兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航剎車(chē)片摩擦磨損分析及整改

劉明LIU Ming；陽(yáng)雪兵YANG Xue-bing；張學(xué)文ZHANG Xue-wen；黃振榮HUANG Zhen-rong

（哈電風(fēng)能有限公司，湘潭 411102）

0 引言

近年來(lái)，在“雙碳”目標(biāo)指引下，我國(guó)基本形成全球最具競(jìng)爭(zhēng)力的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)體系和產(chǎn)品服務(wù)，并呈現(xiàn)大型化、智能、綜合利用等發(fā)展趨勢(shì)。截止2021 年，我國(guó)已累計(jì)裝機(jī)超過(guò)17 萬(wàn)臺(tái)，容量超3.4 億千瓦。在如此巨量的裝機(jī)情況下，對(duì)產(chǎn)品部件的可靠性同時(shí)也提出了更高的要求。針對(duì)部件的設(shè)計(jì)和選型應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，合理的選擇材料及性能，同時(shí)需進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試和運(yùn)行情況跟蹤，形成設(shè)計(jì)反饋閉環(huán)以達(dá)到優(yōu)化原始設(shè)計(jì)的目的，使各部件能滿(mǎn)足風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行的苛刻要求。

偏航制動(dòng)系統(tǒng)中液壓制動(dòng)器作為剎車(chē)部件，對(duì)偏航系統(tǒng)和整個(gè)風(fēng)機(jī)的安全起著重要的作用[1-2]。偏航剎車(chē)片作為制動(dòng)器中的關(guān)鍵部件，需要有良好的耐磨性、穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和低噪聲等特點(diǎn)[3-5]。目前，偏航剎車(chē)片材料一般采用有機(jī)復(fù)合材料剎車(chē)片，摩擦材料是一種多元復(fù)合材料，是有粘接劑（樹(shù)脂與橡膠）、增強(qiáng)纖維和摩擦性能調(diào)節(jié)劑三大類(lèi)主要組分及其他配合劑經(jīng)一系列制造加工工藝制成[6-8]。在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，摩擦材料在磨損后出現(xiàn)較多剎車(chē)片粉末，粉末堆積在制動(dòng)器側(cè)面或掉落到塔筒頂部平臺(tái)，造成一種摩擦材料在短時(shí)間磨損較多需要更換剎車(chē)現(xiàn)象。本文通過(guò)對(duì)比對(duì)剎車(chē)片使用工況、實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)和檢驗(yàn)實(shí)際厚度情況，對(duì)此剎車(chē)片進(jìn)行了分析研究。

1 磨耗分析

磨損率定義為單位長(zhǎng)度內(nèi)單位載荷下所磨損的體積，即：

其中，

δ——磨損率；

ΔV——磨損體積；

H——線性總磨損量；

A——表觀面積；

∑W——累計(jì)摩擦功。

在偏航制動(dòng)系統(tǒng)中，累計(jì)摩擦做功為：

其中，

Tbrake——制動(dòng)力矩；

S——制動(dòng)距離。

偏航制動(dòng)器制動(dòng)力矩為：

其中，

R——制動(dòng)半徑；

Pc——卡鉗制動(dòng)壓力；

Ap——卡鉗活塞面積；

μ——摩擦系數(shù)。

根據(jù)上述式子，公式（1）可化為：

由式（4）可知，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航制動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)制動(dòng)器及剎車(chē)片外形尺寸確定的情況下，摩擦材料的磨耗主要由制動(dòng)器壓力、運(yùn)行距離等情況決定。

