肖旺，趙登利，李肖霞

（中車山東風(fēng)電有限公司，山東濟(jì)南 250022）

0 前言

在國家致力于實(shí)現(xiàn)碳中和與碳達(dá)峰的“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)背景下，風(fēng)電作為新能源板塊的重要組成部分也迎來了大規(guī)模高質(zhì)量的快速發(fā)展［1-3］。目前，我國風(fēng)電項(xiàng)目已廣泛分布于“三北” 大基地區(qū)域，多數(shù)風(fēng)場冬季天氣寒冷，環(huán)境惡劣，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行和生存都面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)［4-5］。

偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)機(jī)艙位置保持、偏航對(duì)風(fēng)和解纜動(dòng)作正常運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)，其響應(yīng)性能和穩(wěn)定性直接影響機(jī)組的運(yùn)行與安全。風(fēng)機(jī)偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)主要由液壓站、偏航制動(dòng)器和連接管路組成，為優(yōu)化其設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)［6-7］分別對(duì)常溫和低溫環(huán)境下影響偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析與研究，并給出了針對(duì)液壓站、連接管路和摩擦片等部件的相關(guān)設(shè)計(jì)建議。本文作者以偏航制動(dòng)器為研究對(duì)象，通過對(duì)其增加壓力控制功能的改進(jìn)設(shè)計(jì)，有效降低了管路長度、制動(dòng)器數(shù)量和機(jī)艙溫度等因素對(duì)偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響，并對(duì)該帶壓力控制的偏航制動(dòng)器用于偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的主要方法和有益效果進(jìn)行了理論分析與仿真驗(yàn)證，為進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)機(jī)偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)提供了新方案。

1 帶壓力控制的偏航制動(dòng)器設(shè)計(jì)

1.1 原理設(shè)計(jì)

常規(guī)偏航制動(dòng)器主要由上鉗體、下鉗體、摩擦片和連接管路等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。上鉗體和下鉗體內(nèi)部各有2～3 個(gè)串聯(lián)活塞缸，并由鉗體背部的管路上下連通。通過進(jìn)油口對(duì)偏航制動(dòng)器施加不同的液壓力，活塞缸產(chǎn)生相應(yīng)的推力使摩擦片夾緊制動(dòng)盤產(chǎn)生制動(dòng)力［8-9］。

圖1 偏航制動(dòng)器Fig.1 Yaw brake

偏航制動(dòng)器有全壓制動(dòng)、阻尼偏航和零壓解纜3種工作狀態(tài)，并由液壓站控制其不同動(dòng)作的切換［10-11］。為滿足上述制動(dòng)要求，對(duì)常規(guī)偏航制動(dòng)器增加帶壓力控制的改進(jìn)設(shè)計(jì)，即在下鉗體活塞缸進(jìn)油口處增加可實(shí)現(xiàn)全壓制動(dòng)、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(dòng)器原理Fig.2 Principle of yaw brake with pressure control

（1）全壓制動(dòng)時(shí)，電磁閥2.1 和2.2 均不得電，制動(dòng)器上鉗體內(nèi)活塞缸1.1 和下鉗體內(nèi)活塞缸1.2 形成封閉容腔，壓力油從進(jìn)油口5.1 或5.4 進(jìn)入活塞缸形成高壓狀態(tài)，活塞壓緊摩擦片9.1 和9.2 抱死制動(dòng)盤8。

（2）阻尼偏航時(shí)，電磁閥2.2 得電，制動(dòng)器內(nèi)的高壓油經(jīng)溢流閥3 卸荷至設(shè)定的阻尼背壓值，制動(dòng)器半壓松閘。

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

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

帶壓力控制的偏航制動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于壓力控制閥組的設(shè)計(jì)，應(yīng)注意以下3 點(diǎn)：（1）閥組盡可能小，其外形不影響制動(dòng)器的放置與安裝；（2）油口的大小和方位與常規(guī)偏航制動(dòng)器保持一致，以便于管路連接；（3）閥件位置易于手動(dòng)操作和維護(hù)，即使閥組發(fā)生漏油也不會(huì)對(duì)摩擦片和制動(dòng)盤造成污染。

