一種新型分體式風(fēng)電液壓直動(dòng)制動(dòng)器設(shè)計(jì)研究

文 | 史春香

隨著我國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造逐步進(jìn)入成熟階段，兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組業(yè)已成為市場(chǎng)的主流。在裝機(jī)容量不斷提升的同時(shí)，機(jī)組對(duì)滿足制動(dòng)要求的偏航制動(dòng)器的需求量越來(lái)越大。當(dāng)前，1.5MW機(jī)組上所用的偏航制動(dòng)器已達(dá)到十臺(tái)，2MW及以上機(jī)組偏航制動(dòng)器若再采用此規(guī)格制動(dòng)器，顯然已滿足不了鎖緊力矩的要求。按照摩擦片的安裝方式，偏航制動(dòng)器可分為整體式和分體式兩類，整體式兆瓦級(jí)風(fēng)電制動(dòng)器更換摩擦片時(shí)要將整個(gè)制動(dòng)器全部拆掉，加大了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，增加了業(yè)主的維護(hù)成本。而現(xiàn)有的分體式結(jié)構(gòu)也存在一定的質(zhì)量隱患，比如1.5MW風(fēng)電機(jī)組上所用分體式結(jié)構(gòu)制動(dòng)器，其摩擦片的固定方式為螺栓連接，在安裝和使用中因加工誤差和工人的安裝不到位，會(huì)發(fā)生諸如擋板螺栓上緊力矩不足或螺栓松動(dòng)等問(wèn)題進(jìn)而引發(fā)一系列質(zhì)量事故，因此，市場(chǎng)迫切需要研發(fā)一種外形適中、鎖緊力大、安裝調(diào)整方便的新型偏航制動(dòng)器。

本文針對(duì)現(xiàn)有風(fēng)電液壓制動(dòng)器的不足，研發(fā)了一款新型分體式風(fēng)電液壓直動(dòng)制動(dòng)器，該液壓直動(dòng)制動(dòng)器是在借鑒國(guó)外同類風(fēng)電制動(dòng)器的基礎(chǔ)上，結(jié)合制動(dòng)器維修存在的問(wèn)題，消除原有的擋板螺栓連接中上緊力矩不足導(dǎo)致摩擦片脫落損壞制動(dòng)盤的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的一種新型液壓直動(dòng)制動(dòng)器。

工作原理

該液壓直動(dòng)制動(dòng)器為液壓制動(dòng)，浮動(dòng)復(fù)位，是一種能使泄漏油液導(dǎo)流的直動(dòng)型鉗盤式制動(dòng)器，主要用于兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組偏航制動(dòng)。

工作原理：液壓直動(dòng)制動(dòng)器由機(jī)體和活塞兩大部分組成。向制動(dòng)器通入壓力油后，兩油缸體之間產(chǎn)生壓力夾持住制動(dòng)盤，使制動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)停止。

由圖1可以看出，本制動(dòng)器由兩個(gè)機(jī)體6構(gòu)成，每個(gè)機(jī)體的油缸內(nèi)裝有活塞7，油缸通過(guò)進(jìn)（出）油口與供油管路連接，油缸與活塞7之間裝有防塵圈11、密封圈12，機(jī)體6的兩翅邊上有一楔形凹槽，左右擋板9上的楔形凸槽裝入機(jī)體上的楔形凹槽內(nèi)，擋板9的前后位置通過(guò)銷軸1與機(jī)體6固定，摩擦片10底板面緊貼在活塞7的端面上，固定在左右擋板9之間，連接板3通過(guò)螺栓8與機(jī)體6連為一體，連接板又通過(guò)緊定螺釘4與擋板9連接，此緊定螺釘4可調(diào)節(jié)擋板9的前后位置，擋板9通過(guò)前后移動(dòng)來(lái)調(diào)整摩擦片10。兩個(gè)機(jī)體6通過(guò)螺栓固定在基座上，制動(dòng)盤則處于兩個(gè)摩擦片10之間。

當(dāng)制動(dòng)器工作時(shí)，壓力油由供油管路經(jīng)進(jìn)（出）油口進(jìn)入油缸，油缸內(nèi)活塞7在油壓的推力下向外運(yùn)動(dòng)，同時(shí)頂住摩擦片10向制動(dòng)盤推移，摩擦片壓緊制動(dòng)盤從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)剎車。

