大型多功能風(fēng)電機組主軸制動器慣性試驗臺的研制

吳東巖，劉大欣，謝徐州，曾志勇，陳勝根

（1.空軍航空大學(xué) 軍事仿真技術(shù)研究所，長春 130022；2.吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022；3.江西華伍制動器股份有限公司，江西 豐城 331100）

主軸制動器是風(fēng)力發(fā)電（以下簡稱“風(fēng)電”）機組最重要的部件之一，其性能直接關(guān)系到風(fēng)電機組的運行安全。風(fēng)電機組安裝在高空，維修困難，所以要求各部件具有極高的可靠性。風(fēng)電機組主軸制動器必須經(jīng)過模擬實際工況的測試檢驗才能定型生產(chǎn)［1－2］。因此風(fēng)電機組主軸制動器慣性試驗臺就是最重要的測試設(shè)備之一。

2012年，6MW風(fēng)電機組已在我國風(fēng)場安裝運行。目前我國已經(jīng)成為全球風(fēng)電機組裝機容量最大的國家，同時也是風(fēng)電機組制動器部件的出口大國。而我國現(xiàn)有風(fēng)電機組主軸制動器慣性試驗臺只能完成3MW及以下機組制動器的測試，并且國際上目前也沒有大于此規(guī)格的慣性臺架［3－4］，為了滿足國內(nèi)風(fēng)機行業(yè)的急需，根據(jù)用戶的實際測試檢驗要求，作者研究出了該大型慣性試驗臺。

1 試驗臺的功能及要求

鑒于所研制的試驗臺造價較高，用戶要求在確保風(fēng)電制動器測試要求的前提下一機多用，可兼容其他制動器測試，并確定試驗臺的測試對象及功能如下。

（1）可以完成6MW及以下雙饋型和直驅(qū)型風(fēng)電機組主軸制動器測試。制動方式為慣性制動，制動器的技術(shù)參數(shù)見表1。

試驗慣量值的確定方法為:取表1中雙饋型制動功最大值3.186×107J，并取制動盤轉(zhuǎn)速值1500r／min，由下式可求出試驗臺模擬慣量值［5］:

式中:I為臺架模擬慣量值，kg·m2；W 為制動功，J；ω0為制動初角速度，rad／s；n為制動盤制動初轉(zhuǎn)速，r／min。

依此確定試驗臺最大模擬慣量為3000kg·m2。

（2）可以完成起重運輸、港口裝卸機械的高速軸和低速軸制動器測試。制動方式為慣性制動，最大制動力矩為180.5kN·m，試驗轉(zhuǎn)動慣量為40000kg·m2，試驗轉(zhuǎn)速為8～250r／min。

（3）可以完成大型船用錨絞機用水冷制動器測試。制動方式為連續(xù)拖摩制動，最大拖摩力矩為16.5kN·m，穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速為200r／min。

（4）可以完成載重卡車行車制動器測試。制動方式為慣性制動和連續(xù)拖摩，最大制動力矩為50kN·m，試驗轉(zhuǎn)動慣量為2000kg·m2，試驗轉(zhuǎn)速為50～1200r／min，連續(xù)拖摩轉(zhuǎn)速為300～500r／min，拖摩力矩為2.2kN·m。

試驗臺需要實現(xiàn)制動輪（盤）轉(zhuǎn)速、制動鉗夾緊力、制動器制動響應(yīng)時間、制動過程時間、動態(tài)制動力矩、動態(tài)制動摩擦因數(shù)、制動過程制動力、摩擦面動態(tài)溫度、靜態(tài)制動力矩等的檢測和記錄。

2 試驗臺工作原理、基本參數(shù)和總體結(jié)構(gòu)

2.1 試驗臺工作原理

由于試驗臺要求的功能以慣性制動為主，所以確定以能量守恒的原理實現(xiàn)測試功能，其原理用下式描述:

式中:W 為制動器摩擦功，J；I為風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；ω為制動盤的轉(zhuǎn)動角速度，rad／s；t為制動時間，s；Tt為制動力矩，N·m。

由此，慣性試驗臺的工作原理（見圖1）可以是以等效模擬制動功為準(zhǔn)則，用飛輪轉(zhuǎn)動慣量模擬機組主軸系慣量，保證轉(zhuǎn)速與機組主軸制動盤轉(zhuǎn)速相同，并使被測制動器的安裝和工作條件與機組安裝時相一致。

圖1 慣性試驗臺工作原理Fig.1 Working principle of inertia dynamometer

2.2 試驗臺基本參數(shù)

為了同時滿足不同測試對象及功能的要求，試驗臺應(yīng)有高速軸和低速軸兩個測試工位。高速軸試驗工位用于直驅(qū)型風(fēng)電制動器以及各類安全制動器和水冷錨絞機制動器的測試。

