偏航制動器摩擦片工作壽命預(yù)估方法探討

（國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司，北京 100039）

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針對風(fēng)電機(jī)組中偏航系統(tǒng)采用的盤式制動器的維護(hù)問題，本文通過介紹制動器摩擦片工作壽命的理論計算方法與磨損試驗預(yù)估方法，并結(jié)合制動器磨損試驗數(shù)據(jù)，對兩者兩種方法進(jìn)行對比，總結(jié)出更貼近風(fēng)電機(jī)組偏航工況的計算方法，從而為偏航制動器的現(xiàn)場維護(hù)工作提供參考，有效避免偏航剎車盤損傷事故的發(fā)生。

風(fēng)電機(jī)組；摩擦片；工作壽命；磨損

0 引言

采用齒輪驅(qū)動的偏航系統(tǒng)時，為避免振蕩的風(fēng)向變化，引起偏航輪齒產(chǎn)生交變載荷，應(yīng)采用偏航制動器（或稱偏航阻尼器）來吸收微小自由偏轉(zhuǎn)振蕩，防止偏航齒輪的交變應(yīng)力引起輪齒過早損傷，此即偏航制動器的定位工況[1]。圖1為偏航制動器的剖視模型，偏航制動器通常由卡鉗殼體、活塞與摩擦片三部分組成。摩擦片是由摩擦材料與背板兩部分組成，如圖2所示。針對偏航制動器的工作條件，通常選用在工作溫度下摩擦系數(shù)穩(wěn)定且耐磨的工程材料作為偏航制動器摩擦材料。

為避免風(fēng)電機(jī)組在偏航過程中產(chǎn)生過大的振動而造成整機(jī)的共振，偏航系統(tǒng)在機(jī)組偏航時必須具有合適的阻尼力矩。阻尼力矩的大小要根據(jù)機(jī)艙和風(fēng)輪質(zhì)量總和的慣性力矩來確定。只有在阻尼力矩的作用下，機(jī)組的風(fēng)輪才能夠定位準(zhǔn)確，充分利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電[1]。對于采用了偏航制動器的風(fēng)電機(jī)組，需要借助液壓驅(qū)動裝置使摩擦片以一定的壓力壓緊偏航剎車盤（以下簡稱剎車盤），進(jìn)而利用兩者之間的摩擦力來分別實現(xiàn)機(jī)艙定位工況所需的制動力矩與偏航工況所需的阻尼力矩。

偏航制動器提供的阻尼作用確保了機(jī)組的準(zhǔn)確定位，但是這種阻尼作用不可避免地造成摩擦片上摩擦材料的磨損，摩擦材料磨損耗盡之時，摩擦片底部的鋼板就會與剎車盤直接摩擦。為了保證摩擦片的工作壽命達(dá)到設(shè)計要求，剎車盤的摩擦表面經(jīng)過精加工，粗糙度要求很高。如果摩擦片底部鋼板與剎車盤表面直接摩擦，會快速損傷剎車盤的摩擦表面，甚至使剎車盤失效，不得不更換剎車盤。因此，為了有效保護(hù)剎車盤摩擦表面免受意外損傷，并避免因更換剎車盤而產(chǎn)生的昂貴成本，需要根據(jù)摩擦片工作條件下（工作條件指剎車盤的摩擦表面未被損傷時的工況）的壽命預(yù)估，合理安排偏航制動器的維護(hù)周期。相同工況下，摩擦片工作壽命主要受摩擦材料自身特性—磨損率α影響。首先，介紹摩擦片壽命的理論計算方法，以及通過磨損率對摩擦片工作壽命產(chǎn)生影響的幾個因素；然后，根據(jù)磨損試驗的結(jié)果數(shù)據(jù)說明摩擦片預(yù)估壽命的計算方法，并與理論壽命進(jìn)行對比；最后，總結(jié)摩擦片壽命預(yù)估對于風(fēng)電機(jī)組維護(hù)的意義。

圖1 偏航制動器剖視模型

圖2 摩擦片

1 摩擦材料磨損率的影響因素

剎車盤材質(zhì)通常采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼或球墨鑄鐵，表面硬度高于摩擦材料。因此，偏航工況下的摩擦過程主要是摩擦材料的表層材料被剎車盤表面的微觀凸起切削成粉末，然后脫離摩擦材料，此即摩擦材料的磨損過程。磨損率是指特定工況下，單位摩擦功所造成的摩擦材料磨損量，表征特定工況下摩擦材料的耐磨性，并可以通過磨損率計算出摩擦片在特定工況下的理論工作壽命。