圖3 為本文作者設(shè)計(jì)的一種帶壓力控制的偏航制動(dòng)器結(jié)構(gòu)，其特征在于選擇下鉗體背面進(jìn)油口處安裝壓力控制閥組，并通過進(jìn)油口孔道與鉗體內(nèi)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(dòng)器放置時(shí)閥組與臺(tái)面發(fā)生干涉或承受鉗體重力。因此，該制動(dòng)器與常規(guī)偏航制動(dòng)器之間具有良好的互換性。

圖3 帶壓力控制的偏航制動(dòng)器Fig.3 Yaw brake with pressure control

2 帶壓力控制的偏航制動(dòng)器應(yīng)用

近年來，由于風(fēng)機(jī)功率等級(jí)不斷增加，其偏航制動(dòng)器的數(shù)量已從小功率機(jī)型的4-6 個(gè)增加至大功率機(jī)型的8-12 個(gè)，甚至更多。偏航制動(dòng)器一般安裝于偏航制動(dòng)盤內(nèi)側(cè)，由中間管路串聯(lián)成組后經(jīng)進(jìn)油管和回油管與液壓站連接。將帶壓力控制的偏航制動(dòng)器用于偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)最佳的制動(dòng)效果并兼顧風(fēng)機(jī)成本的經(jīng)濟(jì)性，宜采用其與常規(guī)偏航制動(dòng)器混合使用的方法，因此，該制動(dòng)器的數(shù)量和位置設(shè)計(jì)尤為重要。下面以市場上典型的2 MW 小功率風(fēng)機(jī)和8 MW 大功率風(fēng)機(jī)為例，對(duì)帶壓力控制的偏航制動(dòng)器的應(yīng)用方法和效果進(jìn)行分析與研究。

2.1 2 MW 偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

某2 MW 風(fēng)機(jī)常規(guī)型偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)如圖4 所示，1 號(hào)-5 號(hào)偏航制動(dòng)器通過中間管路依次串聯(lián)，其中1 號(hào)制動(dòng)器的下鉗體進(jìn)油口與進(jìn)油管連接，5 號(hào)制動(dòng)器的上鉗體進(jìn)油口與回油管連接。由于該機(jī)型偏航制動(dòng)器僅有5 個(gè)，數(shù)量較少，故使用1 個(gè)帶壓力控制的偏航制動(dòng)器，并將其安裝在制動(dòng)器組的中間位置，這樣既可以縮短全部制動(dòng)器到壓力控制閥組的距離，避免回油管路對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的影響，又能實(shí)現(xiàn)中位兩側(cè)制動(dòng)器到壓力控制閥組距離的對(duì)稱相等，減小中間管路對(duì)串聯(lián)制動(dòng)器的影響，因此該設(shè)計(jì)方法對(duì)提高偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)的性能效果最佳。圖5 為2 MW 改進(jìn)型偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)方案，其中間3 號(hào)制動(dòng)器為帶壓力控制的偏航制動(dòng)器，其余為常規(guī)制動(dòng)器，1 號(hào)制動(dòng)器與進(jìn)油管連接，3 號(hào)制動(dòng)器的壓力控制閥組回油口與回油管連接。

圖4 2 MW 常規(guī)型偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)Fig.4 2 MW conventional yaw hydraulic braking system

圖5 2 MW 改進(jìn)型偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)Fig.5 2 MW improved yaw hydraulic braking system

2.2 8 MW 偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)大功率風(fēng)機(jī)偏航制動(dòng)器數(shù)量較多時(shí)，中間管路對(duì)串聯(lián)制動(dòng)器的卸壓速度及剎車動(dòng)作同步性的不利影響會(huì)更加凸顯［7］，此時(shí)僅用1 個(gè)帶壓力控制的偏航制動(dòng)器已無法有效提高制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)性能，因此建議每隔3-5 個(gè)常規(guī)制動(dòng)器后串聯(lián)1 個(gè)帶壓力控制的偏航制動(dòng)器，以保證任意位置制動(dòng)器到壓力控制閥組的距離均較近，減小中間管路對(duì)制動(dòng)器組的影響。以某8 MW 風(fēng)機(jī)為例，該機(jī)型偏航制動(dòng)器數(shù)量為12 個(gè)，其偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)可使用2 個(gè)帶壓力控制的偏航制動(dòng)器，具體方案如圖6 所示，其中4 號(hào)和9 號(hào)制動(dòng)器為帶壓力控制的偏航制動(dòng)器，其余為常規(guī)制動(dòng)器，1 號(hào)制動(dòng)器與進(jìn)油管連接，4 號(hào)和9 號(hào)制動(dòng)器的壓力控制閥組回油口與回油管連接。