根據(jù)測試對象及功能要求，確定試驗臺基本參數(shù)如表2。

表2 試驗臺基本參數(shù)Table 2 The basic parameter of inertia dynamometer

2.3 試驗臺總體結(jié)構(gòu)

試驗臺的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由主驅(qū)動電機、慣量飛輪組、高速試驗工位和低速試驗工位4大部分組成。試驗臺主要用于完成雙饋（或半直驅(qū)）風(fēng)電制動器測試，同時兼顧起重運輸機械大力矩盤式制動器、塊式制動器、卡車行車制動器的測試。

圖2 慣性試驗臺總體結(jié)構(gòu)Fig.2 General structure of inertia dynamometer

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 主驅(qū)動電機功率選擇

風(fēng)電制動器試驗臺不存在連續(xù)拖磨的工況，所以高速工位測試所需電機功率的選擇主要取決于慣性系統(tǒng)的升速時間要求。風(fēng)電制動器與車輛制動器不同，相鄰兩次制動時間間隔很長，所以慣性系統(tǒng)的升速時間可以長些，主要考慮試驗周期要求即可。

首先給出慣量升速力矩Tl的表達式:

式中:ε為慣量角加速度，rad／s2；n0為慣量制動初轉(zhuǎn)速，r／min；t為慣量升速時間，s。

求出慣量3000kg·m2，用180s從0升速到1500r／min所需驅(qū)動力矩為Tl＝2610N·m。以此可選擇電機的額定力矩?？紤]到試驗臺驅(qū)動電機屬斷續(xù)工作，允許短時過載運行，為盡量減小電機額定功率，取短時過載電流為額定電流的1.3倍，則電機額定力矩Te為

現(xiàn)選擇交流電機功率為315kW，額定轉(zhuǎn)速為1500r／min，由式:

可求出驅(qū)動力矩為2005N·m，此電機滿足升速要求。

對于低速試驗工位，按錨絞機連續(xù)拖摩制動方式，額定轉(zhuǎn)速為240r／min，制動力矩為6.5kN·m，求出電機功率應(yīng)為345.5kW。由此最終確定電機功率為355kW。

3.2 慣性飛輪直徑確定與強度校核

參考現(xiàn)有試驗臺飛輪速度，一般不超過120m／s。為此把總慣量3000kg·m2的飛輪分為兩組:大飛輪組慣量為1500kg·m2，許用轉(zhuǎn)速為1500r／min，小飛輪組慣量為1500kg·m2，許用轉(zhuǎn)速為2000 r／min。按最高線速度120m／s，求出兩組飛輪直徑并加以圓整后分別為1500mm和1150mm。

為確保飛輪安全，材料選為40Cr，并按鍛造→粗加工→探傷→調(diào)質(zhì)→精加工的工藝過程進行加工。同時選擇其中1件大飛輪（如圖3所示），按1.25倍額定轉(zhuǎn)速（即1800r／min）進行有限元分析和強度計算［6－7］。采用Inventor軟件求出的Mises應(yīng)力和位移如圖4所示。鍵槽應(yīng)力集中處的最大Mises等效應(yīng)力為278.3MPa，而40Cr調(diào)質(zhì)處理后其強度極限值為540MPa，則飛輪的安全系數(shù)為1.94，滿足安全要求［8］。

圖3 大飛輪零件圖Fig.3 Sketch map of large flywheel parts

圖4 1800r／min時大飛輪的仿真分析Fig.4 Simulation analysis of large flywheel in 1800r／min

3.3 制動力矩測量方法

在慣量一定的條件下，制動力矩與減速度成正比，因此可用測量減速度的方法間接測量制動力矩，即:

考慮到風(fēng)電機組制動時間只有幾秒到十幾秒，無論數(shù)據(jù)采集和計算都不如直接用扭矩傳感器測量方便，故本臺架采用一臺80kN·m的扭矩傳感器裝于制動盤與主軸之間，見圖5。

圖5 扭矩傳感器安裝結(jié)構(gòu)Fig.5 Assembly structure torque sensor

3.4 被測試制動器安裝平臺

為了便于安裝各種不同尺寸的被測試制動器，本臺架設(shè)計了一種二維工作臺（見圖6）。工作臺可以升降，也可以沿軸向平移。升降動作由4個聯(lián)動的螺旋升降器完成。平移則用二根同步絲杠來實現(xiàn)。制動產(chǎn)生的側(cè)向力由工作臺兩側(cè)的導(dǎo)向滑道來承擔(dān)。工作臺的升降和平移可以電動或手動實現(xiàn)。

