一種新型分體式風電液壓直動制動器設計研究

文 | 史春香

隨著我國風電設備制造逐步進入成熟階段，兆瓦級風電機組業已成為市場的主流。在裝機容量不斷提升的同時，機組對滿足制動要求的偏航制動器的需求量越來越大。當前，1.5MW機組上所用的偏航制動器已達到十臺，2MW及以上機組偏航制動器若再采用此規格制動器，顯然已滿足不了鎖緊力矩的要求。按照摩擦片的安裝方式，偏航制動器可分為整體式和分體式兩類，整體式兆瓦級風電制動器更換摩擦片時要將整個制動器全部拆掉，加大了工人的勞動強度，增加了業主的維護成本。而現有的分體式結構也存在一定的質量隱患，比如1.5MW風電機組上所用分體式結構制動器，其摩擦片的固定方式為螺栓連接，在安裝和使用中因加工誤差和工人的安裝不到位，會發生諸如擋板螺栓上緊力矩不足或螺栓松動等問題進而引發一系列質量事故，因此，市場迫切需要研發一種外形適中、鎖緊力大、安裝調整方便的新型偏航制動器。

本文針對現有風電液壓制動器的不足，研發了一款新型分體式風電液壓直動制動器，該液壓直動制動器是在借鑒國外同類風電制動器的基礎上，結合制動器維修存在的問題，消除原有的擋板螺栓連接中上緊力矩不足導致摩擦片脫落損壞制動盤的缺點而設計的一種新型液壓直動制動器。

工作原理

該液壓直動制動器為液壓制動，浮動復位，是一種能使泄漏油液導流的直動型鉗盤式制動器，主要用于兆瓦級風電機組偏航制動。

工作原理：液壓直動制動器由機體和活塞兩大部分組成。向制動器通入壓力油后，兩油缸體之間產生壓力夾持住制動盤，使制動盤的旋轉運動停止。

由圖1可以看出，本制動器由兩個機體6構成，每個機體的油缸內裝有活塞7，油缸通過進（出）油口與供油管路連接，油缸與活塞7之間裝有防塵圈11、密封圈12，機體6的兩翅邊上有一楔形凹槽，左右擋板9上的楔形凸槽裝入機體上的楔形凹槽內，擋板9的前后位置通過銷軸1與機體6固定，摩擦片10底板面緊貼在活塞7的端面上，固定在左右擋板9之間，連接板3通過螺栓8與機體6連為一體，連接板又通過緊定螺釘4與擋板9連接，此緊定螺釘4可調節擋板9的前后位置，擋板9通過前后移動來調整摩擦片10。兩個機體6通過螺栓固定在基座上，制動盤則處于兩個摩擦片10之間。

當制動器工作時，壓力油由供油管路經進（出）油口進入油缸，油缸內活塞7在油壓的推力下向外運動，同時頂住摩擦片10向制動盤推移，摩擦片壓緊制動盤從而實現制動剎車。

當制動盤需要運轉時，油缸內的壓力油經進（出）油口卸壓，摩擦片10在制動盤的轉動作用下脫離制動盤一定間隙，同時在摩擦片10的作用下活塞同樣推入油缸一微小距離，機器實現運轉。

結構與功能

一、主要結構

目前，風電機組偏航制動器的結構主要有兩種形式：整體式和分體式。 本文的液壓直動制動器采用的是分體式結構。其主要的結構包括：

（一）楔形擋塊（圖1）

機體上設計有豎直方向延伸的導軌，擋塊上具有用于與導軌導向配合的凹面，擋塊與摩擦片之間的配合面為由上而下向制動器內部傾斜的平面。擋塊與制動器機體通過楔形槽連接為一體。根據楔形原理，在摩擦片側面與擋板之間，利用楔形效應有效地限制了摩擦片的不固定狀態，便于摩擦片與設備上制動盤之間的間隙調整，當摩擦片端面受力時，摩擦片可作軸向運動；當端面不受力時，摩擦片處于固定狀態。同時利用楔形效應對制動塊進行調節，由于其結構緊湊、簡單易行，能有效地調節制動塊與擋塊的間隙，避免制動塊、機體因加工誤差引起間隙過大而使得制動塊脫落損傷制動盤。