當(dāng)制動(dòng)盤需要運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油缸內(nèi)的壓力油經(jīng)進(jìn)（出）油口卸壓，摩擦片10在制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)作用下脫離制動(dòng)盤一定間隙，同時(shí)在摩擦片10的作用下活塞同樣推入油缸一微小距離，機(jī)器實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

結(jié)構(gòu)與功能

一、主要結(jié)構(gòu)

目前，風(fēng)電機(jī)組偏航制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)主要有兩種形式：整體式和分體式。 本文的液壓直動(dòng)制動(dòng)器采用的是分體式結(jié)構(gòu)。其主要的結(jié)構(gòu)包括：

（一）楔形擋塊（圖1）

機(jī)體上設(shè)計(jì)有豎直方向延伸的導(dǎo)軌，擋塊上具有用于與導(dǎo)軌導(dǎo)向配合的凹面，擋塊與摩擦片之間的配合面為由上而下向制動(dòng)器內(nèi)部?jī)A斜的平面。擋塊與制動(dòng)器機(jī)體通過(guò)楔形槽連接為一體。根據(jù)楔形原理，在摩擦片側(cè)面與擋板之間，利用楔形效應(yīng)有效地限制了摩擦片的不固定狀態(tài)，便于摩擦片與設(shè)備上制動(dòng)盤之間的間隙調(diào)整，當(dāng)摩擦片端面受力時(shí)，摩擦片可作軸向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)端面不受力時(shí)，摩擦片處于固定狀態(tài)。同時(shí)利用楔形效應(yīng)對(duì)制動(dòng)塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于其結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單易行，能有效地調(diào)節(jié)制動(dòng)塊與擋塊的間隙，避免制動(dòng)塊、機(jī)體因加工誤差引起間隙過(guò)大而使得制動(dòng)塊脫落損傷制動(dòng)盤。

（二）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

機(jī)體采用獨(dú)特的連接板結(jié)構(gòu)，連接板上的螺栓一方面與機(jī)體連為一體，另一調(diào)整螺栓使連接板與擋板連接，調(diào)整擋板與摩擦片之間的間隙后，使連接板、擋板、機(jī)體連接為一體。擋塊上特殊的銷軸連接，鎖定了擋塊在楔形槽的位置。

與整體式結(jié)構(gòu)相比，分體式結(jié)構(gòu)的制作工藝復(fù)雜、成本高。但它卻成功地解決了整體式結(jié)構(gòu)所存在的上述兩個(gè)問(wèn)題：（1）更換摩擦片時(shí)，只要拆卸摩擦片兩側(cè)的楔形擋塊即可，無(wú)需拆裝整個(gè)制動(dòng)器，既方便又省時(shí)省力，大大降低了維護(hù)工作量，減少了維修成本。（2）在摩擦片兩側(cè)的楔形擋塊上還設(shè)置有調(diào)節(jié)螺絲，通過(guò)調(diào)節(jié)螺絲可以消除摩擦片與制動(dòng)體之間的間隙，提高了活塞密封圈的壽命。

（三）貫通孔

機(jī)體上為增大制動(dòng)力輸出，加大了缸孔直徑，增加了缸孔數(shù)量，改變了加工工藝，目前采用電火花加工三個(gè)貫通孔，保證了貫通孔的位置和尺寸的一致性，油缸在同樣的壓力作用下，制動(dòng)力輸出更平穩(wěn)，有效解決了因制動(dòng)力變化引起的摩擦片磨損不均勻的問(wèn)題。

（四）油液導(dǎo)流通道

在每片機(jī)體的中間油缸前部各車一個(gè)環(huán)形槽，通過(guò)打孔使兩個(gè)環(huán)形槽相通，上下機(jī)體的貫通通過(guò)O型圈形成密封通道，保證上下機(jī)體的六個(gè)油缸均相通。當(dāng)任何一個(gè)活塞與缸孔之間漏油時(shí)，所漏油液即可通過(guò)環(huán)形槽被引流到設(shè)定好的收集容器內(nèi)。同時(shí)在制動(dòng)器的長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于密封圈摩擦老化等原因，缸體內(nèi)油液會(huì)通過(guò)活塞、密封圈、油缸之間的間隙向外滲漏，如果流到制動(dòng)盤上，既影響剎車性能，又污染環(huán)境。該漏油導(dǎo)流通道可保證制動(dòng)器在漏油的情況下將所漏油液方便地排出回收。因而有效解決了老產(chǎn)品漏油后，油液直接流到制動(dòng)盤上所帶來(lái)的問(wèn)題。

