穆格為風機偏航剎車系統提供疲勞耐久測試解決方案

穆格公司

※ 介紹

本案例客戶為國際知名風電設備制造商，擁有一個專門團隊服務于風能業務，從事許多風力發電方面的研究和測試，包括熱平衡、疲勞耐久、可靠性測試和技術開發。

作為世界領先的精確運動控制部件和系統設計制造者和集成商，穆格公司為航空、汽車、風能等各個行業度身定制各種結構和性能測試解決方案。風機平均功率已從2000年初的800kW增大到去年的 1.5MW。而此趨勢還有繼續發展的勢頭，未來幾年內大多數新風機的功率將會增大到 2 MW 以上。隨著風機平均功率越來越大，風機原始制造商們也開始越來越多地使用較大尺寸的葉片和創新材料，使風機的設計不斷更新。而不斷地變化致使結構測試技術變得前所未有的重要，并驅使領先風機制造商們尋求穆格幫助他們滿足其測試的需求。穆格在航空和汽車測試方面經驗豐富，并擁有多項技術創新，從而為穆格風機測試系統打下了堅實的基礎。

風力發電機的偏航系統能夠在風速矢量的方向變化時快速平穩對準風向，使風機獲得最大的風能。大中型風機一般都會采用偏航系統來調整風機輪轂并使其對準風向。精密的測風儀器將檢測信號傳輸給電腦化控制器，經過分析后驅動偏航控制系統的電機和齒輪箱使風機盡可能地減少風能損失，提高了風機系統的工作效率。為了保證風力發電系統的安全，偏航控制系統不斷對風機進行主動式穩定控制。當偏航電機轉動的時候，剎車系統在低壓狀態下工作，而當偏航電機停止轉動時，剎車系統切換至高壓狀態并鎖止剎車，將主機室固定在理想的位置上。而頻繁的作動對整個風機剎車系統的耐久特性是一個嚴酷的挑戰。

只要風機偏航系統工作，剎車系統就不停地工作，剎車系統一旦失效，整個偏航控制系統也就失去了控制力，嚴重威脅到風機的安全。因而剎車系統的疲勞耐久力對確保風機正常安全工作至關重要。風能業務是該廠商全球“綠色創想”戰略的重要組成部分，因而驅使其尋求最合理有效的解決方案，對風機運動控制的關鍵部分——偏航剎車系統進行疲勞耐久性能測試。

※ 技術挑戰

隨著風機葉片尺寸的增大，相應地，風機輪轂，偏航控制系統，包括剎車系統的尺寸也隨之增大。“完成這個測試首先面臨來自空間的挑戰，” 廠商代表說：“一個葉片直徑60米的風機，它的剎車系統就相當于一個直徑二三十米的大鐵環，占地就是好幾百平米，質量也很大，要在廠房里安裝相應尺寸的測試系統進行測試，對廠房、設備要求都太高，成本也是驚人的。”

此廠商對于廠房的承重要求也近乎嚴苛，限重500公斤每平方米以下，這為測試臺架的設計提出了兩面夾擊的巨大挑戰。“一方面，限重要求測試臺架質量要輕，質量輕就會容易形變或斷裂，另一方面大型測試系統必然執行巨大的動力輸出，這又要求測試臺架必須有很高的強度和剛度，不易變形或斷裂。” 穆格公司太平洋測試與模擬市場業務開發經理Tom Pierce說。

※ 解決方案

作為運動控制領域的專家，穆格與廠商一起創造性地“以直代曲”對整個測試方案進行了簡化，利用一根鋼條來代替大鐵環狀的剎車碟，用鋼條和卡鉗的直線相對位移來代替剎車碟和卡鉗之間的曲線相對位移。

穆格提供的整個測試系統包括測試臺架、反應固件、500 kN伺服作動器以及配備集成式控制油路的液壓動力裝置和數字伺服控制器。伺服作動器中包括油缸上桿式安裝的力傳感器和同軸式安裝的位移傳感器。伺服控制器可以根據傳感器的力反饋和位移反饋發出精確的作動控制指令，從而提供此次測試規格中要求的力和位移控制。

“油缸不停地推動模擬剎車碟與卡鉗的相對運動，而廠商的重點則落在易疲勞的卡鉗、剎車碟和制動墊上，觀察其在這一過程中的磨損情況。” Tom Pierce說。

“油缸的運動帶動模擬剎車碟的運動，以此來考驗整個剎車系統的耐久性能，位移和受力都可以精準控制，而且這套系統油缸的最大輸出力達到50噸，測試系統所提供的精準控制加上大的受力能力正是大型風機偏航系統所要求的。”廠商代表說道。

簡化測試方案也給穆格帶來新的挑戰，那就是測試系統在往復運動中所產生的過多熱量，為此穆格在模擬剎車碟的鋼條內設計了冷卻水再循環系統以耗散試驗過程中產生的摩擦熱。

作動器與剎車總成被置于一個鋼制臺架上。由于傳統的T型槽鐵底板測試臺架過于笨重，無法滿足廠商對于工程設施地面低承重的嚴苛要求，于是穆格設計了創新的框架式加強鋼結構來控制測試臺架的總質量，并確保其強度和剛度。變鑄鐵板為框架式，有效控制了總質量，而使用I型梁構架代替鑄鐵板則強化了臺架的強度（不易變形和斷裂）。此外，穆格的工程師通過 CAE 計算分析臺架各個部位的受力情況，在較大受力點上加上加強筋，增加臺架的剛度。

※ 結果

穆格公司將其在航空、汽車測試領域的經驗成功用于這個極富挑戰的客戶應用中。在保證整個測試系統有效性和可靠性的前提下，穆格為廠商方面提供的創新解決方案大幅度減少測試成本，并且整個測試臺架質量輕、剛度好、強度高，完全滿足了其嚴苛要求。

“采用這套測試系統，我們可以單純地測試一個偏航剎車系統配置的耐久性，也可以通過設定同樣的位移和受力情況來比較不同偏航剎車系統設計的耐久性。” 廠商代表說。

※ 下一步行動

新能源時代已經到來。風能市場不僅是該廠商“綠色創想”的主要市場，也成為高性能運動控制專家穆格公司近年來的重要市場。