一種可控制剎車片磨損量的風(fēng)電機(jī)組偏航夾鉗

文|何麗萍，唐超利，余國城

目前，大型風(fēng)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)大都由機(jī)電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓制動(dòng)阻尼系統(tǒng)兩部分組成。其中，機(jī)電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是根據(jù)風(fēng)向傳感器發(fā)出的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)風(fēng)電機(jī)組偏航，使風(fēng)輪正對風(fēng)向以便最大限度地捕捉風(fēng)能。液壓制動(dòng)阻尼系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)和偏航夾鉗，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組正對風(fēng)向發(fā)電運(yùn)行時(shí)，液壓系統(tǒng)促使偏航夾鉗全壓制動(dòng)，使風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定正對風(fēng)向發(fā)電運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化時(shí)，機(jī)組啟動(dòng)偏航，此時(shí)液壓力下降，產(chǎn)生在剎車片與剎車盤之間的阻尼降低，確保風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定的偏航。

由于偏航時(shí)產(chǎn)生的摩擦?xí)A鉗的剎車片造成一定程度的磨損，理論上來說，當(dāng)剎車片磨損到一定的程度時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)人員應(yīng)對其及時(shí)進(jìn)行更換。但是，在現(xiàn)有的偏航夾鉗設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)剎車片的活塞沒有行程限位裝置，使得當(dāng)剎車片被過度磨損時(shí)難以及時(shí)被維護(hù)人員發(fā)覺，常常造成偏航系統(tǒng)損壞，影響機(jī)組的對風(fēng)，從而影響發(fā)電量，更有可能會(huì)造成其他部件的損壞，大大增加機(jī)組的維修費(fèi)用，并成為風(fēng)電機(jī)組的安全隱患。

現(xiàn)有剎車夾鉗原理

圖1 為現(xiàn)有技術(shù)中風(fēng)電機(jī)組偏航夾鉗的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2 為圖1 中所示的A-A 剖視圖，圖3 為多個(gè)偏航夾鉗的工作原理圖。

如圖1 所示，偏航夾鉗包括上下對稱布置的上夾鉗體和下夾鉗體，上、下夾鉗體內(nèi)均設(shè)有活塞、可供活塞垂直上下運(yùn)動(dòng)的容腔和剎車片。偏航剎車盤位于上剎車片和下剎車片之間并被剎車片夾緊，每個(gè)活塞與相應(yīng)的容腔之間形成油腔。上油腔與下油腔通過上夾鉗體和下夾鉗體中的連接通道而連通，如圖2 所示。上夾鉗體上的相鄰的容腔之間設(shè)有注油通道。下夾鉗體上設(shè)有注油口和回油口。

圖1 偏航夾鉗內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 偏航夾鉗A-A剖視圖

偏航夾鉗的工作原理為：液壓站通過注油口向油腔內(nèi)注滿油并加壓，正常工作時(shí)，回油口與液壓站之間設(shè)有的閥門為關(guān)閉狀態(tài)，液壓油通過活塞將壓力傳遞給剎車片，使得剎車片在壓力下壓緊剎車盤產(chǎn)生制動(dòng)力或阻尼。當(dāng)偏航剎車包括多個(gè)剎車夾鉗時(shí)，剎車夾鉗之間為串聯(lián)，也就是上一個(gè)剎車夾鉗的回油口與下一個(gè)剎車夾鉗的注油口相連通，如圖3 所示。

現(xiàn)有技術(shù)不足之處

由于偏航剎車夾鉗上沒有限位裝置，當(dāng)剎車片由于磨損變薄而須更換時(shí)，液壓系統(tǒng)及夾鉗不會(huì)停止工作，也難以被維護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而造成剎車片的過度磨損，損傷剎車盤，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的對風(fēng)不準(zhǔn)確，影響發(fā)電量，并有可能引發(fā)安全事故。圖4 和圖5 是被過度磨損的偏航夾鉗的剎車片和被損壞的剎車盤的圖形。

采用增加限位開關(guān)的方法，可以避免這種過度磨損的情況發(fā)生。申請?zhí)枮镃N200920151417 的中國專利“風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航剎車片過量磨損預(yù)警保護(hù)裝置”就公開了這樣一種技術(shù)方案。該方案在偏航夾鉗中設(shè)置限位開關(guān)、中間繼電器線圈、中間繼電器線圈工作電源、信號(hào)電源、開關(guān)量輸入模塊，限位開關(guān)中設(shè)定磨損量臨界值。當(dāng)偏航剎車的磨損量到臨界值時(shí)，通過繼電器將磨損量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警的功能。

該方案所需要的零部件比較多，原理較為復(fù)雜，可靠性相對較差，且成本較高。

改進(jìn)后的剎車夾鉗

在保證偏航剎車基本功能的條件下，為有效控制剎車片的磨損程度、消除安全隱患的同時(shí)延長剎車盤的使用壽命，對偏航剎車的夾鉗進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。

圖6 為改進(jìn)后的偏航夾鉗的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7 為改進(jìn)后偏航夾鉗的工作原理示意圖。

改進(jìn)后的偏航夾鉗的上夾鉗體和下夾鉗體上都開有泄油孔，泄油孔穿過夾鉗的側(cè)壁通向油腔。如圖6 所示。泄油孔到剎車盤的距離(圖中的L)等于活塞的厚度與剎車片磨損到需維修的程度時(shí)的厚度之和。

同一夾鉗體上，相鄰容腔之間還可以設(shè)有將兩個(gè)油腔相連通的泄油通道，且同一夾鉗體上的所有泄油通道位于同一水平位置上。

在正常情況下，泄油孔被活塞堵住，油腔內(nèi)的有不會(huì)通過泄油孔返回到液壓站。隨著偏航夾鉗的使用時(shí)間延長，剎車片被逐漸磨損變薄，在這個(gè)過程中，活塞在油壓的作用下不斷地向靠近剎車盤的方向緩慢移動(dòng)。當(dāng)剎車片磨損到需要更換的程度時(shí)，活塞不能繼續(xù)堵住泄油孔，從而使泄油孔與油腔相連通。油腔中的液壓油就會(huì)通過泄油孔回流到液壓站，如圖7 所示，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)無法給偏航剎車夾鉗施加壓力。此時(shí)風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)會(huì)將此異常狀況通過控制界面向監(jiān)控人員發(fā)出警報(bào)，促使維護(hù)人員對偏航剎車進(jìn)行檢查，避免了剎車片的過度磨損以及因此引起的安全事故，還起到了延長剎車盤使用壽命的作用。

圖3 偏航夾鉗工作原理圖

圖4 過度磨損的剎車片

圖5 被損壞的剎車盤

圖6 改進(jìn)后的夾鉗內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 改進(jìn)后偏航夾鉗的工作原理圖

攝影：郭慧文

由于上夾鉗體的容腔和下夾鉗體的容腔是連通的，泄油孔還可以單獨(dú)設(shè)置在下夾鉗體或上夾鉗體上。

結(jié)語

改進(jìn)后的偏航夾鉗，由于增加了泄油孔和泄油通道，使得夾鉗剎車片在磨損到需更換的狀態(tài)時(shí)，油腔內(nèi)的液壓油可以通過泄油孔返回液壓站，使液壓系統(tǒng)無法給剎車夾鉗施壓，控制系統(tǒng)會(huì)將此異常狀況通報(bào)給監(jiān)控人員，從而避免了安全隱患，減小了損失，還可以延長剎車盤的使用壽命。該控制系統(tǒng)成本低，容易實(shí)現(xiàn)，而且?guī)缀醪挥镁S護(hù)費(fèi)用，大大節(jié)省了成本。