2 制動(dòng)壓力分析

2.1 壓力控制策略

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航制動(dòng)器主要有兩種應(yīng)用工況，一是在風(fēng)機(jī)發(fā)電時(shí)，液壓站為制動(dòng)器提供高壓制動(dòng)，通過(guò)剎車(chē)片提供的摩擦力使得與制動(dòng)器相連接的機(jī)艙能與固定的對(duì)偶件達(dá)到相對(duì)靜止，此時(shí)葉輪能最大限度的捕獲風(fēng)力，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率；此時(shí)摩擦片與制動(dòng)盤(pán)之間主要是靜摩擦的作用。二是當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化，風(fēng)機(jī)需要偏航重新迎風(fēng)時(shí)，制動(dòng)器會(huì)從高壓切換至低壓狀態(tài)，風(fēng)機(jī)的機(jī)艙通過(guò)偏航軸承在偏航減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行對(duì)風(fēng)，此時(shí)制動(dòng)器提供一個(gè)25±5bar 的背壓，保證機(jī)艙在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中不會(huì)因?yàn)橥蝗坏年囷L(fēng)對(duì)軸承和減速機(jī)等大部件造成沖擊，同時(shí)提供的背壓還能減少偏航完成時(shí)制動(dòng)器切換到高壓制動(dòng)時(shí)的緩沖時(shí)間。

低壓偏航控制策略是同類(lèi)風(fēng)機(jī)的控制方案，運(yùn)行情況良好。而且，低壓偏航控制策略是風(fēng)電行業(yè)內(nèi)絕大多數(shù)主機(jī)廠均在使用的控制策略，是一種得到了廣泛認(rèn)可的能有效保護(hù)偏航軸承齒圈和偏航減速機(jī)的控制方法。

在偏航制動(dòng)系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)制動(dòng)器及其部件進(jìn)行了嚴(yán)格的測(cè)試。剎車(chē)片作為核心的組成部件，主機(jī)廠依據(jù)制動(dòng)器的使用工況，對(duì)剎車(chē)片各種機(jī)械和理化性能進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，特別針對(duì)風(fēng)機(jī)存在的高壓錨定和低壓偏航工況，進(jìn)行了摩擦系數(shù)、磨損率和噪聲等重點(diǎn)性能的測(cè)試，使產(chǎn)品能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)才允許進(jìn)行使用。

2.2 偏航壓力

此風(fēng)場(chǎng)偏航設(shè)定壓力為25±5bar，根據(jù)該風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)調(diào)查情況，多數(shù)風(fēng)機(jī)設(shè)定壓力為20bar，符合參數(shù)設(shè)定要求。同時(shí)調(diào)查其他風(fēng)電主機(jī)廠偏航余壓，情況見(jiàn)表1 所示。

表1 各主機(jī)廠偏航余壓

本廠偏航余壓設(shè)定為25bar，高壓為160～180bar，余壓占比為：25/160=15.63%。其他主機(jī)廠家偏航制動(dòng)器高壓普遍是140～160bar，各主機(jī)廠余壓占比對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 余壓占比值百分比

根據(jù)表1 和表2 數(shù)據(jù)可以知，行業(yè)內(nèi)主流偏航余壓設(shè)定值在15～40bar 之間，且風(fēng)機(jī)發(fā)電時(shí)的錨定壓力在140～180bar 之間，風(fēng)電行業(yè)內(nèi)液壓制動(dòng)器參數(shù)設(shè)定基本趨于一致。在風(fēng)機(jī)無(wú)特殊故障時(shí)，高壓狀態(tài)下的剎車(chē)片與制動(dòng)盤(pán)保持相對(duì)靜止，此時(shí)認(rèn)為剎車(chē)片無(wú)磨損；僅風(fēng)機(jī)在低壓偏航時(shí)存在剎車(chē)片磨損情況，因此主要對(duì)比偏航低壓狀態(tài)情況。

此風(fēng)場(chǎng)設(shè)定的偏航背壓與其他主機(jī)廠壓力值相近，25bar 壓力值處于15～40bar 的中位，因此偏航余壓相較于其他主機(jī)廠來(lái)說(shuō)并不存在過(guò)高的問(wèn)題；且偏航余壓百分比15.6%相較于10.7%-17.8%的范圍也不存在超出的情況。該風(fēng)場(chǎng)各機(jī)組部件運(yùn)行正常，在偏航系統(tǒng)部件無(wú)異常情況下，偏航壓力不會(huì)致使偏航剎車(chē)片過(guò)度磨損。

