風電制動器制動穩定性研究

趙恩光

摘要：本文將從摩擦學角度研究風力發電機偏航系統的失穩振動機理，建立偏航制動系統動力學模型，找出制動過程中導致失穩振動的影響因素和臨界失穩條件，并繪制穩定性曲面圖，為研發抗顫振偏航制動器和抑制風電偏航制動過程中的失穩振動提理論依據。

關鍵詞：風電制動器；制動；穩定性

1偏航制動系統動力學模型

風機在偏航制動過程中，偏航減速器帶動制動盤以角速度ω做勻速圓周運動。由于偏航制動器上的制動塊與制動盤之間的摩擦狀態變化（在靜、動摩擦之間轉換），摩擦力會影響制動盤的運動，形成速度反饋，進而造成制動盤轉速忽快忽慢。

考慮到制動塊相對于驅動裝置的運動速度是恒定的，為便于描述制動盤與制動塊之間的運動關系，假設偏航過程中偏航系統驅動裝置靜止，而制動塊以角速度ω做勻速圓周運動，驅動制動盤做變速運動。在任意瞬時，制動盤與制動塊之間的相對運動可簡化為直線移動。將制動盤與制動塊通過摩擦力耦合在一起，假設制動盤和制動塊之間的阻尼系數為c，剛度為k，由此建立偏航時失穩振動力學模型。1為制動塊，2為制動盤假設制動塊作為主動件，以速度v進行運動，制動盤為從動件。制動塊緩慢向制動盤移動，移動距離s0后彈簧因壓縮產生的驅動力正好等于制動塊所受的最大靜摩擦力Fs，即Fs=k·s0。此后彈簧繼續壓縮，制動盤便開始運動。

2偏航制動系統穩定性分析

如果偏航速度v低于臨界失穩速度vc，偏航制動器在制動的過程中就會出現忽停忽動的非均勻運動，即發生失穩振動。要避免這一現象，偏航速度必須大于臨界失穩速度。系統的剛度k、固有頻率ω0和阻尼比ξ、制動盤與制動塊上的摩擦片材料（靜摩擦因數μ和動靜摩擦因數之差Δμ）、制動盤質量m、活塞直徑d與數量n和偏航余壓p是導致偏航系統失穩振動的主要因素。

2.1制動力對制動穩定性影響

將不同制動參數下制動盤的軸向加速度——時間仿真結果進行頻譜轉化，并對各頻段進行制動穩定性評估，得到全部頻段內總的制動穩定性指數隨各制動參數變化的曲線。在制動盤——閘片摩擦系數、初始制動轉速恒定的情況下，隨著制動力的增大，制動器制動穩定性指數增大，即制動穩定性變差。這是由于在一定的初始制動轉速、制動盤——閘片摩擦系數下，制動力越大，摩擦力隨時間變化呈現的波動就越明顯，即粘滑現象越嚴重而造成的。因為粘滑過程中粘滯與滑動的交替出現能夠引發制動盤的劇烈振動。

2.2制動盤——閘片摩擦系數對制動穩定性影響

同理，得到全部頻段內總的制動穩定性指數隨制動盤——閘片摩擦系數變化的曲線，在制動力、初始制動轉速恒定的情況下，隨著制動盤——閘片摩擦系數的增大，制動器制動穩定性指數增大，即制動穩定性變差。這是由于在一定的初始制動轉速、制動力下，制動盤——閘片隨著摩擦系數增大，接觸摩擦力增大，瞬時振動有較大的振幅，引起自激振動，降低了制動器的制動穩定性。

2.3初始制動轉速對制動穩定性影響

在制動盤——閘片摩擦系數、制動力恒定的情況下，隨著初始制動轉速的增大，制動器制動穩定性指數增大，即制動穩定性變差。這是由于在一定的制動盤——閘片摩擦系數、制動力下，初始制動轉速增大時，制動器振動的高頻成分減少，振動頻率更接近于制動器的固有頻率，即增大了低頻抖動與共振的幾率，制動過程中制動器的振動就越劇烈。而且初始制動轉速增大，單位時間內制動盤與閘片間的接觸劃擦距離增大，所造成的粗糙表面間沖擊次數增加，沖擊強度增大也會加劇制動器的振動。制動力、制動盤——閘片摩擦系數、初始制動轉速越大，制動器的制動振動穩定性越差；反之，制動器的振動就會相對較小，但制動器無法實現有效制動。所以，制動參數的選擇必須能夠使制動器有效且可靠的制動。

