風(fēng)電制動器制動穩(wěn)定性研究

趙恩光

摘要：本文將從摩擦學(xué)角度研究風(fēng)力發(fā)電機偏航系統(tǒng)的失穩(wěn)振動機理，建立偏航制動系統(tǒng)動力學(xué)模型，找出制動過程中導(dǎo)致失穩(wěn)振動的影響因素和臨界失穩(wěn)條件，并繪制穩(wěn)定性曲面圖，為研發(fā)抗顫振偏航制動器和抑制風(fēng)電偏航制動過程中的失穩(wěn)振動提理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電制動器；制動；穩(wěn)定性

1偏航制動系統(tǒng)動力學(xué)模型

風(fēng)機在偏航制動過程中，偏航減速器帶動制動盤以角速度ω做勻速圓周運動。由于偏航制動器上的制動塊與制動盤之間的摩擦狀態(tài)變化（在靜、動摩擦之間轉(zhuǎn)換），摩擦力會影響制動盤的運動，形成速度反饋，進而造成制動盤轉(zhuǎn)速忽快忽慢。

考慮到制動塊相對于驅(qū)動裝置的運動速度是恒定的，為便于描述制動盤與制動塊之間的運動關(guān)系，假設(shè)偏航過程中偏航系統(tǒng)驅(qū)動裝置靜止，而制動塊以角速度ω做勻速圓周運動，驅(qū)動制動盤做變速運動。在任意瞬時，制動盤與制動塊之間的相對運動可簡化為直線移動。將制動盤與制動塊通過摩擦力耦合在一起，假設(shè)制動盤和制動塊之間的阻尼系數(shù)為c，剛度為k，由此建立偏航時失穩(wěn)振動力學(xué)模型。1為制動塊，2為制動盤假設(shè)制動塊作為主動件，以速度v進行運動，制動盤為從動件。制動塊緩慢向制動盤移動，移動距離s0后彈簧因壓縮產(chǎn)生的驅(qū)動力正好等于制動塊所受的最大靜摩擦力Fs，即Fs=k·s0。此后彈簧繼續(xù)壓縮，制動盤便開始運動。

2偏航制動系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

如果偏航速度v低于臨界失穩(wěn)速度vc，偏航制動器在制動的過程中就會出現(xiàn)忽停忽動的非均勻運動，即發(fā)生失穩(wěn)振動。要避免這一現(xiàn)象，偏航速度必須大于臨界失穩(wěn)速度。系統(tǒng)的剛度k、固有頻率ω0和阻尼比ξ、制動盤與制動塊上的摩擦片材料（靜摩擦因數(shù)μ和動靜摩擦因數(shù)之差Δμ）、制動盤質(zhì)量m、活塞直徑d與數(shù)量n和偏航余壓p是導(dǎo)致偏航系統(tǒng)失穩(wěn)振動的主要因素。

2.1制動力對制動穩(wěn)定性影響

將不同制動參數(shù)下制動盤的軸向加速度——時間仿真結(jié)果進行頻譜轉(zhuǎn)化，并對各頻段進行制動穩(wěn)定性評估，得到全部頻段內(nèi)總的制動穩(wěn)定性指數(shù)隨各制動參數(shù)變化的曲線。在制動盤——閘片摩擦系數(shù)、初始制動轉(zhuǎn)速恒定的情況下，隨著制動力的增大，制動器制動穩(wěn)定性指數(shù)增大，即制動穩(wěn)定性變差。這是由于在一定的初始制動轉(zhuǎn)速、制動盤——閘片摩擦系數(shù)下，制動力越大，摩擦力隨時間變化呈現(xiàn)的波動就越明顯，即粘滑現(xiàn)象越嚴重而造成的。因為粘滑過程中粘滯與滑動的交替出現(xiàn)能夠引發(fā)制動盤的劇烈振動。

