變槳距風(fēng)電機(jī)組被動(dòng)式制動(dòng)液壓系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)化

劉景陽(yáng) 李明亮 楊海峰

許昌許繼風(fēng)電科技有限公司 461000

2.0MW風(fēng)機(jī)制動(dòng)器為被動(dòng)式液壓剎車。剎車鉗的作用是在發(fā)現(xiàn)緊急狀況和維護(hù)的情況下使機(jī)組全面停機(jī)。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，液壓站的液壓力克服剎車鉗彈簧力，將半鉗張開；需要緊急制動(dòng)時(shí)，手動(dòng)或通過(guò)電信號(hào)切換液壓站的電磁閥，切斷液壓油路，依靠剎車鉗彈簧力將制動(dòng)盤抱死而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

1 制動(dòng)器動(dòng)作機(jī)理

圖1為原設(shè)計(jì)的液壓站原理圖，圖示初始位置為制動(dòng)器蓄能器泄壓狀態(tài)，即剎車狀態(tài)。電磁閥Y1斷開，閥Y2接通，蓄能器中的液壓油直接由閥Y2經(jīng)節(jié)流閥18緩慢流回油箱，壓力表15慢慢減小直至完全泄壓。設(shè)置節(jié)流閥18的目的就在于使制動(dòng)過(guò)程緩慢進(jìn)行，以防止粗暴制動(dòng)帶來(lái)的摩擦溫升和大的機(jī)械沖擊。

圖1 原設(shè)計(jì)的液壓站原理圖

壓力開關(guān)S1為制動(dòng)器狀態(tài)顯示開關(guān)，如蓄能器壓力低于設(shè)定值48±5bar，則顯示制動(dòng)器on,如蓄能器壓力高于設(shè)定值，則顯示制動(dòng)器off。

風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，需要將閥Y1接通，閥Y2斷開，壓力表15迅速達(dá)到與壓力表21相同的壓力，即系統(tǒng)為制動(dòng)器蓄能器充壓，同時(shí)液壓油進(jìn)入制動(dòng)缸，克服制動(dòng)器碟形彈簧彈力，主、被動(dòng)制動(dòng)摩擦片與制動(dòng)盤表面各產(chǎn)生1.35mm左右的制動(dòng)間隙，制動(dòng)盤可以自由旋轉(zhuǎn)，這就是被動(dòng)式制動(dòng)器和液壓系統(tǒng)的動(dòng)作機(jī)理。

電磁閥Y1、Y2永遠(yuǎn)處于相反的通斷位置，在液壓站上，操作手柄被設(shè)計(jì)成雙聯(lián)式，不致產(chǎn)生誤動(dòng)作。

用手動(dòng)泵也可短暫地為制動(dòng)器或蓄能器充壓，操作時(shí)一邊打壓，同時(shí)用手提起雙聯(lián)閥手柄，即手動(dòng)讓閥Y1接通，閥Y2斷開，壓力油即可進(jìn)入制動(dòng)器缸。當(dāng)壓力超過(guò)48bar時(shí)，即可克服彈簧力，將制動(dòng)器張開。當(dāng)把雙聯(lián)閥手柄放下時(shí)，閥Y1斷開，閥Y2接通，制動(dòng)器因失壓而制動(dòng)。

圖2 改造后的液壓站原理圖

2 液壓站改造

由于制動(dòng)器的工作壓力只有45bar，而在原設(shè)計(jì)中，制動(dòng)器控制回路是直接與液壓站的主回路聯(lián)通的，制動(dòng)器壓力在55bar到150bar這個(gè)范圍中變化，導(dǎo)致制動(dòng)器中蝶形彈簧的受力隨系統(tǒng)壓力的變化而變化。風(fēng)輪剎車的延遲與斜坡時(shí)間僅通過(guò)節(jié)流閥18可能不能實(shí)現(xiàn)，為防止這一問(wèn)題的出現(xiàn)可在剎車回路添加一個(gè)減壓閥。止回閥與減壓閥組合可以保持制動(dòng)器的工作壓力為55bar，保證延遲與斜坡時(shí)間的實(shí)現(xiàn)。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制動(dòng)器的數(shù)學(xué)建模

被動(dòng)式液壓剎車具有巨大的制動(dòng)力矩儲(chǔ)備功能和較高的可靠性，而工藝特性運(yùn)用的好壞則主要體現(xiàn)在制動(dòng)作業(yè)的安全性上。對(duì)被動(dòng)式液壓剎車的建模分析主要是對(duì)剎車鉗的工藝特性進(jìn)行分析，被動(dòng)式液壓剎車的工藝特性包括響應(yīng)特性和微調(diào)特性兩個(gè)指標(biāo)。響應(yīng)特性是指制動(dòng)器操作的反映速度，而微調(diào)特性是指閥控制制動(dòng)壓力產(chǎn)生微小變化的能力。

建模過(guò)程中，忽略管路的沿程壓力損失和局部壓力損失，忽略制動(dòng)閥開啟時(shí)液壓油的瞬時(shí)沖擊與泄漏，忽略制動(dòng)油管、制動(dòng)液缸體彈性變形。

被動(dòng)式液壓制動(dòng)器的工作過(guò)程是典型的閥控單作用缸的模型，對(duì)進(jìn)入(流出為負(fù))制動(dòng)器的制動(dòng)液缸的流量Q進(jìn)行分析有

