風(fēng)電機(jī)組偏航液壓制動(dòng)器開(kāi)裂的直接原因及解決方案

文|王誠(chéng)輝，楊榮舉

由于液壓系統(tǒng)操作控制方便，液壓元件可根據(jù)需要方便靈活布置，故在風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)中采用了液壓制動(dòng)。隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，偏航系統(tǒng)中的液壓制動(dòng)器批量出現(xiàn)液壓缸開(kāi)裂滲油，不僅提高了維護(hù)成本、影響機(jī)組的清潔美觀，而且減小了機(jī)組的發(fā)電量，甚至影響機(jī)組的安全運(yùn)行?；趯?duì)大量試驗(yàn)結(jié)果的分析，本文提出了制動(dòng)器開(kāi)裂的原因，然后從理論上驗(yàn)證了提出的開(kāi)裂原因的正確性，并提出了一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)的制動(dòng)器的方法。

偏航制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.5MW風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)有10組液壓制動(dòng)器，每組制動(dòng)器由上下兩塊制動(dòng)器組成，每個(gè)制動(dòng)器中有兩個(gè)帶活塞的液壓缸，如圖1所示。

10組制動(dòng)器通過(guò)螺栓固定在主機(jī)上，所有的液壓缸通過(guò)油管串聯(lián)起來(lái)。機(jī)組偏航結(jié)束需要制動(dòng)時(shí)，活塞在16MPa液壓油的作用下，推動(dòng)磨擦片夾緊偏航制動(dòng)盤(pán)，偏航制動(dòng)盤(pán)固定在塔筒頂部，故實(shí)現(xiàn)了主機(jī)的固定夾緊。風(fēng)電機(jī)組偏航時(shí)，液壓油泄壓，活塞在缸體內(nèi)自由滑動(dòng)，磨擦片與偏航制動(dòng)盤(pán)分離，主機(jī)在偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)偏航。

偏航制動(dòng)器開(kāi)裂的表現(xiàn)形式

偏航制動(dòng)器開(kāi)裂損壞的位置常出現(xiàn)在兩液壓缸之間的薄壁，失效時(shí)表現(xiàn)形式可以概括為4個(gè)：薄壁開(kāi)裂、活塞傾斜、磨擦片外突卡死、磨擦片單邊磨損。

（一）薄壁開(kāi)裂：如圖2所示，兩液壓缸之間的薄壁表面的防護(hù)漆已經(jīng)剝落，橫向裂紋連接兩液壓缸，裂紋深度直至密封圈槽。

（二）活塞傾斜：由圖2可知，缸體裂開(kāi)時(shí)，活塞傾斜卡死在液壓缸內(nèi)。游標(biāo)卡尺測(cè)量某一傾斜活塞前后的高度差度為0.5mm。

（三）磨擦片外突卡死：磨擦片的形狀為梯形，如圖3所示，液壓缸開(kāi)裂時(shí)，磨擦片卡死在梯形槽內(nèi)的短邊處，磨擦片短邊突出槽框大約有3mm－5mm。

圖1 偏航制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)

圖2 薄壁開(kāi)裂及活塞傾斜

圖3 磨擦片外突及單邊磨損

（四）磨擦片單邊磨損：從圖3可知，梯形磨擦片長(zhǎng)邊磨損較嚴(yán)重，有些是整塊直接剝落，出現(xiàn)坑坑洼洼。由此可知，磨擦片已經(jīng)傾斜，繞卡死的短邊旋轉(zhuǎn)了一定的角度。

根據(jù)制動(dòng)器開(kāi)裂時(shí)的表現(xiàn)形式，本文認(rèn)為：梯形磨擦片在短邊卡死，磨擦片在活塞作用下繞短邊轉(zhuǎn)動(dòng)傾斜；磨擦片長(zhǎng)邊與制動(dòng)盤(pán)接觸，故長(zhǎng)邊磨損嚴(yán)重；同時(shí)活塞端面與磨擦片不完全接觸，活塞在底部液壓油作用下傾斜，卡死在液壓缸內(nèi)不能復(fù)位，活塞對(duì)液壓缸產(chǎn)生較大的作用力，導(dǎo)致液壓缸開(kāi)裂。

磨擦片卡死工況仿真

磨擦片卡死傾斜時(shí)，長(zhǎng)邊磨損量達(dá)2mm，理論上磨擦片傾斜角度越大，長(zhǎng)邊磨損更嚴(yán)重，對(duì)缸體的作用力越大。本文分析磨擦片卡死工況，假定磨擦片卡死時(shí)的傾斜角度為1度。為對(duì)比磨擦片卡死傾斜工況，本文還仿真了正常工況。

正常工況：16MPa的油壓作用在缸體內(nèi)壁，活塞對(duì)缸體無(wú)作用力。

磨擦片卡死工況：16MPa的油壓作用在缸體內(nèi)壁，同時(shí)作用在活塞的底部；活塞與傾斜1度的磨擦片接觸，同時(shí)與缸體內(nèi)壁接觸。

缸體的材料為球墨鑄鐵QT400，在Workbench中，是采用彈塑性材料模擬制動(dòng)器的應(yīng)力應(yīng)變，材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖4所示，設(shè)置的材料屬性如表1。

本文根據(jù)GL材料強(qiáng)度中的應(yīng)變準(zhǔn)則判別材料的極限強(qiáng)度安全性，即允許材料的彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變和達(dá)到1%。正常工況制動(dòng)器缸體有限元仿真應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示，只有在缸底連通的方角入口處出現(xiàn)小區(qū)域超過(guò)1%的應(yīng)變，此處應(yīng)力失真，可忽略其影響。

磨擦片卡死工況制動(dòng)器缸體有限元仿真應(yīng)變?cè)茍D如圖6所示，兩個(gè)缸體的外密封圈之間的薄壁全部出現(xiàn)大于1%的應(yīng)變，根據(jù)GL材料應(yīng)變準(zhǔn)則，此處的靜強(qiáng)度不夠。最大應(yīng)變量為3.4%，雖然在16MPa油壓下缸體不會(huì)立刻出現(xiàn)損壞，但疲勞載荷最容易在此處產(chǎn)生裂紋。

結(jié)論

（一）從仿真的結(jié)果來(lái)看，只要磨擦片發(fā)生卡死傾斜，活塞就會(huì)對(duì)缸體產(chǎn)生較大的作用力，致使兩個(gè)缸體密封圈之間的薄壁產(chǎn)生很大的應(yīng)變，繼而產(chǎn)生裂紋，磨擦片卡死是制動(dòng)器開(kāi)裂的直接原因。

表1 缸體材料屬性

圖4 QT400材料應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 正常工況制動(dòng)器缸體應(yīng)變?cè)茍D

圖6 磨擦片卡死工況制動(dòng)器缸體應(yīng)變?cè)茍D

（二）磨擦片在各種載荷作用下能夠自動(dòng)復(fù)位，活塞端面與磨擦片完全接觸，活塞就不會(huì)對(duì)缸體產(chǎn)生作用力，缸體就不會(huì)產(chǎn)生裂紋，梯形槽短邊處加檔板能防止磨擦片外突卡死。

（三）從根本原因上講，產(chǎn)生裂紋還是兩密封圈之間的壁厚太薄，需要增大兩缸之間的間距來(lái)增加壁厚。