無噪音低磨損摩擦片在風力發(fā)電偏航制動器中的應用分析

楊鶴清，曾志勇，羅靜，聶鑫磊

（江西華伍制動器股份有限公司，豐城 331100）

無噪音低磨損摩擦片在風力發(fā)電偏航制動器中的應用分析

楊鶴清，曾志勇，羅靜，聶鑫磊

（江西華伍制動器股份有限公司，豐城 331100）

本文總結(jié)了中國近年來風電制動器使用的經(jīng)驗，并在保證偏航制動器安全制動的前提下，針對風電制動器存在的問題進行了技術(shù)攻關(guān)，使偏航制動器摩擦片達到了理想的優(yōu)良技術(shù)指標。由此，增韌改性樹脂基復合摩擦材料在偏航制動器偏航過程中可以做到無噪音、低磨損，基本不傷對偶。這種新材料的應用減少了風電機組停機時間，降低了設備維修率，大幅降低了風力發(fā)電運行成本。

無噪音；低磨損；摩擦片；偏航制動器；應用分析

0 引言

利用風能發(fā)電是一項取之不盡、用之不竭的經(jīng)濟新能源開發(fā)工程。我國自上世紀末起在風能發(fā)電上已取得了突飛猛進的發(fā)展。但在如何吸收國外先進風能技術(shù)，如何控制因風電機組偏航運動而產(chǎn)生的低頻抖動上，國內(nèi)若干年來卻一直舉步維艱。有人認為是偏航機構(gòu)的剛性設計或制動對偶應用上有問題[1]；也有人認為是制動器鉗體強度設計有問題等[2]。這些問題的論證一直困惑著風電工程設計技術(shù)人員。在風力發(fā)電場,我們經(jīng)?？梢月牭斤L電機組偏航時刺耳的噪聲，其分貝值可高達110dB或更高，登機后還可以看到偏航制動盤表面呈現(xiàn)魚鱗片狀疲勞磨損，傷痕深達1.5mm，如圖1所示。風電機組甚至還因低頻抖動而報警，隨之停止運行發(fā)電。

這種現(xiàn)象嚴重影響了風力發(fā)電的安全性和工作效率以及發(fā)電成本。

本文作者認為，在現(xiàn)有整體風電機組運行機構(gòu)確定后，因偏航摩擦制動所產(chǎn)生的低頻抖動發(fā)出的噪聲，基本取決于制動系統(tǒng)是否能將機構(gòu)的抖動完全吸收掉。如果能做到這一點，偏航制動所產(chǎn)生的噪聲將隨之化解。

1 風電偏航制動器結(jié)構(gòu)及工作原理

風電偏航制動器的結(jié)構(gòu)通常有兩種：一種是按主被動鉗體結(jié)構(gòu)所設計（見圖2）；一種是按雙側(cè)主動制動鉗體結(jié)構(gòu)所設計（見圖3）。但無論哪一種設計結(jié)構(gòu)，其工作原理基本一致。

自然界中風速的變化、風向的改變經(jīng)常變幻莫測，風速的較小變化都將造成風能的較大變化，由此導致風電機組的輸出功率處于不斷變化的狀態(tài)。為了最大程度地捕獲風能，利用偏航旋轉(zhuǎn)運動使槳葉正對風向。通常在風電機組上裝有數(shù)臺風電機組偏航制動器，它們工作時是在液壓站液力驅(qū)使下，上下制動鉗體同時通過摩擦片夾緊制動盤，并在制動盤上產(chǎn)生與運動方向相反的制動力矩。它的工作模式有兩種：當主機艙和槳葉需要向正迎風方向偏航運動時制動器在偏航液壓力下，制動器的摩擦片夾緊制動盤起阻尼摩擦作用；當主機艙和槳葉向正迎風方向偏航運動結(jié)束后，數(shù)臺制動器同時在錨定液壓力下鉗住制動盤，使風電機組始終在最大迎風面上工作，并以最大工作效率處于穩(wěn)定的發(fā)電狀態(tài)。錨定壓力通常是偏航壓力的幾倍。