2.2制動盤——閘片摩擦系數(shù)對制動穩(wěn)定性影響

同理，得到全部頻段內(nèi)總的制動穩(wěn)定性指數(shù)隨制動盤——閘片摩擦系數(shù)變化的曲線，在制動力、初始制動轉(zhuǎn)速恒定的情況下，隨著制動盤——閘片摩擦系數(shù)的增大，制動器制動穩(wěn)定性指數(shù)增大，即制動穩(wěn)定性變差。這是由于在一定的初始制動轉(zhuǎn)速、制動力下，制動盤——閘片隨著摩擦系數(shù)增大，接觸摩擦力增大，瞬時振動有較大的振幅，引起自激振動，降低了制動器的制動穩(wěn)定性。

2.3初始制動轉(zhuǎn)速對制動穩(wěn)定性影響

在制動盤——閘片摩擦系數(shù)、制動力恒定的情況下，隨著初始制動轉(zhuǎn)速的增大，制動器制動穩(wěn)定性指數(shù)增大，即制動穩(wěn)定性變差。這是由于在一定的制動盤——閘片摩擦系數(shù)、制動力下，初始制動轉(zhuǎn)速增大時，制動器振動的高頻成分減少，振動頻率更接近于制動器的固有頻率，即增大了低頻抖動與共振的幾率，制動過程中制動器的振動就越劇烈。而且初始制動轉(zhuǎn)速增大，單位時間內(nèi)制動盤與閘片間的接觸劃擦距離增大，所造成的粗糙表面間沖擊次數(shù)增加，沖擊強度增大也會加劇制動器的振動。制動力、制動盤——閘片摩擦系數(shù)、初始制動轉(zhuǎn)速越大，制動器的制動振動穩(wěn)定性越差；反之，制動器的振動就會相對較小，但制動器無法實現(xiàn)有效制動。所以，制動參數(shù)的選擇必須能夠使制動器有效且可靠的制動。

2.4制動器制動穩(wěn)定性評估

按照上述結(jié)論，制動參數(shù)取值越小制動盤的振動越穩(wěn)定，進而制動器的制動效能也就越好。但是制動參數(shù)取值太小，所需制動時間就會過長，制動器無法實現(xiàn)按需制動，將會造成無法預(yù)測的安全問題。一般情況下，風(fēng)電制動器的設(shè)計標準是初始制動轉(zhuǎn)速為800r/min時，有效制動時間小于25s；1200r/min時，有效制動時間小于35s；1600r/min時，有效制動時間在45s以內(nèi)。根據(jù)制動仿真結(jié)果得到了各工況下制動時間，最終選擇制動效果最優(yōu)的制動參數(shù)匹配方案。當(dāng)所設(shè)計制動盤——閘片摩擦系數(shù)為0.2時，由制動穩(wěn)定性評估方法得到制動器的初始制動轉(zhuǎn)速推薦為1200r/min，制動力推薦為21000N；當(dāng)所設(shè)計制動盤——閘片摩擦系數(shù)為0.25時，由制動穩(wěn)定性評估方法得到制動器的初始制動轉(zhuǎn)速推薦為1600r/min，制動力推薦為17000N；當(dāng)所設(shè)計制動盤——閘片摩擦系數(shù)為0.3時，由制動穩(wěn)定性評估方法得到制動器的初始制動轉(zhuǎn)速推薦為800r/min，制動力推薦為13000N。這種參數(shù)匹配優(yōu)化將為不同工況下大兆瓦級風(fēng)機制動器的有效制動提供堅實的理論基礎(chǔ)。

3偏航制動系統(tǒng)振動控制策略

臨界失穩(wěn)速度模型表明，在偏航制動器使用過程中，若發(fā)生失穩(wěn)振動，則可通過更換制動塊上的摩擦片材料（改變摩擦因數(shù)μ）和調(diào)整偏航余壓p兩方面來進行振動控制。