二、功能要點(diǎn)

制動(dòng)器通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，滿足了用戶鎖定力矩要求，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)制動(dòng)。本研究通過(guò)改進(jìn)機(jī)體的左右兩端面連接形式，減少了進(jìn)入機(jī)體的灰塵等物質(zhì)對(duì)密封的損害，從而延長(zhǎng)了密封圈的使用壽命；滿足用戶不需要拆除整機(jī)即可更換摩擦片的需求，使摩擦片與擋板的間隙調(diào)節(jié)更加方便；同時(shí)為便于檢測(cè)摩擦片的磨損情況，增加了摩擦片報(bào)警功能。此外，特殊的油液導(dǎo)流通道設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)流收集功能，減少了環(huán)境污染。

（1）現(xiàn)有的風(fēng)電偏航制動(dòng)器結(jié)構(gòu)形式為整體式和分體式，整體式間隙不可調(diào)整，當(dāng)更換剎車片時(shí)，需將整個(gè)制動(dòng)器全部拆除，更換后再整體安裝，維修不便，不能很好地滿足使用。此結(jié)構(gòu)為分體式安裝，安裝調(diào)試方便，能滿足工人維修時(shí)不需要拆除整機(jī)即可更換剎車片。

（2）1.5MW風(fēng)電機(jī)組上用的分體式結(jié)構(gòu)制動(dòng)器，左右兩側(cè)擋板通過(guò)螺栓與機(jī)體固定為一體，因螺栓上緊力矩不同和機(jī)體的加工誤差導(dǎo)致摩擦片從機(jī)體內(nèi)飛出損傷剎車盤。本結(jié)構(gòu)采用特殊的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過(guò)楔形效用對(duì)制動(dòng)塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，能有效地調(diào)整摩擦片與擋板的間隙，避免了此類事故的發(fā)生。

（3）采用電火花貫通工藝，能保證制動(dòng)器輸出制動(dòng)力更加平穩(wěn)。

（4）具有泄漏油液導(dǎo)流和收集功能，從外部即可觀測(cè)制動(dòng)器密封漏油情況。

（5）有摩擦片磨損顯示功能，便于檢測(cè)摩擦片的磨損情況。

該液壓直動(dòng)制動(dòng)器增加有摩擦片磨損顯示功能（見圖1磨損顯示線），磨損顯示線與風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)上電器接口連接，在摩擦片摩擦材料磨損到2mm時(shí)，風(fēng)電機(jī)組信號(hào)顯示制動(dòng)器上磨損顯示線斷開。此顯示裝置便于檢測(cè)摩擦片的磨損情況。

圖1 新型液壓直動(dòng)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

主要部件的工藝改進(jìn)

在風(fēng)電制動(dòng)器的使用過(guò)程中，機(jī)體、活塞和摩擦片是制動(dòng)器的主要部件，這些部件的加工質(zhì)量和摩擦片的連接方式?jīng)Q定了制動(dòng)器的性能。

一、機(jī)體缸孔的貫通

機(jī)體上三個(gè)缸孔的貫通，如果采用傳統(tǒng)用盤型銑刀的機(jī)加工方式，一方面是保證不了缸孔之間的強(qiáng)度要求，缸孔之間的毛刺無(wú)法清理；另一方面，一個(gè)刀片僅能加工一件機(jī)體，加工成本較高。而采用電火花新工藝加工，成本僅為機(jī)加工的百分之五，同時(shí)制動(dòng)器輸出制動(dòng)力更平穩(wěn)。

二、減少活塞磨損

因活塞表面磨損嚴(yán)重導(dǎo)致制動(dòng)器漏油的原因和改進(jìn)措施：

1.鍍層質(zhì)量不足

鍍層的表面硬度和質(zhì)量對(duì)制動(dòng)器的性能影響巨大，為避免因鍍層脫落（圖2）導(dǎo)致密封件與活塞間隙增大引起漏油，增加了活塞的表面淬火硬度，滿足密封與活塞結(jié)合面的使用要求。

