基于AMESim兆瓦級風(fēng)電機(jī)組機(jī)械制動(dòng)分析

文 | 鞠彬，王兵會(huì)

基于AMESim兆瓦級風(fēng)電機(jī)組機(jī)械制動(dòng)分析

文 | 鞠彬，王兵會(huì)

風(fēng)力發(fā)電是一種新型、無污染的生產(chǎn)能源方式，逐漸受到人們廣泛的關(guān)注。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的廣泛使用，風(fēng)電機(jī)組也逐漸向著大型化發(fā)展。在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中，許多安全性、自動(dòng)化、人性化的技術(shù)設(shè)計(jì)問題突顯出來，其中風(fēng)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)面臨著技術(shù)攻關(guān)問題。機(jī)組的液壓系統(tǒng)屬于動(dòng)力系統(tǒng)，它為機(jī)組上一切以液壓為驅(qū)動(dòng)力裝置提供動(dòng)力。在定槳距機(jī)組中，液壓系統(tǒng)的主要任務(wù)是驅(qū)動(dòng)機(jī)組的氣動(dòng)剎車和機(jī)械剎車；在變槳距機(jī)組中，液壓系統(tǒng)通過控制變距機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制和功率控制，同時(shí)也控制機(jī)械剎車機(jī)構(gòu)。當(dāng)液壓系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)力時(shí)，載荷波動(dòng)會(huì)造成液壓系統(tǒng)壓力沖擊頻繁。同時(shí)，載荷引起的峰值壓力也會(huì)破壞液壓系統(tǒng)中各零部件穩(wěn)定的工作狀態(tài)，增加工作應(yīng)力，降低液壓元件的壽命與安全性，容易引起安全事故。

而蓄能器對上述由波動(dòng)載荷引起的壓力沖擊與脈動(dòng)具有一定的吸收作用，同時(shí)蓄能器在系統(tǒng)中也可儲(chǔ)存能量和作應(yīng)急動(dòng)力源。在機(jī)組掉網(wǎng)或者發(fā)生故障時(shí)，蓄能器將儲(chǔ)備能量送回系統(tǒng)中，為機(jī)械制動(dòng)或者葉片收槳提供動(dòng)力。本文以維斯塔斯V90-2.0MW機(jī)組為例，分析液壓系統(tǒng)中的蓄能器、蓄能器預(yù)充壓力、節(jié)流孔對風(fēng)電機(jī)組機(jī)械制動(dòng)性能的影響。

V90-2.0MW風(fēng)電機(jī)組機(jī)械制動(dòng)液壓回路分析

一、V90-2.0MW風(fēng)電機(jī)組機(jī)械制動(dòng)原理

V90-2.0MW風(fēng)電機(jī)組制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成在最初的30 分鐘內(nèi)可以按下急停按鈕來啟動(dòng)機(jī)械制動(dòng)。

如圖1中V90-2.0MW風(fēng)電機(jī)組機(jī)械制動(dòng)液壓回路所示，在V90-2.0MW機(jī)組的液壓系統(tǒng)中，動(dòng)力源通過減壓閥（2V01）向剎車系統(tǒng)提供壓力，而蓄能器（2Z01）保證在動(dòng)力源未給壓力的情況下仍能進(jìn)行剎車。如果機(jī)組緊急鏈斷開或者啟動(dòng)急停程序，電磁閥（2V02、2V05、2V08）失電，電磁閥（2V03）得電，蓄能器（2Z01）向制動(dòng)裝置提供壓力對剎車盤施加壓力進(jìn)行制動(dòng)。當(dāng)在減壓閥（2V01）出現(xiàn)故障或蓄能器（2Z01、2Z05）過度加熱時(shí)，安全閥（2V04）不僅可以防止制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)壓力過高造成液壓元件損壞，也可以防止剎車壓力過大導(dǎo)致剎車力矩過大，從而造成剎車盤和剎車片熱損傷。

圖1 V90-2.0MW風(fēng)電機(jī)組機(jī)械制動(dòng)液壓回路

二、機(jī)械制動(dòng)液壓回路簡化及AMESim建模

本文針對風(fēng)電機(jī)組掉網(wǎng)或者斷電時(shí)進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)時(shí)分析液壓系統(tǒng)的響應(yīng)，液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源在電磁閥（2V02）失電前為蓄能器（2Z01）儲(chǔ)備能量。在進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)裝置的制動(dòng)壓力由蓄能器（2Z01）提供，所以在進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)分析時(shí)可將V90-2.0MW風(fēng)電機(jī)組機(jī)械制動(dòng)液壓回路進(jìn)行簡化。