（二）調節機構

機體采用獨特的連接板結構，連接板上的螺栓一方面與機體連為一體，另一調整螺栓使連接板與擋板連接，調整擋板與摩擦片之間的間隙后，使連接板、擋板、機體連接為一體。擋塊上特殊的銷軸連接，鎖定了擋塊在楔形槽的位置。

與整體式結構相比，分體式結構的制作工藝復雜、成本高。但它卻成功地解決了整體式結構所存在的上述兩個問題：（1）更換摩擦片時，只要拆卸摩擦片兩側的楔形擋塊即可，無需拆裝整個制動器，既方便又省時省力，大大降低了維護工作量，減少了維修成本。（2）在摩擦片兩側的楔形擋塊上還設置有調節螺絲，通過調節螺絲可以消除摩擦片與制動體之間的間隙，提高了活塞密封圈的壽命。

（三）貫通孔

機體上為增大制動力輸出，加大了缸孔直徑，增加了缸孔數量，改變了加工工藝，目前采用電火花加工三個貫通孔，保證了貫通孔的位置和尺寸的一致性，油缸在同樣的壓力作用下，制動力輸出更平穩，有效解決了因制動力變化引起的摩擦片磨損不均勻的問題。

（四）油液導流通道

在每片機體的中間油缸前部各車一個環形槽，通過打孔使兩個環形槽相通，上下機體的貫通通過O型圈形成密封通道，保證上下機體的六個油缸均相通。當任何一個活塞與缸孔之間漏油時，所漏油液即可通過環形槽被引流到設定好的收集容器內。同時在制動器的長期使用過程中，由于密封圈摩擦老化等原因，缸體內油液會通過活塞、密封圈、油缸之間的間隙向外滲漏，如果流到制動盤上，既影響剎車性能，又污染環境。該漏油導流通道可保證制動器在漏油的情況下將所漏油液方便地排出回收。因而有效解決了老產品漏油后，油液直接流到制動盤上所帶來的問題。

二、功能要點

制動器通過結構改進，滿足了用戶鎖定力矩要求，實現了平穩制動。本研究通過改進機體的左右兩端面連接形式，減少了進入機體的灰塵等物質對密封的損害，從而延長了密封圈的使用壽命；滿足用戶不需要拆除整機即可更換摩擦片的需求，使摩擦片與擋板的間隙調節更加方便；同時為便于檢測摩擦片的磨損情況，增加了摩擦片報警功能。此外，特殊的油液導流通道設計，實現了導流收集功能，減少了環境污染。

（1）現有的風電偏航制動器結構形式為整體式和分體式，整體式間隙不可調整，當更換剎車片時，需將整個制動器全部拆除，更換后再整體安裝，維修不便，不能很好地滿足使用。此結構為分體式安裝，安裝調試方便，能滿足工人維修時不需要拆除整機即可更換剎車片。

（2）1.5MW風電機組上用的分體式結構制動器，左右兩側擋板通過螺栓與機體固定為一體，因螺栓上緊力矩不同和機體的加工誤差導致摩擦片從機體內飛出損傷剎車盤。本結構采用特殊的調節機構，通過楔形效用對制動塊進行調節，能有效地調整摩擦片與擋板的間隙，避免了此類事故的發生。

（3）采用電火花貫通工藝，能保證制動器輸出制動力更加平穩。

（4）具有泄漏油液導流和收集功能，從外部即可觀測制動器密封漏油情況。

（5）有摩擦片磨損顯示功能，便于檢測摩擦片的磨損情況。

該液壓直動制動器增加有摩擦片磨損顯示功能（見圖1磨損顯示線），磨損顯示線與風電機組控制系統上電器接口連接，在摩擦片摩擦材料磨損到2mm時，風電機組信號顯示制動器上磨損顯示線斷開。此顯示裝置便于檢測摩擦片的磨損情況。

