低溫環境對風機液壓剎車系統響應性能的影響

(東方電氣自動控制工程有限公司，四川 德陽 618000)

0 引言

風機液壓剎車系統的主要作用是實現風機的高速軸和偏航制動。作為一種野外工作的液壓設備，環境溫度變化范圍大，特別是在我國東北的某些風場，冬季的環境溫度可以低至-45 ℃。溫度降低，液壓油黏度增大，流動性能降低；同時也會使蓄能器的預充氮壓力降低，致使系統響應遲鈍，影響系統制動性能，甚至危及風機的安全。在對其低溫響應性能進行一系列的試驗研究后，針對具體的問題提出了切實有效地解決方案，并取得了顯著的應用效果。

1 低溫環境對液壓油性能的影響

由液壓油的黏溫特性可知，油溫越低，黏度越高，流動性能越差，從而影響系統的響應性能。在我國，風機液壓剎車系統工作的環境溫度一般要求是-40 ℃～+60 ℃。通常考慮到風機液壓剎車系工作的節能需要，液壓泵為間隙運行。當系統達到額定壓力后進入保壓運行模式。由于系統采用保壓運行，油液不能充分循環，環境溫度降低時，系統中的油溫也隨之降低，因此要求系統在設計的工作溫度范圍內液壓油應具有良好的流動性能。

表1 殼牌得力士S4 VX液壓油特性參數

表1是目前國內風電行業中，風電液壓剎車系統常用的殼牌得力士S4 VX液壓油的黏溫特性曲線。從中可以看出該油品在-40 ℃時的黏度為2 624 cSt，流動性能較差。

對此，通過簡易的方法(在室溫和-40 ℃低溫下，測試相同容積的液壓油在相同的傾倒方式下通過相同小孔所用的時間)對油液的流動性能進行測試。經測試，200 mL S4 VX液壓油在室溫28.5 ℃下，通過垂直傾倒的方式通過Φ2.5 mm的小孔所用時為1′38″；當油溫降到-40 ℃后再進行傾倒，則需要8′52″。由此可以直觀的說明低溫條件對該油品的流動性能影響明顯。

為了搞清環境溫度變化對風機液壓剎車系統的影響，將整套風機液壓剎車試驗系統移入低溫試驗柜內，并測試其在室溫和低溫條件下軸剎車壓力建立(壓力從0升至10 MPa)的響應時間。通過測試得出，系統在15 ℃時的響應時間為6″93；-20 ℃時為10″93；-40 ℃時為20″65。一般，系統設計要求常溫環境下軸剎車壓力建立的響應時間為4±1 s。通過試驗可以看出，液壓剎車系統在低溫環境下，油液黏度升高后，流動性能降低，軸剎車制動響應遲鈍，影響制動及時性和安全性。

2 低溫環境對蓄能器性能的影響

環境溫度不僅對油液的黏度有影響，還對氣體狀態有較大的影響。根據理想氣體定律PV=nRT，R為氣體常數。當溫度變化時密閉容積內氣體的壓力和體積也會隨之改變。風機液壓剎車系統在油泵停止后的保壓運行階段，系統動力由蓄能器來維持和提供。由于蓄能器內的預充氮壓力會隨著環境溫度的變化而改變，因此在實際工作中蓄能器的蓄能能力隨環境溫度的變化而變化。當蓄能器的蓄能不足時將會影響系統執行機構的動作響應特性。

對于風機液壓剎車系統中1個2.8 L的隔膜蓄能器，在室溫下(14.3 ℃)給其充上10 MPa的氮氣，然后再將其及測壓表一同置入低溫試驗柜中測得圖1所示的氮氣壓力隨溫度(每個溫度點恒溫2 h后讀數)變化的曲線。

圖1 蓄能器中充氮壓力隨溫度的變化曲線

從圖1中可以得出溫度每降20 ℃，其內的氮氣壓力下降1 MPa。

在該系統中，蓄能器的動作是在短時間內完成的，整個過程中不至于發生熱交換，因此可以認為整個變化是在絕熱狀態下完成的，此時有以下蓄能器容積計算公式。

(1)

V蓄能器容積(2.8 L)；ΔV系統容積需要(補油容積)；P0為蓄能器預充氮壓力；P1為最小工作壓力(14 MPa)；P2為最大工作壓力(16 MPa)；n為多變指數(絕熱時取1.4)。

將室溫時的充氮壓力和-40 ℃時的氮氣壓力帶入式(1)中，可計算出：

室溫14.3 ℃，預充氮壓力10 MPa時，ΔV=0.199 L；-40 ℃時，氮氣壓力降到7 MPa時：ΔV=0.155 L，補償能力降低約22%。

通過計算得出，隨著蓄能器充氮壓力的降低，其補油能力也在降低，這樣系統的保壓時間將有明顯的降低。當需要緊急制動時，系統可能會出現供油不足而影響其制動響應性能。

3 提高液壓系統響應性能的解決方案

3.1 合理設計節流孔結構

一般該系統中的節流孔直徑均小于1 mm，實際中要將其加工成薄壁小孔(δ/d≦0.5)困難極大，通常是將其做成細長孔。這樣，當油溫降低時，黏度增大，油液在節流孔內的流動性能變差，剎車器的制動時間就會延長。