圖6 升降工作臺結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of lift tables

3.5 飛輪組的慣量分配

由表1的制動功可計算出飛輪級差。取雙饋型和直驅(qū)型兩個制動功3.186×107J和3.312×107J，兩者差0.126×107J，以此求出當(dāng)制動盤轉(zhuǎn)速為1500r／min時，慣量級差≤102kg·m2就可以滿足風(fēng)電主軸制動器測試要求。但考慮到本試驗臺可兼顧載重卡車和其他制動器的測試，故取級差為

臺架的飛輪組慣量（單位均為kg·m2）分配為:I0＝60（基礎(chǔ)慣量Imin）；I1＝40；I2＝80；

3.6 低速試驗工位

為滿足直驅(qū)式風(fēng)電和錨絞機等制動器低轉(zhuǎn)速大制動力矩的測試要求，試驗臺尾部增加一個二級減速箱。第一級減速比為i＝4。由于慣量主軸許用力矩為80kN·m，則減速箱輸出軸許用力矩為200kN·m?？赡M的制動慣量最大值I′max為

可以完成直驅(qū)式風(fēng)電機組制動器測試。

第二級傳動比為i＝2。兩級總傳動比i＝8。許用力矩為16.5kN·m?？赡M的制動慣量最大值I′max為

可以滿足錨絞機水冷制動器的測試要求。

試驗臺高速試驗工位與低速試驗工位通過試驗心軸聯(lián)接。動力傳遞采用齒套式離合器。結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 高、低速試驗工位的動力傳遞與減速箱Fig.7 Power transmission under high and low speeds test condition and reduction gearbox

3.7 載重卡車行車制動器的安裝方法

在高速試驗工位的試件安裝平臺上，可安裝專用的支架用于滿足載重卡車制動器的安裝和測試。結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3.8 飛輪的拆裝機構(gòu)

由于試驗臺飛輪較重，最大飛輪質(zhì)量達1800 kg，試驗臺專門設(shè)計了飛輪的液壓拆裝裝置，如圖9所示。在飛輪外緣兩側(cè)設(shè)有固定支座，支座由同步油缸推動沿水平方向移動。當(dāng)需要拆裝的飛輪與支座固定后，就可以在油缸的推動下實現(xiàn)水平移動。

3.9 試驗臺的電控原理

試驗臺的電控原理如圖10所示。

圖8 試件安裝平臺上安裝專用的支架Fig.8 Install dedicated support in specimen installation platform

圖9 飛輪的拆裝機構(gòu)Fig.9 Disassembly and assembly mechanism of flywheel

圖10 試驗臺電控原理圖Fig.10 Schematic diagram of test bed electric control

4 試驗臺的性能驗證

本試驗臺已于2012年8月交付用戶使用。圖11是試驗臺現(xiàn)場安裝外觀圖。該試驗臺先后完成了德國西門子（上海）委托的SBD130－E01和SBD55－F03兩種型號制動器的測試。

圖11 試驗臺現(xiàn)場安裝外觀圖Fig.11 Test bed on site installation

測試內(nèi)容包括常規(guī)制動性能、制動襯片熱衰退性能和嚴(yán)苛破壞性制動三種測試。圖12～圖14是三種測試的典型數(shù)據(jù)記錄曲線。三種測試試驗結(jié)果如表3所示。測試結(jié)果證明該試驗臺完全實現(xiàn)了風(fēng)電制動器測試功能要求。

圖12 常規(guī)制動性能曲線Fig.12 Conventional braking performance curve

圖13 襯片熱衰退性能曲線Fig.13 Brake linings heat fade performance curve

圖14 嚴(yán)苛工況破壞性制動性能曲線Fig.14 Harsh conditions destructive brake performance curve

表3 三種試驗結(jié)果數(shù)據(jù)Table 3 Testing data of three kind of experiments

5 結(jié) 論

（1）6MW大型風(fēng)電機組主軸制動器慣性試驗臺的研制成功，解決了我國大型風(fēng)電機組配套制動器測試的急需，為風(fēng)電機組配套制動器可靠性提供了重要驗證手段。同時該試驗臺能兼顧多種類型制動器的測試，尚屬首創(chuàng)。

（2）與現(xiàn)有同類試驗臺相比，本試驗臺具有高、低速慣性飛輪組合和高、低速兩個試驗工位，以及可垂直和水平調(diào)整的工作臺等新型結(jié)構(gòu)，同時滿足了多種不同類型制動器的測試需要。

（3）經(jīng)實際測試證明，本試驗臺結(jié)構(gòu)合理，測試性能完善，操作簡便，數(shù)據(jù)可靠，得到了用戶的肯定。

在成功完成大型風(fēng)電制動器測試的基礎(chǔ)上，用戶正在開展其他品種制動器的測試，以求最大限度地開發(fā)設(shè)備的潛能。

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