3 偏航頻次分析

風(fēng)機(jī)發(fā)電時(shí)制動(dòng)器錨定機(jī)艙，剎車(chē)片與其對(duì)偶件不存在相對(duì)位移，僅在偏航時(shí)摩擦材料存在磨損。在磨耗分析中可知，除壓力外就是運(yùn)行距離與磨耗有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中與運(yùn)行距離主要相關(guān)的影響因素有風(fēng)資源、偏航半徑和偏航頻次等。

該風(fēng)場(chǎng)裝有本廠及A 廠同兆瓦型機(jī)組，兩種機(jī)組偏航制動(dòng)半徑誤差不超過(guò)±3%；且機(jī)組處于同一區(qū)域，風(fēng)資源誤差較小，因此可以認(rèn)為偏航頻次為影響兩廠剎車(chē)片磨耗的主要因素。為減小相關(guān)誤差量影響，考慮單一變量原則，選取2 組12 個(gè)月數(shù)據(jù)對(duì)比兩廠偏航運(yùn)行次數(shù)，進(jìn)行偏航距離對(duì)比分析。

第一組12 個(gè)月偏航次數(shù)對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1 所示。

第二組12 個(gè)月偏航次數(shù)對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2 所示。

根據(jù)圖1 和圖2 所知，本廠與A 廠每月偏航次數(shù)存在一定的偏差，相對(duì)偏航次數(shù)來(lái)說(shuō)誤差級(jí)別較?。涸? 個(gè)自然年的不同月份中，兩廠均是3～7 月偏航次數(shù)較多，此時(shí)應(yīng)該是該區(qū)域的大風(fēng)時(shí)段，在其他月份偏航頻次均有所降低，總體來(lái)說(shuō)兩廠每月偏航頻次數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)較為一致，可以使用兩廠該數(shù)據(jù)變化特性進(jìn)行情況分析。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了本廠與A 廠總偏航次數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 本廠與A 廠總偏航總次數(shù)

根據(jù)表3 中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，組1 中兩廠在1 個(gè)自然年內(nèi)總偏航次數(shù)均為1.8 萬(wàn)次，誤差為1.19%；組2 中兩廠總偏航次數(shù)均為1.7 萬(wàn)次，誤差僅為0.29%，兩組數(shù)據(jù)中總偏航頻次誤差不超過(guò)1.5%。在較長(zhǎng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)內(nèi)，當(dāng)無(wú)較長(zhǎng)故障停機(jī)的基礎(chǔ)上，可忽略機(jī)組特性及部分控制策略的差異，因此認(rèn)為兩廠偏航頻次基本一致。

在偏航制動(dòng)半徑、風(fēng)資源和偏航頻次一致的基礎(chǔ)上，剎車(chē)片運(yùn)行距離相同，在剎車(chē)片實(shí)驗(yàn)室測(cè)定通過(guò)且滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，其磨耗在實(shí)際運(yùn)行中不會(huì)存在較大差異。

4 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

本廠有對(duì)隨機(jī)選取的幾臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行剎車(chē)片更換和抽查，針對(duì)剎車(chē)片本身機(jī)械和理化參數(shù)提出的疑問(wèn)，本廠對(duì)風(fēng)場(chǎng)拆卸下的偏航剎車(chē)片進(jìn)行了重新實(shí)驗(yàn)和測(cè)試：在實(shí)驗(yàn)室采用偏航拖磨試驗(yàn)臺(tái)，把拆解回的摩擦片重新安裝進(jìn)相應(yīng)制動(dòng)器中，在25bar 下進(jìn)行拖磨試驗(yàn)以測(cè)定實(shí)際摩擦系數(shù)和磨耗參數(shù)。獲得的結(jié)果如圖3 所示，磨損率0.08cm3/Nm，標(biāo)準(zhǔn)要求為≤1cm3/Nm，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

針對(duì)拆解下來(lái)的剎車(chē)片，本廠采用游標(biāo)卡尺對(duì)其剩余厚度進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，隨機(jī)選取了21 塊剎車(chē)片進(jìn)行測(cè)量，獲得數(shù)據(jù)見(jiàn)表4 所示。

