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風電機組偏航制動器噪音問題及解決方案
時間:2018-06-14 16:32:57

摘要:風電液壓偏航制動器制動噪音是目前風電機組常見故障現象,怎么解決是一個系統性的工程,機械強度、液壓系統、材料性能等一系列問題都有可能成為噪音誘因。本文主要針對風電機組液壓制動器的現場使用情況進行分析,最后提出了一些解決方法,部分解決了風電機組偏航制動器噪音問題。

關鍵詞:偏航制動;共振;彈性模量;制動偶件

引言

風能是最純潔、無污染和永不枯竭的能源之一,對風能的利用盡管我國起步較晚,但是通過風電人的努力,我國早在2010年就躋身于世界風電大國,尤其在2012年我國的年裝機容量超過一些發達國家而成為世界第一風電大國。但風電機組發展過快,也帶來一些不利因素,如引進機型“水土不服”、關鍵技術難突破、關鍵配套件技術不匹配等。風電機組偏航液壓制動器(以下簡稱“偏航制動器”)是風電機組偏航系統中的機械制動裝置,盡管體積不大,但其重要作用不容忽視。尤其近年來風電場和主機制造商對偏航液壓制動器解決制動噪音的呼聲有增無減,盡管制動噪音暫時沒有發生過明顯誘發故障的事例,但作為綠色新能源技術,噪音問題不解決也是風電場業主所無法接受的。且國外一些風電技術相對發達的國家,今年已經提出“社區風電”的概念,鼓勵個體單位或個人購買風機使用,這就說明風電機組離居民區越來越近,這進一步說明制動噪音問題的解決也確實已經迫在眉睫。本文主要對偏航制動器制動噪音原因進行分析,并列舉了一些現場事例,最后談了一些解決方案。

偏航制動器制動噪音的產生

偏航制動器在風電機組偏航過程中的噪音產生比較突出的三種原因為制動過程中與制動盤不匹配產生共振;剎車片的摩擦材料性能穩定性差或偏航制動器液壓系統壓力波動影響。

1.1、制動過程中與制動盤不匹配產生共振

偏航制動器應保證在較寬的制動初速度及較小的制動比壓下,獲得足夠的制動力矩穩定性。但實際上往往制動盤、摩擦材料的平面度、平行度控制并不能達到標準要求,造成摩擦面結合不均勻,那么在多次摩擦后的壓力和溫度雙重作用下,那么比壓較高的接觸面表層出現硬化、碳化等異化現象.摩擦系數下降過快,但是此時偏航制動器因液壓系統壓力未明顯變化,制動打滑引起振動;加之制動盤接觸面受壓不同也會產生共振,共振波動頻率產生噪音。

偏航制動器和制動盤的相對位置因受氣候或風速等條件的影響,會出現制動盤與偏航制動器本體發生直接接觸,此時即鋼與鋼之間摩擦產生振動,制動對偶匹配不協調導致產生噪音甚至損傷制動盤。

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1.2剎車片的摩擦材料性能穩定性差

偏航制動器摩擦片材料均采用樹脂聚合物為主的復合材料,理論上摩擦材料要保持良好的制動性、熱傳導低、恢復性好,磨耗小,硬度適中、具備一定的耐溫性、耐久性、抗疲勞性等。然該材質的剎車片熱衰減溫度、承受比壓都相對較低,在長時間偏航過程中,摩擦殘留物會附著在制動盤和制動器剎車片之間,如制動產生的熱量超過了剎車片的熱衰減溫度,這些殘留物就會在剎車片表面形成一層燒結層(即脆化光亮的釉光層),而釉光層與制動器之間的摩擦系數只在0.1左右,制動時會打滑并產生噪音。

剎車片的硬度與制動盤的夾緊力大小,有一定的匹配性,在滿足制動工況的前提下,剎車片的硬度以低為好,以降低制動盤磨損,提高制動平穩性。但在實際生產使用中很難找到這一合適點,硬度過高,制動打滑,有噪音;硬度過低,強度差,摩擦時掉塊會加速磨損,同樣有噪音。


