一種帶壓力控制的風機偏航制動器設計與應用

肖旺，趙登利，李肖霞

（中車山東風電有限公司，山東濟南 250022）

0 前言

在國家致力于實現碳中和與碳達峰的“雙碳”戰略目標背景下，風電作為新能源板塊的重要組成部分也迎來了大規模高質量的快速發展［1-3］。目前，我國風電項目已廣泛分布于“三北” 大基地區域，多數風場冬季天氣寒冷，環境惡劣，風機的運行和生存都面臨嚴峻的考驗［4-5］。

偏航液壓制動系統是實現風機機艙位置保持、偏航對風和解纜動作正常運行的關鍵系統，其響應性能和穩定性直接影響機組的運行與安全。風機偏航液壓制動系統主要由液壓站、偏航制動器和連接管路組成，為優化其設計，文獻［6-7］分別對常溫和低溫環境下影響偏航液壓制動系統性能的關鍵因素進行了分析與研究，并給出了針對液壓站、連接管路和摩擦片等部件的相關設計建議。本文作者以偏航制動器為研究對象，通過對其增加壓力控制功能的改進設計，有效降低了管路長度、制動器數量和機艙溫度等因素對偏航液壓制動系統產生的不利影響，并對該帶壓力控制的偏航制動器用于偏航液壓制動系統設計時的主要方法和有益效果進行了理論分析與仿真驗證，為進一步優化風機偏航液壓制動系統提供了新方案。

1 帶壓力控制的偏航制動器設計

1.1 原理設計

常規偏航制動器主要由上鉗體、下鉗體、摩擦片和連接管路等組成，其結構如圖1 所示。上鉗體和下鉗體內部各有2～3 個串聯活塞缸，并由鉗體背部的管路上下連通。通過進油口對偏航制動器施加不同的液壓力，活塞缸產生相應的推力使摩擦片夾緊制動盤產生制動力［8-9］。

圖1 偏航制動器Fig.1 Yaw brake

偏航制動器有全壓制動、阻尼偏航和零壓解纜3種工作狀態，并由液壓站控制其不同動作的切換［10-11］。為滿足上述制動要求，對常規偏航制動器增加帶壓力控制的改進設計，即在下鉗體活塞缸進油口處增加可實現全壓制動、阻尼偏航和零壓解纜控制功能的壓力控制閥組，其原理如圖2 所示。

圖2 帶壓力控制的偏航制動器原理Fig.2 Principle of yaw brake with pressure control

（1）全壓制動時，電磁閥2.1 和2.2 均不得電，制動器上鉗體內活塞缸1.1 和下鉗體內活塞缸1.2 形成封閉容腔，壓力油從進油口5.1 或5.4 進入活塞缸形成高壓狀態，活塞壓緊摩擦片9.1 和9.2 抱死制動盤8。

（2）阻尼偏航時，電磁閥2.2 得電，制動器內的高壓油經溢流閥3 卸荷至設定的阻尼背壓值，制動器半壓松閘。

（3）零壓解纜時，電磁閥2.1 得電，制動器內的高壓油經回油口6 直接回油箱，制動壓力快速卸壓為零，制動器完全松閘。

1.2 結構設計

帶壓力控制的偏航制動器結構設計關鍵在于壓力控制閥組的設計，應注意以下3 點：（1）閥組盡可能小，其外形不影響制動器的放置與安裝；（2）油口的大小和方位與常規偏航制動器保持一致，以便于管路連接；（3）閥件位置易于手動操作和維護，即使閥組發生漏油也不會對摩擦片和制動盤造成污染。

圖3 為本文作者設計的一種帶壓力控制的偏航制動器結構，其特征在于選擇下鉗體背面進油口處安裝壓力控制閥組，并通過進油口孔道與鉗體內的活塞缸連通；全部采用螺紋插裝閥件以縮小閥塊體積和閥組外形尺寸；閥塊底面高于下鉗體底面且無安裝閥件，避免制動器放置時閥組與臺面發生干涉或承受鉗體重力。因此，該制動器與常規偏航制動器之間具有良好的互換性。

圖3 帶壓力控制的偏航制動器Fig.3 Yaw brake with pressure control

2 帶壓力控制的偏航制動器應用

近年來，由于風機功率等級不斷增加，其偏航制動器的數量已從小功率機型的4-6 個增加至大功率機型的8-12 個，甚至更多。偏航制動器一般安裝于偏航制動盤內側，由中間管路串聯成組后經進油管和回油管與液壓站連接。將帶壓力控制的偏航制動器用于偏航液壓制動系統設計時，為實現最佳的制動效果并兼顧風機成本的經濟性，宜采用其與常規偏航制動器混合使用的方法，因此，該制動器的數量和位置設計尤為重要。下面以市場上典型的2 MW 小功率風機和8 MW 大功率風機為例，對帶壓力控制的偏航制動器的應用方法和效果進行分析與研究。