以某樹脂基摩擦材料為例，說明通過磨損率計算摩擦片偏航工況下工作壽命的理論計算方法。已知條件為：

偏航系統(tǒng)油壓P：45bar；偏航制動器活塞直徑D：90mm；活塞數(shù)量q：4；摩擦系數(shù)μ：0.36－0.44；偏航速度k：16mm/s；磨損率α：30cm3/GJ（偏航工況）；摩擦材料體積V：132cm3；摩擦材料密度ρ：2.1—2.5g/cm3。

摩擦片與剎車盤之間的摩擦力計算公式如（1）式：

摩擦材料全部磨損所耗的摩擦功計算公式如（2）式：

其中，T為摩擦片的工作壽命。

摩擦功與磨損率的關(guān)系式如（3）式：

綜合（1）、（2）、（3）式可得，摩擦片理論工作壽命計算公式為：

將已知條件代入（4）式，可得摩擦片的理論工作壽命為4715h－5763h。一年中的偏航工況約耗時876h，則該摩擦片理想條件下可使用5.4－6.6年。

磨損率是摩擦材料的自身特性，但是并非固有特性，磨損率會隨著載荷、溫度、速度與剎車盤表面粗糙度等工況參數(shù)的變化而變化。因此，進(jìn)行摩擦片工作壽命理論計算時，必須使用對應(yīng)工況下的磨損率數(shù)值。下面介紹影響磨損率的幾個主要工況參數(shù)。

1.1 載荷

載荷增大會引起摩擦力增大，進(jìn)而引起溫升。載荷增大還會使輕微磨損變?yōu)閲?yán)重磨損。輕微磨損轉(zhuǎn)化為嚴(yán)重磨損是由于彈性接觸轉(zhuǎn)化為塑性接觸的結(jié)果[2]。 偏航工況下，摩擦片的磨損通常發(fā)生在重載荷的間歇性作用下，同時偏航速度很小。因此，摩擦副溫升不大，摩擦材料自身性質(zhì)并未發(fā)生變化，摩擦材料與剎車盤之間的摩擦系數(shù)一般相對穩(wěn)定地保持在0.35－0.5之間。某樹脂基摩擦材料的磨損試驗數(shù)據(jù)如圖3所示。

1.2 溫度

摩損率對溫度敏感，溫升（相對于摩擦初始的溫度）會引起材料自身性質(zhì)和力學(xué)性能等發(fā)生變化，會影響材料的磨損性能。所以，溫升對摩擦材料的磨損影響很大，過高的溫升甚至?xí)饎x車盤材質(zhì)的性質(zhì)變化。溫度影響摩損率主要體現(xiàn)在材料的力學(xué)性能，包括拉伸強(qiáng)度和應(yīng)變、硬度、剪切強(qiáng)度等。總之，溫度升高會引起材料的宏觀、微觀結(jié)構(gòu)和自身特性的變化，其對摩損率的影響不容忽視。對于摩擦片而言，由于偏航速度通常很低，偏航工況下的摩擦副溫升相對摩擦初始溫度（即環(huán)境溫度）而言并不大。所以，摩擦材料摩損率在偏航過程中的波動不大。圖4是某樹脂基摩擦材料的摩擦系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線，曲線顯示該樹脂基摩擦材料的摩擦系數(shù)對于溫度的穩(wěn)定性可以保持到300℃左右，遠(yuǎn)高于偏航工況下的摩擦副溫度。

1.3 速度

偏航速度對磨損率的影響主要是通過溫升來發(fā)揮作用的。偏航速度越高，摩擦材料與剎車盤之間的相對滑動速度越高，高速滑動引起的摩擦生熱會使摩擦副的溫度迅速升高，進(jìn)而改變摩擦材料自身性質(zhì)與力學(xué)性能，從而改變摩擦材料的磨損率。偏航過程中不同工況下的速度雖然不等，但都是在低速下運(yùn)行的。因此，偏航工況下，摩擦片摩損率的波動很小。