機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)簡化液壓回路如圖2所示，蓄能器（2Z01）腔內(nèi)儲(chǔ)備有一定壓力的液壓油，當(dāng)電磁閥（2V05）失電時(shí)，蓄能器（2Z01）作為動(dòng)力源將液壓油提供給制動(dòng)裝置，從而達(dá)到機(jī)械制動(dòng)剎車的效果。

AMESim是一款多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真軟件，為機(jī)電系統(tǒng)尤其是液壓和氣動(dòng)系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)和仿真分析提供了很好的技術(shù)支持和優(yōu)化設(shè)計(jì)分析環(huán)境。本文利用AMESim仿真軟件對V90-2.0MW風(fēng)電機(jī)組機(jī)械制動(dòng)液壓簡化回路進(jìn)行建模，液壓回路仿真圖如圖3所示。

由于制動(dòng)裝置是盤式制動(dòng)器，在液壓油壓力的作用下將摩擦片與風(fēng)電機(jī)組高速軸進(jìn)行摩擦并夾緊達(dá)到制動(dòng)效果。摩擦片在制動(dòng)過程中位移極小，可忽略不計(jì)，故設(shè)置執(zhí)行油缸活塞桿行程為0。系統(tǒng)中蓄能器（2Z01）體積為1.4L，預(yù)充氮?dú)鈮毫?0bar，儲(chǔ)備液壓油壓力為P=92bar。蓄能器（2Z05）體積為0.32L，預(yù)充氮?dú)鈮毫?3bar，無儲(chǔ)備壓力油。節(jié)流孔（2V07、2V11）孔徑均為0.6mm，順序閥（2V10）設(shè)置壓差為60bar，電磁閥（2V05）在第1S時(shí)動(dòng)作開通。

機(jī)械制動(dòng)液壓回路AMESim分析

一、蓄能器（2Z05）對系統(tǒng)壓力沖擊的影響

通過仿真軟件AMESim對有、無蓄能器的機(jī)械制動(dòng)液壓回路進(jìn)行模擬，可得系統(tǒng)壓力響應(yīng)曲線，如圖4所示。

由圖4可以看出，在系統(tǒng)中設(shè)置蓄能器（2Z05）的情況下，在第1s機(jī)械制動(dòng)啟動(dòng)瞬時(shí)系統(tǒng)壓力上升至43bar左右，而后緩慢上升，直至達(dá)到穩(wěn)定壓力75bar左右。在系統(tǒng)中不設(shè)置蓄能器（2Z05）的情況下，在第1s機(jī)械制動(dòng)啟動(dòng)瞬時(shí)系統(tǒng)壓力上升至最大壓力90bar。 通過系統(tǒng)內(nèi)有、無蓄能器（2Z05）對比，表明蓄能器能有效吸收系統(tǒng)中的壓力沖擊，并能保持液壓系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定。由于風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)慣性非常大，若制動(dòng)壓力瞬時(shí)達(dá)到峰值，會(huì)造成傳動(dòng)部件的損壞，或者因系統(tǒng)壓力波動(dòng)造成液壓元件的損壞。

圖2 機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)簡化液壓回路

圖3 機(jī)械制動(dòng)液壓回路仿真圖

圖4 系統(tǒng)壓力仿真曲線

二、蓄能器（2Z05）氮?dú)忸A(yù)充壓力對系統(tǒng)壓力沖擊的影響

蓄能器的預(yù)充氣壓力必須保持適當(dāng)?shù)乃揭员阍谙到y(tǒng)瞬時(shí)壓力過高時(shí)吸收高壓油，另外當(dāng)蓄能器釋放液壓能時(shí)其內(nèi)部壓力發(fā)生較大變化，壓力過低會(huì)大大縮短蓄能器的使用壽命。因此必須根據(jù)蓄能器的具體用途來合理選擇蓄能器的預(yù)充氣壓力，使其既具有良好的吸收作用又具有較長的使用壽命。通常情況下預(yù)充氣壓力選擇范圍為0.25Ph＜P0＜0.9P，其中Ph為系統(tǒng)最高壓力，P為系統(tǒng)穩(wěn)定壓力。本文系統(tǒng)最高壓力Ph為92bar，穩(wěn)定壓力P約為75bar，通過改變蓄能器（2Z05）氮?dú)忸A(yù)充壓力，分別對制動(dòng)壓力進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 蓄能器2Z05預(yù)充壓力對制動(dòng)性能影響

