一種可控制剎車片磨損量的風電機組偏航夾鉗

文|何麗萍，唐超利，余國城

目前，大型風電機組的偏航系統大都由機電驅動機構和液壓制動阻尼系統兩部分組成。其中，機電驅動機構的作用是根據風向傳感器發出的信號，驅動風電機組偏航，使風輪正對風向以便最大限度地捕捉風能。液壓制動阻尼系統包括液壓系統和偏航夾鉗，當風電機組正對風向發電運行時，液壓系統促使偏航夾鉗全壓制動，使風電機組穩定正對風向發電運行。當風向發生變化時，機組啟動偏航，此時液壓力下降，產生在剎車片與剎車盤之間的阻尼降低，確保風電機組穩定的偏航。

由于偏航時產生的摩擦會對夾鉗的剎車片造成一定程度的磨損，理論上來說，當剎車片磨損到一定的程度時，風電機組的維護人員應對其及時進行更換。但是，在現有的偏航夾鉗設計中，驅動剎車片的活塞沒有行程限位裝置，使得當剎車片被過度磨損時難以及時被維護人員發覺，常常造成偏航系統損壞，影響機組的對風，從而影響發電量，更有可能會造成其他部件的損壞，大大增加機組的維修費用，并成為風電機組的安全隱患。

現有剎車夾鉗原理

圖1 為現有技術中風電機組偏航夾鉗的結構示意圖，圖2 為圖1 中所示的A-A 剖視圖，圖3 為多個偏航夾鉗的工作原理圖。

如圖1 所示，偏航夾鉗包括上下對稱布置的上夾鉗體和下夾鉗體，上、下夾鉗體內均設有活塞、可供活塞垂直上下運動的容腔和剎車片。偏航剎車盤位于上剎車片和下剎車片之間并被剎車片夾緊，每個活塞與相應的容腔之間形成油腔。上油腔與下油腔通過上夾鉗體和下夾鉗體中的連接通道而連通，如圖2 所示。上夾鉗體上的相鄰的容腔之間設有注油通道。下夾鉗體上設有注油口和回油口。

圖1 偏航夾鉗內部結構示意圖

圖2 偏航夾鉗A-A剖視圖

偏航夾鉗的工作原理為：液壓站通過注油口向油腔內注滿油并加壓，正常工作時，回油口與液壓站之間設有的閥門為關閉狀態，液壓油通過活塞將壓力傳遞給剎車片，使得剎車片在壓力下壓緊剎車盤產生制動力或阻尼。當偏航剎車包括多個剎車夾鉗時，剎車夾鉗之間為串聯，也就是上一個剎車夾鉗的回油口與下一個剎車夾鉗的注油口相連通，如圖3 所示。

現有技術不足之處

由于偏航剎車夾鉗上沒有限位裝置，當剎車片由于磨損變薄而須更換時，液壓系統及夾鉗不會停止工作，也難以被維護人員及時發現，從而造成剎車片的過度磨損，損傷剎車盤，導致風電機組的對風不準確，影響發電量，并有可能引發安全事故。圖4 和圖5 是被過度磨損的偏航夾鉗的剎車片和被損壞的剎車盤的圖形。

采用增加限位開關的方法，可以避免這種過度磨損的情況發生。申請號為CN200920151417 的中國專利“風力發電機組偏航剎車片過量磨損預警保護裝置”就公開了這樣一種技術方案。該方案在偏航夾鉗中設置限位開關、中間繼電器線圈、中間繼電器線圈工作電源、信號電源、開關量輸入模塊，限位開關中設定磨損量臨界值。當偏航剎車的磨損量到臨界值時，通過繼電器將磨損量轉變為電信號從而實現報警的功能。

該方案所需要的零部件比較多，原理較為復雜，可靠性相對較差，且成本較高。

改進后的剎車夾鉗

在保證偏航剎車基本功能的條件下，為有效控制剎車片的磨損程度、消除安全隱患的同時延長剎車盤的使用壽命，對偏航剎車的夾鉗進行了結構上的改進。

圖6 為改進后的偏航夾鉗的結構示意圖，圖7 為改進后偏航夾鉗的工作原理示意圖。

改進后的偏航夾鉗的上夾鉗體和下夾鉗體上都開有泄油孔，泄油孔穿過夾鉗的側壁通向油腔。如圖6 所示。泄油孔到剎車盤的距離(圖中的L)等于活塞的厚度與剎車片磨損到需維修的程度時的厚度之和。

同一夾鉗體上，相鄰容腔之間還可以設有將兩個油腔相連通的泄油通道，且同一夾鉗體上的所有泄油通道位于同一水平位置上。

在正常情況下，泄油孔被活塞堵住，油腔內的有不會通過泄油孔返回到液壓站。隨著偏航夾鉗的使用時間延長，剎車片被逐漸磨損變薄，在這個過程中，活塞在油壓的作用下不斷地向靠近剎車盤的方向緩慢移動。當剎車片磨損到需要更換的程度時，活塞不能繼續堵住泄油孔，從而使泄油孔與油腔相連通。油腔中的液壓油就會通過泄油孔回流到液壓站，如圖7 所示，導致液壓系統無法給偏航剎車夾鉗施加壓力。此時風電機組的控制系統會將此異常狀況通過控制界面向監控人員發出警報，促使維護人員對偏航剎車進行檢查，避免了剎車片的過度磨損以及因此引起的安全事故，還起到了延長剎車盤使用壽命的作用。

圖3 偏航夾鉗工作原理圖

圖4 過度磨損的剎車片

圖5 被損壞的剎車盤

圖6 改進后的夾鉗內部結構示意圖

圖7 改進后偏航夾鉗的工作原理圖

攝影：郭慧文

由于上夾鉗體的容腔和下夾鉗體的容腔是連通的，泄油孔還可以單獨設置在下夾鉗體或上夾鉗體上。

結語

改進后的偏航夾鉗，由于增加了泄油孔和泄油通道，使得夾鉗剎車片在磨損到需更換的狀態時，油腔內的液壓油可以通過泄油孔返回液壓站，使液壓系統無法給剎車夾鉗施壓，控制系統會將此異常狀況通報給監控人員，從而避免了安全隱患，減小了損失，還可以延長剎車盤的使用壽命。該控制系統成本低，容易實現，而且幾乎不用維護費用，大大節省了成本。