圖2 改進前后的節流孔結構

對此，在不改變孔徑的條件下，將節流孔從圖2中的(a)結構優化成(b)結構后，軸剎車壓力建立的響應時間不論是在常溫，還是在低溫條件下，其性能相對于改進前的6″93(15 ℃)和20″65(-40 ℃)均有顯著的改觀。圖3是系統在室溫17 ℃時的響應曲線，時間為3.6 s；圖4是在油溫降到-40 ℃時的響應曲線，時間為7 s。

細線：指令曲線；粗線：壓力曲線

細線：指令曲線 ；粗線：壓力曲線

3.2 合理選擇液壓油

油液黏度增加，流動性能降低是導致系統響應速度變慢的主要原因，為此可以通過選擇低溫下黏度相對較小的油品以增加其流動性，提高系統的響應性能。對此，同樣通過簡易的流動性試驗比較了得力士S4 VX和昆侖15#液壓油在相同溫度溫條件下的流動性能。由表2可以看出，在室溫條件下，兩種油品的流動性差異并不明顯，但是當油溫降到-40 ℃時，用同樣方式傾倒200 mL的殼牌S4 VX所用的時間將近是15#航空油的4倍，兩者性能的差異極為明顯。因此從該對比試驗中可以看出，合理選擇液壓油的低溫性能對提高系統的響應性能有著直接的作用

表2 200 mL液壓油通過φ2.5 mm節流孔所用時間

3.3 合理選擇蓄能器充氮壓力

氣體加載式蓄能器在低溫環境下主要是因預充氮壓力的降低而影響液壓系統的補油能力，可能造成補油不足而影響系統執行機構的響應。雖然重力加載或者彈簧加載蓄能器的蓄能能力不會因環境溫度的降低而有明顯變化，但由于這兩種蓄能器自身結構特性的限制而不能應用在風電液壓剎車系統上。因此，在采用氣體加載式蓄能器時必須考慮預充氮壓力因環境溫度變化而對其蓄能能力的影響。

一般，風機的液壓剎車油站是在制造廠內完成充氮，工作運行卻是在其他溫度區域內。如，我公司在四川德陽，該地的夏季最高溫度36.7 ℃，冬季最低溫度-5.9 ℃。這樣在夏季最高溫度時生產的剎車油站蓄能器充氮壓力為10 MPa，到了北方冬季-40 ℃工作環境中氮氣約為6.2 MPa；而在冬天最低溫度下生產的剎車油站預充同等壓力的氮氣，到了夏季最高溫度40 ℃的環境中工作時，實際氣壓約為12.3 MPa。

經計算，1臺90缸徑的主動式軸剎車器在最大工作位置的行程為14 mm時的油耗量為0.09 L。液壓剎車系統的工作壓力為16～14 MPa，軸剎車器的工作壓力為10 MPa，為了保證系統的安全、穩定工作，無論系統處于最高壓力或是最低壓力狀態，觸發剎車，系統蓄能器都要提供不低于0.09 L，壓力不低于10 MPa的壓力油以滿足軸剎車的制動需要，確保安全制動。由此，生產廠家應根據生產地和工作地的溫度變化情況按照式(1)進行計算，合理選擇蓄能器的容積和充氮壓力。

為了保證液壓剎車系統的正常工作，則需要根據系統的最高油耗量和生產地與工作地的溫度變化情況，合理確定蓄能器的充氮壓力，以滿足其在設計的環境溫度條件下系統都能正常工作，而不需要維護人員時常上風機對蓄能器進行充氣或排氣操作。

3.4 機艙加熱

由于低溫環境影響的不僅僅是液壓剎車系統工作性能，對風機上其他設備的正常工作也有一定的影響。通常，低溫機組都有機艙加熱設備，液壓站、剎車器及管路布置機艙內部，因此保證低溫加熱設備的正常工作，避免機艙溫度降得過低，對提高剎車系統響應性能也有著積極的作用。

4 結語

通過一列的試驗研究，增強了對風機液壓剎車系統低溫響應性能的認識，并針對相應的問題提出了切實有效的改進方案，提高了風機液壓剎車系統的設計水平和產品性能質量，為風機的安全、穩定運行提供了有力的技術保障。野外工作的液壓設備的系統響應性能容易受到環境溫度變化的影響，因此在設計時，需要充分的考慮該因素對系統影響，并采取合理的應對措施確保系統的安全、穩定、可靠運行。