10%，因此本例中的制動(dòng)器摩擦片理論壽命為7.4年。

結(jié)論

偏航制動(dòng)器摩擦片的磨耗壽命與允許磨耗厚度、實(shí)際制動(dòng)接觸面積成正比，與活塞數(shù)量、活塞面積、偏航壓力、摩擦系數(shù)、偏航速度、磨耗率、有效制動(dòng)半徑成反比；偏航制動(dòng)器的裝配尺寸對(duì)實(shí)際制動(dòng)接觸面積和有效制動(dòng)半徑有影響；應(yīng)考慮實(shí)際裝配結(jié)構(gòu)中的細(xì)節(jié)要素，確定準(zhǔn)確的制動(dòng)接觸面積；通過離散方法，可計(jì)算得到準(zhǔn)確的有效制動(dòng)半徑數(shù)值。

（作者單位：韓德海、陽凌霄、歐陽華：南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司風(fēng)電事業(yè)部；馮博：株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司）