2 風電機組偏航運動產(chǎn)生噪聲的試驗及機理分析

通常機構(gòu)在有持續(xù)激勵時的振動稱為強迫振動，按隨時間變化的規(guī)律分類，激勵又可分簡諧激勵、周期激勵和任意激勵[2]。

在運動機構(gòu)中有運動就可能有振動激勵，而因振動激勵產(chǎn)生的運動噪音是一個很復雜的問題。在實驗室里，我們發(fā)現(xiàn)偏航制動噪音是制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的問題，與所有組成制動系統(tǒng)的零部件都可能有關(guān)，如制動器的結(jié)構(gòu)設計、制動對偶材質(zhì)的選擇、試驗臺架結(jié)構(gòu)強度的設計以及摩擦片配方結(jié)構(gòu)的設計等。通過試驗，我們得到偏航制動噪聲在0—45dB的低頻噪音很難察覺， 45—65dB基本上不被認為是制動噪音，只有85—110dB甚至更高的分貝值才會讓人感到是真正的制動噪音。通過試驗，我們也得到制動噪音的產(chǎn)生是由制動壓力、偏航摩擦片溫度、偏航運行速度和系統(tǒng)機構(gòu)的剛性強度等四大因素引起的。

針對偏航制動摩擦片，根據(jù)摩擦磨損原理從微觀分析，摩擦片與制動盤之間是點與點的接觸。在偏航運動摩擦過程中，每一個微觀接觸點的摩擦都是不連續(xù)的，而是點與點之間相互交替進行的過程[3]。在這個摩擦過程中含有邊界摩擦現(xiàn)象、流體摩擦現(xiàn)象、滑動摩擦現(xiàn)象和梨溝摩擦作用現(xiàn)象等過程[4]，這種交替運動使摩擦過程中伴有微小的振動。其中，梨溝摩擦作用是最易發(fā)生振動的運動，也是發(fā)生傷盤跡象最明顯的摩擦運動。

圖1 偏航制動盤表面魚鱗片狀磨損

圖2 主被動鉗體結(jié)構(gòu)的偏航制動器

圖3 雙側(cè)主動鉗體結(jié)構(gòu)的偏航制動器

另有文獻報道低速抖動是低速運動中很復雜的現(xiàn)象，其主要原因之一在于摩擦面間的動、靜摩擦系數(shù)存在差異，不同的動靜摩擦系數(shù)差對系統(tǒng)性能的影響結(jié)果如圖4所示。從圖4可見：只有動靜摩擦系數(shù)之差為0.02時，系統(tǒng)才沒有出現(xiàn)速度為0rad/s或負速度現(xiàn)象；隨著動靜摩擦系數(shù)差的增大，系統(tǒng)來回振蕩的幅度增加。這說明此偏航系統(tǒng)對動靜摩擦系數(shù)差非常敏感，只有保證動靜摩擦系數(shù)差在合理的范圍內(nèi)才能消除低速振動現(xiàn)象。若靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)相等，則靜摩擦力矩與動摩擦力矩相等。因此，靜動摩擦系數(shù)差越大，靜摩擦力矩與動摩擦力矩差就越大，就越容易產(chǎn)生低速抖動[1]。

也就是說，如果制動系統(tǒng)能有效地吸收低速抖動，就不會引起系統(tǒng)制動噪音；反之，如果制動系統(tǒng)將低速抖動放大，甚至產(chǎn)生激勵共振，就會引發(fā)刺耳的制動噪聲。

3 摩擦材料摩擦性能及配方設計方案

由上面的分析得知，偏航制動器在進行偏航運動時所發(fā)出的制動噪聲與摩擦材料的材質(zhì)有很大關(guān)系，如果我們把它設計成既能保證制動器偏航摩擦性能又能將偏航運動所產(chǎn)生的振動降到最低點，那么制動機械系統(tǒng)也許就能夠完全吸收振動而不發(fā)出噪音，而為了達到系統(tǒng)吸音效果，制動材料就必須做成多孔摩擦材料。