圖6 8 MW 改進(jìn)型偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)Fig.6 8 MW improved yaw hydraulic braking system

3 偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)仿真研究

3.1 仿真系統(tǒng)搭建

風(fēng)機(jī)液壓站通常配置蓄能器作為輔助動(dòng)力源以實(shí)現(xiàn)液壓泵的間歇運(yùn)行及制動(dòng)系統(tǒng)的長時(shí)間保壓，還配有剎車閥組以控制高速軸制動(dòng)器、偏航制動(dòng)器及液壓鎖銷等執(zhí)行器的動(dòng)作，剎車閥組中偏航制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源，同時(shí)忽略摩擦片在制動(dòng)壓力下的變形，將偏航制動(dòng)器上、下鉗體內(nèi)的活塞缸分別等效為固定容腔，根據(jù)圖4 可建立2 MW 常規(guī)型偏航液壓制動(dòng)仿真系統(tǒng)如圖7 所示。

圖7 2 MW 常規(guī)型偏航液壓制動(dòng)仿真系統(tǒng)Fig.7 2 MW conventional yaw hydraulic braking simulation system

根據(jù)圖2 和圖5，建立帶壓力控制的偏航制動(dòng)器仿真模型及應(yīng)用該制動(dòng)器的2 MW 改進(jìn)型偏航液壓制動(dòng)仿真系統(tǒng)如圖8 所示。下面主要對(duì)風(fēng)機(jī)偏航啟動(dòng)和結(jié)束時(shí)的制動(dòng)過程進(jìn)行仿真分析，以研究和證明帶壓力控制的偏航制動(dòng)器對(duì)提高偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)性能的有益效果。2 MW 偏航液壓制動(dòng)仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 2 MW 偏航液壓制動(dòng)仿真系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 2 MW yaw hydraulic braking simulation system parameters

圖8 2 MW 改進(jìn)型偏航液壓制動(dòng)仿真系統(tǒng)Fig.8 2 MW improved yaw hydraulic braking simulation system

3.2 2 MW 偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)仿真

3.2.1 全壓制動(dòng)工況

對(duì)2 MW 常規(guī)型和改進(jìn)型偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行20 ℃下風(fēng)機(jī)偏航結(jié)束后由阻尼制動(dòng)轉(zhuǎn)全壓制動(dòng)的過程仿真，其中5 號(hào)制動(dòng)器下鉗體活塞缸Q5.2 內(nèi)的壓力曲線如圖9 所示，蓄能器內(nèi)的壓力曲線如圖10 所示?？芍焊倪M(jìn)型偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)由于使用了帶壓力控制的偏航制動(dòng)器，避免了回油軟管體積膨脹及管內(nèi)液壓油體積壓縮變化對(duì)蓄能器壓力和流量造成的損耗，因此偏航制動(dòng)器建壓速度更快，蓄能器壓降更小，在提高了制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)性能的同時(shí)還可減少液壓泵對(duì)蓄能器的補(bǔ)壓頻率，降低主泵電機(jī)的啟動(dòng)次數(shù)。