2.1 2 MW 偏航液壓制動系統設計

某2 MW 風機常規型偏航液壓制動系統如圖4 所示，1 號-5 號偏航制動器通過中間管路依次串聯，其中1 號制動器的下鉗體進油口與進油管連接，5 號制動器的上鉗體進油口與回油管連接。由于該機型偏航制動器僅有5 個，數量較少，故使用1 個帶壓力控制的偏航制動器，并將其安裝在制動器組的中間位置，這樣既可以縮短全部制動器到壓力控制閥組的距離，避免回油管路對制動系統的影響，又能實現中位兩側制動器到壓力控制閥組距離的對稱相等，減小中間管路對串聯制動器的影響，因此該設計方法對提高偏航液壓制動系統的性能效果最佳。圖5 為2 MW 改進型偏航液壓制動系統方案，其中間3 號制動器為帶壓力控制的偏航制動器，其余為常規制動器，1 號制動器與進油管連接，3 號制動器的壓力控制閥組回油口與回油管連接。

圖4 2 MW 常規型偏航液壓制動系統Fig.4 2 MW conventional yaw hydraulic braking system

圖5 2 MW 改進型偏航液壓制動系統Fig.5 2 MW improved yaw hydraulic braking system

2.2 8 MW 偏航液壓制動系統設計

當大功率風機偏航制動器數量較多時，中間管路對串聯制動器的卸壓速度及剎車動作同步性的不利影響會更加凸顯［7］，此時僅用1 個帶壓力控制的偏航制動器已無法有效提高制動系統的響應性能，因此建議每隔3-5 個常規制動器后串聯1 個帶壓力控制的偏航制動器，以保證任意位置制動器到壓力控制閥組的距離均較近，減小中間管路對制動器組的影響。以某8 MW 風機為例，該機型偏航制動器數量為12 個，其偏航液壓制動系統可使用2 個帶壓力控制的偏航制動器，具體方案如圖6 所示，其中4 號和9 號制動器為帶壓力控制的偏航制動器，其余為常規制動器，1 號制動器與進油管連接，4 號和9 號制動器的壓力控制閥組回油口與回油管連接。

圖6 8 MW 改進型偏航液壓制動系統Fig.6 8 MW improved yaw hydraulic braking system

3 偏航液壓制動系統仿真研究

3.1 仿真系統搭建

風機液壓站通常配置蓄能器作為輔助動力源以實現液壓泵的間歇運行及制動系統的長時間保壓，還配有剎車閥組以控制高速軸制動器、偏航制動器及液壓鎖銷等執行器的動作，剎車閥組中偏航制動器的控制回路原理與文中所述的壓力控制閥組原理相同或相近［12-14］。為簡化液壓站模型，僅保留蓄能器作為偏航液壓制動系統的動力源，同時忽略摩擦片在制動壓力下的變形，將偏航制動器上、下鉗體內的活塞缸分別等效為固定容腔，根據圖4 可建立2 MW 常規型偏航液壓制動仿真系統如圖7 所示。

圖7 2 MW 常規型偏航液壓制動仿真系統Fig.7 2 MW conventional yaw hydraulic braking simulation system

根據圖2 和圖5，建立帶壓力控制的偏航制動器仿真模型及應用該制動器的2 MW 改進型偏航液壓制動仿真系統如圖8 所示。下面主要對風機偏航啟動和結束時的制動過程進行仿真分析，以研究和證明帶壓力控制的偏航制動器對提高偏航液壓制動系統性能的有益效果。2 MW 偏航液壓制動仿真系統參數設置如表1 所示。

表1 2 MW 偏航液壓制動仿真系統參數Tab.1 2 MW yaw hydraulic braking simulation system parameters

圖8 2 MW 改進型偏航液壓制動仿真系統Fig.8 2 MW improved yaw hydraulic braking simulation system

3.2 2 MW 偏航液壓制動系統仿真

3.2.1 全壓制動工況

對2 MW 常規型和改進型偏航液壓制動系統進行20 ℃下風機偏航結束后由阻尼制動轉全壓制動的過程仿真，其中5 號制動器下鉗體活塞缸Q5.2 內的壓力曲線如圖9 所示，蓄能器內的壓力曲線如圖10 所示。可知：改進型偏航液壓制動系統由于使用了帶壓力控制的偏航制動器，避免了回油軟管體積膨脹及管內液壓油體積壓縮變化對蓄能器壓力和流量造成的損耗，因此偏航制動器建壓速度更快，蓄能器壓降更小，在提高了制動系統響應性能的同時還可減少液壓泵對蓄能器的補壓頻率，降低主泵電機的啟動次數。