本文就上述問題確定摩擦材料配方設計原則如下：

（1）偏航摩擦系數(shù)0.38—0.45，錨定摩擦系數(shù)≥0.40；

（2）摩擦材料原材料莫氏硬度≤5；

（3）摩擦材料洛氏硬度65—110HRL；

（4）摩擦材料磨損率≤0.15×10-7Nm/cm3；

圖4 靜動摩擦因數(shù)差不同時速度隨時間的變化關(guān)系

（5）配方以增韌改性酚醛樹脂為基體，石墨等為潤滑劑、礦物纖維為基體骨架，陶瓷非金屬礦物質(zhì)為填料，應用特種生產(chǎn)工藝做成復合耐磨樹脂基增韌摩擦材料。

4 現(xiàn)有偏航制動器制動性能及應用

偏航制動器制動性能及制動工況：

（1）制動時有效摩擦線速度8—16 mm/s；

（2）工作壓力0.5—16 MPa ；

（3）摩擦材料比壓0.5—12MPa ；

（4）制動溫升≤80℃ ；

（5）摩擦系數(shù)0.38—0.45；

（6）磨損率≤0.15×10-7Nm/cm3；

（7）噪音≤65dB。

通過改性后的酚醛樹脂加工出的摩擦片，在某風場1.5MW風電機組制動器上使用八個月后工作正常，厚度磨損0.10mm，這期間一直沒有出現(xiàn)偏航噪音。制動盤上有輕微磨擦痕跡詳見圖5,摩擦片略見磨損詳見圖6。

圖5 偏航制動盤表面輕微磨擦

圖6 使用八個月后的偏航摩擦片

5 摩擦材料電子鏡掃描分析

從圖7和圖8樹脂基電子鏡掃描放大圖中可明顯看到改性樹脂、纖維、石墨和改性填料分布均勻，由纖維和顆粒填料交織組成的孔隙呈現(xiàn)彌散排列；從圖9中可看出鱗片狀石墨與改性樹脂結(jié)合緊密，并附有增強填料粘合。

6 結(jié)論

增韌、改性和多孔樹脂基耐磨復合摩擦材料在偏航制動器偏航過程中可以做到無噪音、低磨損，基本不傷對偶。所以，這種新材料的應用減少了風電機組停機時間，降低了設備維修率，由此大大降低了風力發(fā)電運行成本。

圖7 摩擦材料電子鏡掃描圖

圖8 摩擦材料電子鏡掃描圖

圖9 摩擦材料電子鏡掃描圖

[1] 李曉光,趙萍.兆瓦級風電機組偏航系統(tǒng)低速抖動運動學特性[J].中南大學學報,2013,44（1）:89-94.

[2] 趙興華,董惠敏.風電制動器鉗體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析[J]. 起重運輸機械,2010(9):25-28.

[3] 全永昕,施高義. 摩擦磨損原理[M].浙江:浙江大學出版社,1988.

[4] 陳華輝,邢建東,李衛(wèi). 耐磨材料應用手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2006.

更正聲明：

本刊2013年7月刊卷首語“無限‘風光’在未來”一文第二段中，“冷啟動的時間可以從目前的10分鐘降低到4分鐘和6分鐘”一句，應改為“冷啟動的時間可以從目前的10小時降低到4至6小時”。特此更正，并向廣大讀者致歉。

Application and Analysis of No Noise and Low Wear Friction Plate in Wind Turbine Yaw Brake

Yang Heqing, Zeng Zhiyong, Luo Jing, Nie Xinlei
(Jiang Xi HuaWu Brake Co., Ltd., Fengcheng 331100, China)

This paper summarized the experience of using wind turbine brakes in China in recent years. On the promise of the safety of yaw brake, the existing technical difficult problems in wind turbine brakes are solved. The friction plate in the yaw brake can satisfy the excellent technical specification. Toughening modified resin-based composite friction material has the advantages of no noise, low wear and no harm to the dual. The application of the new material can reduce downtime of the fan and equipment maintenance, thereby greatly decreased operation cost in wind power generation.

no noise; low wear; friction plate; yaw brake; applied analysis

TM614

A

1674-9219(2013)08-0100-04

2013-05-02。

楊鶴清（1959-），男，大專，高級工程師，主要從事粉末冶金燒結(jié)摩擦材料、樹脂基摩擦材料、碳碳-碳化硅摩擦材料研究。