圖9 活塞缸Q5.2 內(nèi)壓力曲線Fig.9 Piston cylinder Q5.2 internal pressure curves

圖10 蓄能器內(nèi)壓力曲線Fig.10 Pressure curves in accumulator

3.2.2 阻尼制動(dòng)工況

對(duì)2 MW 常規(guī)型和改進(jìn)型偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行20 ℃和-20 ℃下風(fēng)機(jī)偏航啟動(dòng)時(shí)由全壓制動(dòng)轉(zhuǎn)阻尼制動(dòng)的過程仿真，其中1 號(hào)制動(dòng)器上鉗體活塞缸Q1.1 內(nèi)的壓力曲線如圖11 所示?？芍寒?dāng)機(jī)艙內(nèi)溫度較低時(shí)，由于液壓油黏度隨油溫的降低而急劇增大［15］，串聯(lián)制動(dòng)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(shí)，常規(guī)型偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)的阻尼卸壓速度較常溫下的響應(yīng)性能有明顯下降；而改進(jìn)型偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)由于在中間位置使用了帶壓力控制的偏航制動(dòng)器，既避免了回油管阻力對(duì)卸壓的影響，又減少了1 號(hào)制動(dòng)器到阻尼卸壓閥之間串聯(lián)制動(dòng)器和中間管路的數(shù)量，因此其低溫下的阻尼制動(dòng)響應(yīng)速度較常規(guī)型系統(tǒng)更快，性能更好。

圖11 活塞缸Q1.1 內(nèi)壓力曲線Fig.11 Piston cylinder Q1.1 internal pressure curves

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

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

圖13 改進(jìn)型系統(tǒng)活塞缸內(nèi)壓力曲線（-20 ℃）Fig.13 Improved piston cylinder pressure curves（-20 ℃）

3.3 8 MW 偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)仿真

根據(jù)圖6 分別建立8 MW 常規(guī)型、改進(jìn)I 型和改進(jìn)II 型3 種偏航液壓制動(dòng)仿真系統(tǒng)，其中改進(jìn)I 型系統(tǒng)使用1 個(gè)帶壓力控制的偏航制動(dòng)器，且位于制動(dòng)器組的中間7 號(hào)位置，改進(jìn)II 型系統(tǒng)使用2 個(gè)帶壓力控制的偏航制動(dòng)器，分別為制動(dòng)器組中的4 號(hào)和9 號(hào)制動(dòng)器。因篇幅有限，3 種仿真系統(tǒng)不再一一列出，所涉及的仿真參數(shù)調(diào)整如表2 所示。

表2 8 MW 偏航液壓制動(dòng)仿真系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 8 MW yaw hydraulic braking simulation system parameters

對(duì)上述3 種8 MW 偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行-20 ℃下由全壓制動(dòng)轉(zhuǎn)阻尼制動(dòng)的過程仿真，其中1 號(hào)制動(dòng)器上鉗體活塞缸Q1.1 內(nèi)的壓力曲線如圖14 所示?？芍褐苿?dòng)器數(shù)量越多，連接管路越長，制動(dòng)系統(tǒng)受低溫影響越嚴(yán)重；改進(jìn)型系統(tǒng)使用帶壓力控制的偏航制動(dòng)器的數(shù)量越多，其低溫下的阻尼卸壓響應(yīng)速度越快。因此，當(dāng)風(fēng)機(jī)偏航制器數(shù)量較多時(shí)，使用1 個(gè)帶壓力控制的偏航制動(dòng)器如難以滿足制動(dòng)系統(tǒng)低溫下的運(yùn)行要求，應(yīng)使用2 個(gè)甚至多個(gè)帶壓力控制的偏航制動(dòng)器均勻分布串聯(lián)在制動(dòng)器組中，以進(jìn)一步提高制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)性能。

圖14 活塞缸Q1.1 內(nèi)壓力曲線Fig.14 Piston cylinder Q1.1 internal pressure curves

4 結(jié)束語

隨著風(fēng)機(jī)大型化發(fā)展，常規(guī)偏航制動(dòng)器因受限于結(jié)構(gòu)和功能的單一性，已逐漸不能滿足風(fēng)機(jī)偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)速度及低溫穩(wěn)定性的要求，因此對(duì)其改進(jìn)并設(shè)計(jì)一種帶壓力控制的偏航制動(dòng)器。該制動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡單，功能完善，可靈活應(yīng)用于偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或改造。仿真結(jié)果表明：合理地使用帶壓力控制的偏航制動(dòng)器對(duì)提高制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)性能，尤其是低溫下的阻尼制動(dòng)性能具有明顯的效果，同時(shí)還可降低液壓站能耗，簡化液壓站剎車閥組，為風(fēng)機(jī)偏航液壓制動(dòng)器和偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有益參考。