圖6 節(jié)流孔孔徑大小對制動(dòng)性能影響

圖7 節(jié)流孔孔徑對順序閥2Z10開啟的影響

由圖5可以看出，隨著蓄能器（2Z05）預(yù)充壓力的增加，機(jī)械制動(dòng)壓力上升速度增快。V90-2.0MW風(fēng)電機(jī)組要求在制動(dòng)啟動(dòng)后4.5s至9s內(nèi)制動(dòng)壓力需要達(dá)到60.5bar，由圖5可知，預(yù)充壓力需大于40bar才可滿足要求。而蓄能器預(yù)充壓力過大，會(huì)造成制動(dòng)壓力瞬時(shí)達(dá)到峰值，對系統(tǒng)造成損壞，所以V90-2.0MW風(fēng)電機(jī)組蓄能器（2Z05）選擇預(yù)充壓力為43bar，并且要求在運(yùn)營維護(hù)過程中需定期對蓄能器進(jìn)行壓力檢測與維護(hù)，保證蓄能器預(yù)充壓力保持定值。

三、節(jié)流孔（2V07、2V11）對機(jī)械制動(dòng)響應(yīng)分析

節(jié)流孔（2V07、2V11）在系統(tǒng)中的作用主要是起到節(jié)流、降壓、穩(wěn)壓作用，防止系統(tǒng)在工作過程流量過大而產(chǎn)生油壓大幅波動(dòng)現(xiàn)象。節(jié)流孔孔徑的大小直接影響著其穩(wěn)壓作用，因此本文針對節(jié)流孔孔徑對機(jī)械制動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了分析，系統(tǒng)壓力響應(yīng)如圖6所示。為了防止節(jié)流孔因液壓油中含有雜質(zhì)而堵死，而造成制動(dòng)失效，特設(shè)置順序閥（2V10），其開啟壓差為60bar。

由圖6、圖7可以得出，節(jié)流孔孔徑的大小對機(jī)械制動(dòng)響應(yīng)有明顯影響。節(jié)流孔孔徑過小，則會(huì)增大節(jié)流孔前后壓差，并且降低流體流量，從而使機(jī)械制動(dòng)響應(yīng)緩慢。當(dāng)節(jié)流孔孔徑小于0.3mm時(shí)，為了避免機(jī)械制動(dòng)失效，順序閥（2V10）在系統(tǒng)工作時(shí)會(huì)被啟動(dòng)。如果節(jié)流孔孔徑過大，又會(huì)降低其穩(wěn)壓效果，使系統(tǒng)容易產(chǎn)生油壓波動(dòng)，對液壓元件使用壽命影響較大。通過分析，節(jié)流孔孔徑的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，V90-2.0MW風(fēng)電機(jī)組選擇節(jié)流孔孔徑為0.6mm。在后期運(yùn)營維護(hù)過程中，需定期對液壓油進(jìn)行取樣檢測、定期更換過濾濾芯，確保液壓油的純凈度，防止節(jié)流孔堵塞，從而可以避免機(jī)械制動(dòng)失效。

結(jié)論

本文以維斯塔斯V90-2.0MW風(fēng)電機(jī)組為例，利用AMESim仿真軟件對其機(jī)械制動(dòng)液壓回路進(jìn)行了分析。分析表明：（1）在執(zhí)行機(jī)構(gòu)端設(shè)置蓄能器，可以在很大程度上吸收系統(tǒng)的沖擊壓力，并降低壓力峰值；（2）風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械制動(dòng)性能也與蓄能器的氮?dú)忸A(yù)充壓力有關(guān)，為保證制動(dòng)性能良好，需定期對蓄能器進(jìn)行壓力檢測與維護(hù)；（3）節(jié)流孔孔徑對機(jī)械制動(dòng)響應(yīng)影響明顯，在風(fēng)電機(jī)組維護(hù)中應(yīng)確保液壓油純凈無雜質(zhì)，防止因節(jié)流孔堵塞而造成機(jī)械制動(dòng)失效。

（作者單位：華潤電力風(fēng)能（威海環(huán)翠）有限公司）