表4 剎車(chē)片剩余厚度測(cè)量值

本廠新剎車(chē)片總厚度為18mm，摩擦材料厚度為10mm。上述隨機(jī)抽取剎車(chē)片平均厚度為15.02mm，剩余摩擦材料7.02mm，本廠風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行年限約2 年，每年摩擦材料消耗1.49mm。按照上述計(jì)算結(jié)果，摩擦材料至少可以滿(mǎn)足5 年以上的運(yùn)行周期。

5 問(wèn)題分析及應(yīng)用總結(jié)

根據(jù)上述分析，該風(fēng)場(chǎng)機(jī)組偏航控制策略、偏航壓力數(shù)值和偏航距離與本廠及其他同類(lèi)型風(fēng)機(jī)基本一致，且實(shí)驗(yàn)室測(cè)試原剎車(chē)片磨耗符合技術(shù)參數(shù)要求，實(shí)際中“過(guò)度磨損”問(wèn)題其實(shí)并不存在。根據(jù)后續(xù)調(diào)查得知，該風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)較多粉末是由于摩擦材料中含有較大的顆粒組分，如膠粉等。此種組分選擇主要為滿(mǎn)足噪聲要求，能有效減低偏航時(shí)可能出現(xiàn)的噪聲。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航制動(dòng)器剎車(chē)片磨耗作為首要技術(shù)控制參數(shù)需要從嚴(yán)控制，但設(shè)計(jì)人員需從組分控制出發(fā)，結(jié)合風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況實(shí)際情況改良剎車(chē)片磨損及運(yùn)用效果，可得出如下經(jīng)驗(yàn)：

①剎車(chē)片生產(chǎn)廠家進(jìn)行組分設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選取高強(qiáng)度粘接劑、高模量纖維，以保證摩擦材料較高的理化性能，同時(shí)采用耐高壓的潤(rùn)滑材料，提高密度同時(shí)使產(chǎn)品具有良好的耐磨性，生產(chǎn)廠家在組分選取時(shí)需采用細(xì)目型組分，防止摩擦粉末污染風(fēng)機(jī)內(nèi)部。

②剎車(chē)片磨耗與機(jī)組特性有強(qiáng)相關(guān)性，作為風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家應(yīng)關(guān)注偏航壓力，在設(shè)計(jì)和選用剎車(chē)片時(shí)需保證摩擦材料與工作壓力相匹配；且需從風(fēng)向獲取出發(fā)，采用正確的偏航控制順序及邏輯，在不影響發(fā)電量的基礎(chǔ)上控制偏航控制頻次，偏航系統(tǒng)不應(yīng)存在過(guò)多的滑動(dòng)距離，致使偏航剎車(chē)片磨損過(guò)快或造成相關(guān)部件的疲勞磨損。

③剎車(chē)片設(shè)計(jì)需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)中結(jié)合風(fēng)機(jī)實(shí)際情況，選取正確的對(duì)偶件材料、表面參數(shù)和運(yùn)行壓力進(jìn)行測(cè)試，得出最符合實(shí)際的磨損磨耗，從而為機(jī)組維護(hù)提出有效參考意見(jiàn)。并且設(shè)計(jì)人員應(yīng)在產(chǎn)品的掛機(jī)測(cè)試中積極跟進(jìn)運(yùn)行效果，針對(duì)有問(wèn)題的產(chǎn)品及時(shí)改進(jìn)，以滿(mǎn)足客戶(hù)使用要求。

6 結(jié)語(yǔ)

偏航制動(dòng)系統(tǒng)作為風(fēng)機(jī)重要組成部分，其運(yùn)行維護(hù)周期與風(fēng)機(jī)有效發(fā)電量密切相關(guān)。特別是偏航制動(dòng)器作為常閉式制動(dòng)器，有高、低壓工況，與以往盤(pán)式制動(dòng)器工作狀態(tài)存在明顯差異，剎車(chē)片的研究和應(yīng)用需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析研究，不僅滿(mǎn)足磨耗、噪聲等技術(shù)參數(shù)要求，還要避免給應(yīng)用方造成衛(wèi)生困擾等相關(guān)問(wèn)題。