2 磨損試驗

磨損試驗的目的是通過盡可能模擬摩擦片在偏航工況下的磨損情況，根據(jù)一定時間內(nèi)摩擦材料的磨損量，預(yù)估摩擦片的工作壽命是否能滿足設(shè)計要求。磨損試驗通常在磨損試驗臺（如圖5所示）上進(jìn)行，液壓站給偏航制動器供油，使制動力達(dá)到偏航工況載荷，通過動作油缸推拉模擬制動盤，推拉速度控制在偏航速度左右，單向行程控制為單次偏航行程，如此往復(fù)推拉，模擬風(fēng)電機(jī)組的偏航工況。

圖3 某樹脂基摩擦材料摩擦系數(shù)與比壓關(guān)系曲線圖

圖4 某樹脂基摩擦材料摩擦系數(shù)與溫度關(guān)系曲線圖

摩擦片工作壽命的預(yù)估方法是將磨損試驗前后的摩擦材料質(zhì)量的差值與摩擦材料初始質(zhì)量的比例關(guān)系，映射到磨損試驗耗時與摩擦片工作壽命的比例關(guān)系上，從而得到摩擦片的預(yù)估工作壽命。下面以理論壽命計算中所提樹脂基摩擦材料的磨損試驗為例，進(jìn)行說明。

磨損試驗工況模擬偏航工況（與摩擦材料理論壽命計算工況相同），推拉速度k：16mm/s；摩擦片初始質(zhì)量M0：2135.7g；試驗后質(zhì)量M1：2112.4g；摩擦材料初始體積V：132cm3；摩擦材料密度ρ：2.1－2.5g/cm3；試驗總耗時t：1294500s。摩擦材料預(yù)估工作壽命與磨損試驗前后質(zhì)量差的關(guān)系式如下：

圖5 磨損試驗臺

由（5）式可得，摩擦材料的預(yù)估工作壽命T為15400660s－18334120s，約合4278h－5093h，按照每年偏航876h計算，則摩擦片預(yù)計可使用4.88－5.81年。摩擦片的預(yù)估壽命之所以比理論壽命短，是由于為了縮短試驗時間，磨損試驗的磨損過程是持續(xù)不間斷的，持續(xù)的磨損使試驗工況比間歇性的偏航工況更惡劣，試驗過程中的摩擦副的溫升比偏航工況高，造成摩擦材料磨損率增大，磨損加劇，因而預(yù)估壽命比理論壽命短10%－12%。

3 總結(jié)

雖然磨損試驗盡可能地模擬了風(fēng)電機(jī)組的偏航工況，但與實際偏航工況仍然存在一定偏差。實際偏航工況下的載荷條件比磨損試驗復(fù)雜得多，也更惡劣，使預(yù)估壽命高于偏航工況下的工作壽命；偏航工況的間歇性特點使摩擦副的溫升比磨損試驗低，減小了預(yù)估壽命與工作壽命的差距。

因此，計算預(yù)估壽命的磨損試驗方法雖然不能得到準(zhǔn)確的偏航制動器摩擦片工作壽命，但可以為偏航制動器摩擦片的維護(hù)工作提供具有實際意義的參考依據(jù)，比摩擦片壽命理論計算方法更具可靠性和參考意義，并且未來可以通過優(yōu)化試驗方法進(jìn)一步提升預(yù)估壽命與工作壽命的貼近程度。

[1] 熊禮儉. 風(fēng)力發(fā)電新技術(shù)與發(fā)電工程設(shè)計、運(yùn)行、維護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實用手冊 [M]. 北京: 中國科技文化出版社,2005.

[2] 桂立豐,吳民達(dá),趙源. 機(jī)械工程材料測試手冊 腐蝕與摩擦學(xué)卷 [M]. 沈陽: 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2002.

偏航制動器摩擦片工作壽命預(yù)估方法探討

康濤，李英昌

A Discussion of Service Life Prediction of Yaw Brake Pads

Kang Tao, Li Yingchang
(Guo Dian United Power Technology Co., Ltd., Beijing 100039, China)

This paper focused on disk brake maintenance in yaw system of wind turbines. It described the theoretical calculation method of brake pad’s service life and the prediction method of brake pad's wear test. It compared the two methods with the data of yaw brake wear test. It also summarized the proper calculation methods to provide reference to brake pad's maintenance help avoid brake disc accidents.

wind turbine; brake pad; service life; wear

TK83

A

1674-9219(2013)07-0066-04

2013-04-09。

康濤（1978-），男，碩士，高級工程師，主要從事兆瓦級風(fēng)電機(jī)組部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析。