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1.3偏航制動器液壓系統壓力波動影響    

偏航制動器液壓站油泵采用的為柱塞泵,理論上是在同時不同位進行極快速的“吸、排”油動作,宏觀上輸出油壓不會發生變化,但從微觀上講輸出流量還是有一的波動,而油泵輸出通過其他液壓元件和壓力出口相連,故制動器所得到的正壓力也是有一定的波動,體現到偏航制動器上即形成了循環波形的正壓力,在偏航制動器與制動盤相互磨合過程中,就會出現一定程度振動噪音。

另外,既然談到振動原因就需談液壓油液本身體積的彈性模量,雖然油液的可壓縮性很小,但與使用壓力和氣候條件存在一定的關聯性。溫度增高時,β值(彈性模量)減小,就是在壓力油液正常的工作范圍內,β值也會有5%~25%的變化;盡管在液壓站設計、選型中一般忽略不計,但是在研究油液的抗震穩定性上,我們不應忽略此環節。(因在我國“三北”地區部分風電場發現,偏航制動器制動噪音與氣候條件存在一定的關系!) 

二、偏航制動器制動噪音的解決方案

偏航制動器制動噪音是一個系統性的問題,制動器本體強度、摩擦片材料性能、使用氣候條件、裝配尺寸誤差等因素都有可能引起。目前國內制動器制造商、摩擦材料制造商乃至風電機組制造商都在積極的探索解決辦法。主要解決方案基本上還是在摩擦材料與制動盤方面考慮,具體方案歸結有如下幾點:

2.1摩擦材料需保持制動性能穩定良好,熱衰退特性要提高,有較強的恢復性,較小的磨損,硬度也要適中,這就要求摩擦材料有高的氣孔率。在保證制動性能滿足要求的前提下盡量減少高硬度材料的使用,增摩材料一般選用莫氏硬度5-7的材料,材料設計應有合適的硬度(洛氏硬度HRL60-100)。任何一種摩擦材料,它的摩擦性能都會隨使用循環周期增長而出現不同程度的減退。所以,對摩擦材料的敏感性和摩擦材料性能穩定性的研究需進一步的探索。                2.2提高偏航制動器與制動盤的配合精度,盡量降低制動盤制動時工作面跳動量,是降低偏航系統制動噪音的前提。盡管目前國內對超過1000mm以上的制動盤目前還沒有標準要求,但是在今年國家能源局新頒布的NB31024-2013《風電機組 偏航液壓制動器》標準4.1.1中明確規定:制動偶件安裝好后,制動覆面相對于制動器安裝底座基面的端面全跳動最大值不大于0.8mm

另外,為清除偏航制動器在制動過程中產生的摩擦材料殘留物,避免這些殘留物在壓力和溫度雙重作用下產生釉光層,對制動盤加工設計時,除考慮制動盤的物理性能外,還需要充分考慮排屑機構,以避免因制動盤和摩擦材料之間的釉光層引起的噪音。                                                   

從上述分析中不難看出,不管是摩擦材料、制動盤的問題還是液壓系統的問題,最終都回歸到一個振動問題上來,怎么減振也就成了解決偏航制動器制動噪音的關鍵。目前國內有部分企業單位、院校等機構通過增設減震底料、橡膠涂層、消音片的方式;也有通過開槽、倒角等機加工措施改變摩擦片或制動盤表面形態的方式等等,圍繞“偏航制動器減振降噪”這一課題做了很多探尋和摸索,最終效果如何還需要時間來驗證。

結語

偏航制動器制動噪音是目前摩擦材料、制動器和風電機組制造商極為關注的問題。由于制動噪音現象產生的原因非常復雜,是一個系統性問題,需要針對具體的機型、安裝環境、液壓系統來進行研究制定方案,我們唯有在日積月累的實踐與經驗中不斷總結,不斷改進,不斷探索來降低改善風電機組偏航制動器制動噪音。以上論述以拋磚引玉,再次引起大家的重視和關注,幫助解決問題,促進我國風電產業的健康快速發展,為我國早日實現從“風電大國”到“風電強國”轉變的夢想而努力。



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