2.4制動器制動穩定性評估

按照上述結論，制動參數取值越小制動盤的振動越穩定，進而制動器的制動效能也就越好。但是制動參數取值太小，所需制動時間就會過長，制動器無法實現按需制動，將會造成無法預測的安全問題。一般情況下，風電制動器的設計標準是初始制動轉速為800r/min時，有效制動時間小于25s；1200r/min時，有效制動時間小于35s；1600r/min時，有效制動時間在45s以內。根據制動仿真結果得到了各工況下制動時間，最終選擇制動效果最優的制動參數匹配方案。當所設計制動盤——閘片摩擦系數為0.2時，由制動穩定性評估方法得到制動器的初始制動轉速推薦為1200r/min，制動力推薦為21000N；當所設計制動盤——閘片摩擦系數為0.25時，由制動穩定性評估方法得到制動器的初始制動轉速推薦為1600r/min，制動力推薦為17000N；當所設計制動盤——閘片摩擦系數為0.3時，由制動穩定性評估方法得到制動器的初始制動轉速推薦為800r/min，制動力推薦為13000N。這種參數匹配優化將為不同工況下大兆瓦級風機制動器的有效制動提供堅實的理論基礎。

3偏航制動系統振動控制策略

臨界失穩速度模型表明，在偏航制動器使用過程中，若發生失穩振動，則可通過更換制動塊上的摩擦片材料（改變摩擦因數μ）和調整偏航余壓p兩方面來進行振動控制。

由此基于偏航臨界失穩速度來研究偏航制動系統振動控制策略。仿真參數設定如下：制動盤質量m=100kg，系統剛度k=2.5×107N·m/rad，系統阻尼比ξ=0.01，制動器中活塞直徑d=0.12m，數量n=3，偏航余壓p=0.2—0.8MPa，摩擦因數0.2—0.4。確定靜摩擦因數μ、偏航余壓p與臨界失穩速度vc之間的關系，即偏航制動穩定性曲面圖。當偏航余壓一定時，摩擦因數越大，臨界失穩速度越大；當摩擦因數一定時，偏航余壓越大，臨界失穩速度也越大。偏航余壓和摩擦因數的交互作用對臨界失穩速度有影響，且相對于摩擦因數，偏航余壓對臨界失穩速度的影響更大。

穩定性曲面上方是偏航速度大于臨界失穩速度區域，不會發生失穩振動；而在曲面下方，偏航速度低于臨界失穩速度，將發生失穩振動。顯然，當制動過程中偏航速度恒定時，若發生失穩振動，則可通過合理減小偏航余壓或更換摩擦因數更小的摩擦片來控制振動。

進一步判定穩定性曲面上方是否屬于穩定區域，在曲面上選取參考點Q（0.6，0.3，0.01202），并在Q點上、下方分別選取U（0.6，0.3，0.015）、L（0.6，0.3，0.009）兩點。由于U點偏航速度高于臨界失穩速度，而L點偏航速度低于臨界失穩速度，顯然U點應處于穩定狀態，而L點將發生制動失穩振動。

當偏航速度為0.015m/s時（即U點工況），制動盤在制動過程中速度始終為正，不會出現失穩振動現象。而當偏航速度為0.009m/s時（即L點工況），制動盤在制動過程中出現負速度，存在失穩振動現象。同樣可結合穩定性曲面圖來分析其他參數對臨界失穩速度的影響，以此來解決偏航制動過程中的失穩振動問題。而在研發抗顫振風電偏航制動器時，應根據制動器使用工況，基于制動盤和臨界失穩速度采用穩定性曲面圖法來考慮制動器的結構設計和材料選擇，對系統的剛度k、固有頻率ω0和阻尼比ξ，摩擦片材料（確定靜摩擦因數μ）和活塞直徑d與數量n提出要求。

4結論

1）系統的剛度、固有頻率和阻尼比、制動盤與制動塊上的摩擦片材料、制動盤質量、活塞直徑與數量和偏航余壓是導致偏航系統失穩振動的主要因素。

2）當偏航過程中發生失穩振動時，可通過減小偏航余壓或更換摩擦因數更小的摩擦片來控制振動。

3）研發抗顫振風電偏航制動器時，應結合臨界失穩速度和并基于制動盤進行制動器結構設計和選材，通盤考慮系統的剛度、固有頻率和阻尼比，摩擦片材料和活塞直徑與數量。

參考文獻

[1]趙萍.主動偏航過程兆瓦級風機偏航系統失穩振動特性[J].中南大學學報，2014.

[2]李彭.盤式制動系統參數對制動顫振的影響分析[J].測試與診斷，2017.

（作者單位：焦作瑞塞爾盤式制動器有限公司）