圖9 活塞缸Q5.2 內壓力曲線Fig.9 Piston cylinder Q5.2 internal pressure curves

圖10 蓄能器內壓力曲線Fig.10 Pressure curves in accumulator

3.2.2 阻尼制動工況

對2 MW 常規型和改進型偏航液壓制動系統進行20 ℃和-20 ℃下風機偏航啟動時由全壓制動轉阻尼制動的過程仿真，其中1 號制動器上鉗體活塞缸Q1.1 內的壓力曲線如圖11 所示。可知：當機艙內溫度較低時，由于液壓油黏度隨油溫的降低而急劇增大［15］，串聯制動器組和回油管的局部壓力損失和沿程壓力損失也隨之增大，此時，常規型偏航液壓制動系統的阻尼卸壓速度較常溫下的響應性能有明顯下降；而改進型偏航液壓制動系統由于在中間位置使用了帶壓力控制的偏航制動器，既避免了回油管阻力對卸壓的影響，又減少了1 號制動器到阻尼卸壓閥之間串聯制動器和中間管路的數量，因此其低溫下的阻尼制動響應速度較常規型系統更快，性能更好。

圖11 活塞缸Q1.1 內壓力曲線Fig.11 Piston cylinder Q1.1 internal pressure curves

圖12 和圖13 為-20 ℃下，常規型和改進型系統中制動器活塞缸Q1.1、Q3.2 和Q5.2 的壓力曲線。由圖12 可知：低溫時由于制動器內部的局部阻力和中間管路的沿程阻力明顯增大，串聯制動器組中距離液壓站越遠的制動器卸壓響應越慢，因此不同位置制動器開始出現明顯的松閘動作不同步現象。由圖13可知：改進型系統由于帶壓力控制的偏航制動器在縮短了整個制動器組到阻尼卸壓閥距離的同時，還實現了其兩側制動器到壓力控制閥組距離的對稱相等，尤其減小了首末兩端制動器到阻尼卸壓閥的距離差異，因此不同位置制動器的卸壓響應速度和松閘動作較常規型系統更快更同步。該仿真結果也驗證了帶壓力控制的偏航制動器應盡量布置在制動器組中間位置的合理性。

圖12 常規型系統活塞缸內壓力曲線（-20 ℃）Fig.12 Piston cylinder pressure curves of conventional system（-20 ℃）

圖13 改進型系統活塞缸內壓力曲線（-20 ℃）Fig.13 Improved piston cylinder pressure curves（-20 ℃）

3.3 8 MW 偏航液壓制動系統仿真

根據圖6 分別建立8 MW 常規型、改進I 型和改進II 型3 種偏航液壓制動仿真系統，其中改進I 型系統使用1 個帶壓力控制的偏航制動器，且位于制動器組的中間7 號位置，改進II 型系統使用2 個帶壓力控制的偏航制動器，分別為制動器組中的4 號和9 號制動器。因篇幅有限，3 種仿真系統不再一一列出，所涉及的仿真參數調整如表2 所示。

表2 8 MW 偏航液壓制動仿真系統參數Tab.2 8 MW yaw hydraulic braking simulation system parameters

對上述3 種8 MW 偏航液壓制動系統進行-20 ℃下由全壓制動轉阻尼制動的過程仿真，其中1 號制動器上鉗體活塞缸Q1.1 內的壓力曲線如圖14 所示。可知：制動器數量越多，連接管路越長，制動系統受低溫影響越嚴重；改進型系統使用帶壓力控制的偏航制動器的數量越多，其低溫下的阻尼卸壓響應速度越快。因此，當風機偏航制器數量較多時，使用1 個帶壓力控制的偏航制動器如難以滿足制動系統低溫下的運行要求，應使用2 個甚至多個帶壓力控制的偏航制動器均勻分布串聯在制動器組中，以進一步提高制動系統的響應性能。

圖14 活塞缸Q1.1 內壓力曲線Fig.14 Piston cylinder Q1.1 internal pressure curves

4 結束語

隨著風機大型化發展，常規偏航制動器因受限于結構和功能的單一性，已逐漸不能滿足風機偏航液壓制動系統響應速度及低溫穩定性的要求，因此對其改進并設計一種帶壓力控制的偏航制動器。該制動器結構簡單，功能完善，可靈活應用于偏航液壓制動系統的設計或改造。仿真結果表明：合理地使用帶壓力控制的偏航制動器對提高制動系統的響應性能，尤其是低溫下的阻尼制動性能具有明顯的效果，同時還可降低液壓站能耗，簡化液壓站剎車閥組，為風機偏航液壓制動器和偏航液壓制動系統的優化設計提供了有益參考。