由此基于偏航臨界失穩(wěn)速度來研究偏航制動系統(tǒng)振動控制策略。仿真參數(shù)設(shè)定如下：制動盤質(zhì)量m=100kg，系統(tǒng)剛度k=2.5×107N·m/rad，系統(tǒng)阻尼比ξ=0.01，制動器中活塞直徑d=0.12m，數(shù)量n=3，偏航余壓p=0.2—0.8MPa，摩擦因數(shù)0.2—0.4。確定靜摩擦因數(shù)μ、偏航余壓p與臨界失穩(wěn)速度vc之間的關(guān)系，即偏航制動穩(wěn)定性曲面圖。當(dāng)偏航余壓一定時，摩擦因數(shù)越大，臨界失穩(wěn)速度越大；當(dāng)摩擦因數(shù)一定時，偏航余壓越大，臨界失穩(wěn)速度也越大。偏航余壓和摩擦因數(shù)的交互作用對臨界失穩(wěn)速度有影響，且相對于摩擦因數(shù)，偏航余壓對臨界失穩(wěn)速度的影響更大。

穩(wěn)定性曲面上方是偏航速度大于臨界失穩(wěn)速度區(qū)域，不會發(fā)生失穩(wěn)振動；而在曲面下方，偏航速度低于臨界失穩(wěn)速度，將發(fā)生失穩(wěn)振動。顯然，當(dāng)制動過程中偏航速度恒定時，若發(fā)生失穩(wěn)振動，則可通過合理減小偏航余壓或更換摩擦因數(shù)更小的摩擦片來控制振動。

進一步判定穩(wěn)定性曲面上方是否屬于穩(wěn)定區(qū)域，在曲面上選取參考點Q（0.6，0.3，0.01202），并在Q點上、下方分別選取U（0.6，0.3，0.015）、L（0.6，0.3，0.009）兩點。由于U點偏航速度高于臨界失穩(wěn)速度，而L點偏航速度低于臨界失穩(wěn)速度，顯然U點應(yīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，而L點將發(fā)生制動失穩(wěn)振動。

當(dāng)偏航速度為0.015m/s時（即U點工況），制動盤在制動過程中速度始終為正，不會出現(xiàn)失穩(wěn)振動現(xiàn)象。而當(dāng)偏航速度為0.009m/s時（即L點工況），制動盤在制動過程中出現(xiàn)負速度，存在失穩(wěn)振動現(xiàn)象。同樣可結(jié)合穩(wěn)定性曲面圖來分析其他參數(shù)對臨界失穩(wěn)速度的影響，以此來解決偏航制動過程中的失穩(wěn)振動問題。而在研發(fā)抗顫振風(fēng)電偏航制動器時，應(yīng)根據(jù)制動器使用工況，基于制動盤和臨界失穩(wěn)速度采用穩(wěn)定性曲面圖法來考慮制動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇，對系統(tǒng)的剛度k、固有頻率ω0和阻尼比ξ，摩擦片材料（確定靜摩擦因數(shù)μ）和活塞直徑d與數(shù)量n提出要求。

4結(jié)論

1）系統(tǒng)的剛度、固有頻率和阻尼比、制動盤與制動塊上的摩擦片材料、制動盤質(zhì)量、活塞直徑與數(shù)量和偏航余壓是導(dǎo)致偏航系統(tǒng)失穩(wěn)振動的主要因素。

2）當(dāng)偏航過程中發(fā)生失穩(wěn)振動時，可通過減小偏航余壓或更換摩擦因數(shù)更小的摩擦片來控制振動。

3）研發(fā)抗顫振風(fēng)電偏航制動器時，應(yīng)結(jié)合臨界失穩(wěn)速度和并基于制動盤進行制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材，通盤考慮系統(tǒng)的剛度、固有頻率和阻尼比，摩擦片材料和活塞直徑與數(shù)量。

參考文獻

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[2]李彭.盤式制動系統(tǒng)參數(shù)對制動顫振的影響分析[J].測試與診斷，2017.

（作者單位：焦作瑞塞爾盤式制動器有限公司）