式中Ap——活塞有效面積，m2；

xp——活塞移動(dòng)距離，m；

Vo——制動(dòng)液壓缸的初始體積，m3；

β——液體彈性模量，MPa。

當(dāng)制動(dòng)器打開時(shí)，摩擦塊與制動(dòng)盤的間隙增大，液壓缸的蝶形彈簧抵住活塞，形成一個(gè)不變的密閉高壓容積，在此平衡時(shí)刻，活塞的位移、加速度以及速度均可假設(shè)為0。在封閉的液缸容積中，隨著活塞的運(yùn)動(dòng)，設(shè)V=Apxp+Vo，假設(shè)溫度不變，則式(1)制動(dòng)器液壓缸的工作流量可簡(jiǎn)化為：

進(jìn)入或者流出液缸的流量等于流過(guò)比例閥的流量，對(duì)于壓力調(diào)節(jié)閥，無(wú)論是手動(dòng)閥還是電磁閥，均滿足以下流量方程

式中C——閥門流量系數(shù)；

A——閥門流通面積，m2；

Δp——節(jié)流口壓差，pa；

m——節(jié)流指數(shù)，m=0.5～1.0，與節(jié)流口兩端的壓力差、過(guò)流面積及節(jié)流口形式有關(guān)系。

3.1 響應(yīng)特性分析

設(shè)制動(dòng)器液壓缸的壓力控制閥在工作點(diǎn)A=At，制動(dòng)壓力為 Pt，對(duì)式(3)的閥工作點(diǎn)(At，Pt)進(jìn)行線性化。

式中Kq——流量增益系數(shù)；

Kt——壓力流量系數(shù)；

Δpt——節(jié)流口壓差，約等于主路壓力和制動(dòng)液缸壓力之差，Pa。

由式(4)可得制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)過(guò)程的傳遞函數(shù)

從該模型可以發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)器具有慣性環(huán)節(jié)的頻響特性，時(shí)間常數(shù)t=V/(Ktβ)，它與制動(dòng)缸和高壓油路總?cè)莘e成正比，其增益則等于閥的壓力增益Kp=Kq/Kt。增壓過(guò)程和減壓過(guò)程的Δp不同，可以得到在兩種狀態(tài)時(shí)制動(dòng)壓力響應(yīng)的截止頻率ωt的表達(dá)

式中Pm——主路壓力，Pa；Pb——制動(dòng)器蝶形彈簧壓力，Pa。

可見(jiàn)，在調(diào)壓過(guò)程中，制動(dòng)壓力在增壓時(shí)的響應(yīng)頻率是減壓時(shí)的（pm/pb-1）m倍，這種響應(yīng)頻率的差異在制動(dòng)壓力較低時(shí)更為明顯。由于系統(tǒng)的響應(yīng)頻率是由最低響應(yīng)頻率的環(huán)節(jié)所定，因此，剎車的響應(yīng)頻率取決于下降調(diào)壓的響應(yīng)頻率。經(jīng)過(guò)改造后的制動(dòng)器液壓缸壓力始終保持pm=55bar，這樣系統(tǒng)下降調(diào)壓的響應(yīng)頻率保持不變，不會(huì)出現(xiàn)原系統(tǒng)中出現(xiàn)的非線性變化，系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高。

3.2 微調(diào)特性分析

被動(dòng)式剎車的液壓制動(dòng)缸為單作用柱塞缸，當(dāng)流量流入時(shí)，動(dòng)力源提供液體壓力能，節(jié)流口壓差為比例閥的液壓進(jìn)口主路壓力pm與彈簧壓力pb之差；而當(dāng)流量流出時(shí)，它通過(guò)制動(dòng)液缸內(nèi)彈簧壓力實(shí)現(xiàn)，所以，此時(shí)的壓差就是彈簧壓力pb。由此，聯(lián)合式(2)、式(3)，得到制動(dòng)器壓力變化的模型

從式(7)可以看出，彈簧壓力具有強(qiáng)烈的非線性，即使閥口的面積不變，當(dāng)壓力從增大到減小相互轉(zhuǎn)化時(shí)，制動(dòng)壓力的速率也會(huì)發(fā)生突變，當(dāng)制動(dòng)壓力Pb比較低時(shí)，壓力調(diào)節(jié)的變化尤為劇烈。從上述被動(dòng)式啟動(dòng)器的模型分析可以看出，當(dāng)盤式剎車的機(jī)械結(jié)構(gòu)確定，剎車副之間跑合達(dá)到均勻磨損狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)鉗的微調(diào)特性主要取決于液壓缸的壓力加載梯度。經(jīng)過(guò)改造后制動(dòng)器的工作壓力能夠保持穩(wěn)定，因此大大提高了制動(dòng)器的微調(diào)特性。

4 總結(jié)

改進(jìn)后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制動(dòng)回路在加減壓過(guò)程中，動(dòng)作較為平緩、穩(wěn)定，不會(huì)有瞬間的高壓，有利于對(duì)制動(dòng)器的保護(hù)，并大大提高了風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的安全系數(shù)。經(jīng)過(guò)改進(jìn)液壓站，最大限度滿足了風(fēng)場(chǎng)對(duì)風(fēng)機(jī)安全性能的需求，其設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)中所采取的提高風(fēng)機(jī)安全性的措施、相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取等對(duì)于今后風(fēng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造有一定的借鑒作用。

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