2.出現(xiàn)氣蝕侵蝕表面

經(jīng)分析認(rèn)為氣蝕的形成是由制動(dòng)器油壓實(shí)驗(yàn)時(shí)油液殘留在機(jī)體內(nèi)引起的，為避免油液中水汽腐蝕活塞表面，在裝配時(shí)增加了制動(dòng)器，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用真空泵抽油，避免了此類問(wèn)題發(fā)生。

3.粗糙度不足

活塞的粗糙度由表面的0.8改為0.4（圖3），在實(shí)際應(yīng)用中，活塞表面缺陷在制動(dòng)器裝配過(guò)程中會(huì)引起密封圈損傷，因此提高活塞加工精度，能減少制動(dòng)器漏油的概率。同時(shí)活塞應(yīng)全檢，在運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)有專用的單個(gè)包裝箱，輕拿輕放，以避免活塞表面缺陷引起制動(dòng)器故障。

4. 優(yōu)化了活塞的細(xì)節(jié)要求（圖4、圖5）

（1）活塞端面增加了平面度和平行度位置公差要求?；钊亩嗣媾c摩擦片的鋼背面接觸，在油壓加載過(guò)程中，活塞端面的平整度增大了活塞與摩擦片鋼背的接觸面積，降低了摩擦片的比壓，減少了摩擦片或摩擦材料的損傷。

（2）圓角過(guò)渡

在活塞前端裝配部分增加了R0.5圓角過(guò)渡，避免在安裝過(guò)程中密封表面劃傷的情況。

（3）活塞圓周上增加了圓柱度要求

圖2 表面鍍層脫落

圖3 正常表面

圖4 改進(jìn)前活塞結(jié)構(gòu)圖

圖5 改進(jìn)后活塞結(jié)構(gòu)圖

活塞圓周表面與密封件之間的間隙必須滿足密封件裝配要求，且該間隙必須保證均勻，如果活塞圓周表面沒(méi)有圓柱度要求，則其與密封件之間的間隙均勻性太差，會(huì)使得密封件的密封性能大大降低，最終可能導(dǎo)致漏油現(xiàn)象的發(fā)生。

三、減少摩擦材料損傷

摩擦材料是制動(dòng)器非常重要的部件，需要小心對(duì)待，以免造成摩擦片或摩擦材料的損傷。該制動(dòng)器摩擦材料通過(guò)調(diào)整配方，減少了風(fēng)電機(jī)組的噪音污染。為增加摩擦片的排屑功能，把原結(jié)構(gòu)的摩擦材料上直的排屑槽改為斜行的結(jié)構(gòu)，更便于排屑刮塵，減少了摩擦片磨損后脫落的碎片與剎車盤接觸引起的結(jié)晶現(xiàn)象。

為減少油污引起的摩擦系數(shù)下降影響制動(dòng)性能，摩擦片在使用過(guò)程中必須盡可能保持清潔，避免受油污污染。同時(shí)在安裝制動(dòng)器之前，必須清洗與之接觸的制動(dòng)盤，去除灰塵及防銹油脂等。通常防銹油脂可以分兩步輕易去除：先用汽油或柴油初步清洗；后用清潔去污劑徹底去除殘留的污物。

結(jié)論

本文研究了一種擋塊拆卸方便且能夠提高擋塊與機(jī)體之間密封性的可調(diào)節(jié)液壓直動(dòng)制動(dòng)器。該制動(dòng)器為分體式結(jié)構(gòu)，安裝調(diào)試方便，能滿足工人維修時(shí)在不拆除整機(jī)情況下更換剎車片的需要。在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組偏航液壓制動(dòng)器的摩擦片調(diào)節(jié)及更換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面有所創(chuàng)新。該制動(dòng)器投入金風(fēng)科技2.5兆瓦及以上兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組使用，運(yùn)轉(zhuǎn)良好，可替代國(guó)外同類型產(chǎn)品，同時(shí)其價(jià)格約為國(guó)外同類產(chǎn)品價(jià)格的一半，產(chǎn)品市場(chǎng)開發(fā)潛力較大，推廣應(yīng)用前景十分廣闊。

攝影：王迎春