圖1 新型液壓直動制動器結構圖

主要部件的工藝改進

在風電制動器的使用過程中，機體、活塞和摩擦片是制動器的主要部件，這些部件的加工質量和摩擦片的連接方式決定了制動器的性能。

一、機體缸孔的貫通

機體上三個缸孔的貫通，如果采用傳統用盤型銑刀的機加工方式，一方面是保證不了缸孔之間的強度要求，缸孔之間的毛刺無法清理；另一方面，一個刀片僅能加工一件機體，加工成本較高。而采用電火花新工藝加工，成本僅為機加工的百分之五，同時制動器輸出制動力更平穩。

二、減少活塞磨損

因活塞表面磨損嚴重導致制動器漏油的原因和改進措施：

1.鍍層質量不足

鍍層的表面硬度和質量對制動器的性能影響巨大，為避免因鍍層脫落（圖2）導致密封件與活塞間隙增大引起漏油，增加了活塞的表面淬火硬度，滿足密封與活塞結合面的使用要求。

2.出現氣蝕侵蝕表面

經分析認為氣蝕的形成是由制動器油壓實驗時油液殘留在機體內引起的，為避免油液中水汽腐蝕活塞表面，在裝配時增加了制動器，實驗結束后用真空泵抽油，避免了此類問題發生。

3.粗糙度不足

活塞的粗糙度由表面的0.8改為0.4（圖3），在實際應用中，活塞表面缺陷在制動器裝配過程中會引起密封圈損傷，因此提高活塞加工精度，能減少制動器漏油的概率。同時活塞應全檢，在運輸過程中應有專用的單個包裝箱，輕拿輕放，以避免活塞表面缺陷引起制動器故障。

4. 優化了活塞的細節要求（圖4、圖5）

（1）活塞端面增加了平面度和平行度位置公差要求。活塞的端面與摩擦片的鋼背面接觸，在油壓加載過程中，活塞端面的平整度增大了活塞與摩擦片鋼背的接觸面積，降低了摩擦片的比壓，減少了摩擦片或摩擦材料的損傷。

（2）圓角過渡

在活塞前端裝配部分增加了R0.5圓角過渡，避免在安裝過程中密封表面劃傷的情況。

（3）活塞圓周上增加了圓柱度要求

圖2 表面鍍層脫落

圖3 正常表面

圖4 改進前活塞結構圖

圖5 改進后活塞結構圖

活塞圓周表面與密封件之間的間隙必須滿足密封件裝配要求，且該間隙必須保證均勻，如果活塞圓周表面沒有圓柱度要求，則其與密封件之間的間隙均勻性太差，會使得密封件的密封性能大大降低，最終可能導致漏油現象的發生。

三、減少摩擦材料損傷

摩擦材料是制動器非常重要的部件，需要小心對待，以免造成摩擦片或摩擦材料的損傷。該制動器摩擦材料通過調整配方，減少了風電機組的噪音污染。為增加摩擦片的排屑功能，把原結構的摩擦材料上直的排屑槽改為斜行的結構，更便于排屑刮塵，減少了摩擦片磨損后脫落的碎片與剎車盤接觸引起的結晶現象。

為減少油污引起的摩擦系數下降影響制動性能，摩擦片在使用過程中必須盡可能保持清潔，避免受油污污染。同時在安裝制動器之前，必須清洗與之接觸的制動盤，去除灰塵及防銹油脂等。通常防銹油脂可以分兩步輕易去除：先用汽油或柴油初步清洗；后用清潔去污劑徹底去除殘留的污物。

結論

本文研究了一種擋塊拆卸方便且能夠提高擋塊與機體之間密封性的可調節液壓直動制動器。該制動器為分體式結構，安裝調試方便，能滿足工人維修時在不拆除整機情況下更換剎車片的需要。在兆瓦級風電機組偏航液壓制動器的摩擦片調節及更換結構的設計方面有所創新。該制動器投入金風科技2.5兆瓦及以上兆瓦級風電機組使用，運轉良好，可替代國外同類型產品，同時其價格約為國外同類產品價格的一半，產品市場開發潛力較大，推廣應用前景十分廣闊。

攝影：王迎春