風電摩擦片試驗方法研究

文|王能

風電摩擦片試驗方法研究

文|王能

風電摩擦片的工作原理是將制動器上作用的夾緊力轉換成制動力，使制動盤停止轉動或在停機狀態下防止其轉動（停機制動），摩擦片的摩擦磨損性能是影響風電制動器制動力大小的一個重要因素。由于風電制動器實施制動時間短、夾緊力大等特點，因此對風電摩擦片的性能要求高。風電摩擦片采用銅基粉末冶金材料與背板加壓燒結成一體，具有摩擦系數高且穩定、受外界環境影響小、磨耗小、壽命長、熱容量高、制動要求高等優點，本文采用試驗方法對風電摩擦片進行驗證。

配方篩選試驗

風電摩擦片的實際運行工況是驗證其摩擦磨損性能的一個約束條件，針對不同工況下的風電摩擦片需要進行不同的配方篩選，以確定該粉末冶金材料層能滿足該工況下的性能要求。由于設備和成本的限制，試驗不可能1:1地完全反映真實情況，而且配方篩選是一個循環過程，因此可采用1:4制動動力試驗來進行這一繁復工作。

為保證面積縮比后的風電摩擦片能反映實際情況，得到真實可靠的試驗結果，因此在試驗參數的計算過程中進行了如下假設：（1）保證試驗臺制動半徑上的初始制動速度與實際制動半徑上的初始制動速度相同；（2）保證試驗制動時間與實際制動時間相同；（3）保證風電摩擦片在單位面積上的熱功率相同；（4）試驗機上的夾緊力是通過實際制動時間來確定的。可將上述假設條件代入以下公式，求得試驗輸入參數。

q—單位面積熱功率值，J/mm2·s；

W—制動總功，J；

S—摩擦片摩擦面積，mm2；

t—制動時間，s；

ω—制動盤轉動加速度，rad/s；

J—制動盤轉動慣量，N·m2；

根據制動力矩的物理特性，可知: Mt＝Jω即：

求得模擬試驗夾緊力：

M—制動力矩，N·m；

μ—摩擦系數；

FC—制動器夾緊力，N。

表1 試驗輸入參數

配方驗證試驗

考慮到縮比試驗的局限性，需要對篩選出的配方摩擦片進行1:1制動動力試驗，來驗證配方的可行性。當慣性試驗臺能滿足工況要求時，可直接按照實際制動參數進行試驗，當試驗臺不能滿足其工況要求，可采用“能量等值替換”的原理，將機組實際的制動參數轉化為1:1制動動力試驗的參數。如果進行換算后的參數條件仍不能適用于試驗臺，可采取夾緊力數值直降的措施，但其試驗結果僅供參考。

在計算過程中進行以下條件假設：（1）保證風電制動器在制動過程中產生的總制動功不變；（2）保證摩擦系數不變；（3）保證風電摩擦片比壓p和線速度v的乘積，即pv值不變。

通過以上假設條件可計算出1:1制動動力試驗參數。

風電摩擦磨損性能分析

以兆瓦級風電摩擦片的制動動力試驗為例，進行風電摩擦片的摩擦磨損性能分析。風電摩擦片的制動動力試驗主要技術參數，如表1所示。

一、風電摩擦片1:4制動動力試驗分析

風電摩擦片摩擦磨損試驗的主要參考項點為摩擦系數、磨耗量、制動時間、火花量、最高溫升等。

（一）摩擦系數是一個重要的考評項點，粉末冶金材料配方方案和生產工藝兩要素是決定摩擦系數的關鍵。圖1分別提取了兩種粉末冶金配方方案下的摩擦系數曲線，在常用制動工況條件下， TYF16-2摩擦系數曲線平緩且隨著制動次數的提高摩擦系數值呈現穩步上升趨勢，平均維持在0.422；TYF16-1隨著制動次數的提高摩擦系數值下降趨勢明顯，可見隨著制動的持續進行，TYF16-1配方摩擦片的摩擦系數有衰減趨勢。在非常用工況下TYF16-1摩擦系數則一度跌落0.3，不滿足設計要求。

（二）磨耗量是評定風電摩擦片使用壽命的一個關鍵點。磨耗量可以從厚度磨耗、質量磨耗和能量磨耗等評定方法進行計算。文中采用每兆焦能量損耗的體積值來考核摩擦片的磨損量，如表2所示。在常用制動工況下，TYF16-2主動側摩擦片的磨耗略大于TYF16-1摩擦片；TYF16-2被動側摩擦片的磨耗則小于TYF16-1摩擦片，引起這一情況的主要原因是制動器在進行TYF16-2試驗時，制動夾鉗兩側受力不均衡引起的；在非常用工況下，同樣存在上述問題，但明顯在制動盤速度提高后，TYF16-1摩擦片的磨耗量以倍數的形式大于TYF16-2。

表2 磨耗量 單位：cm3/MJ

（三）風電機械制動過程開始于葉片向90o變槳，等風輪轉速下降到一定程度后才開始記入制動時間。制動時間是風電摩擦片摩擦磨損試驗的一個約束條件，必須保證制動過程在兆瓦級機組規定的制動時間內結束。表3所示制動時間不包括壓力上升時間，在常用制動工況下，TYF16-1的制動時間最短，而TYF16-2和TYF16-1的制動時間都能滿足約束要求；在非常用制動工況下，根據逐級遞進的制動初速度的形式進行試驗并采集時間數據，隨著制動初速度的提高且在達到1800rpm以后，TYF16-2制動時間的優勢更為明顯。

（四）風電摩擦片在實施制動時（制動艙屬于封閉結構），如有大量的火花生成則會造成嚴重的后果，因此在試驗過程中需要進行火花量的監控。火花檢測可通過兩種方式進行：

1.以視頻形式記錄制動過程中火花飛濺情況。

2.安裝火花檢測裝置，按照濾布的燒損程度來評定摩擦片的合格與否。火花采集裝置由兩張間距為25.4mm的濾布組成，安裝在火花飛濺的源頭位置，如火花采集裝置的第一層濾布有燒損痕跡，而第二層濾布無燒損，則摩擦片合格；如一、二層濾布均被火花燒損，則摩擦片不合格。試驗結束后，兩種配方摩擦片的火花檢測結果均合格。

（五）粉末冶金摩擦片在制動過程中的最高溫升情況也需要進行評定。最高溫升分為制動盤最高溫升和摩擦材料最高溫升兩種，原理是在制動盤或摩擦材料上放置熱電偶，測量其制動過程的最高溫度；如試驗設備允許，還可采用熱成像儀，記錄制動盤在制動過程中的溫度變化。由于摩擦材料是磨耗件，且在摩擦塊上開孔易影響其性能強度，因此一般在制動盤內放置熱電偶。TYF16-2制動盤最高溫度為78℃；TYF16-1制動盤最高溫度為102℃。形成這一現象的原因是制動盤溫度升高慢，在試驗機記錄溫度的時間點時制動盤還未達到其最高溫度，因此數據僅供參考。

二、風電摩擦片1:1制動動力試驗分析

由于配方產品TYF16-1有部分性能不滿足要求，而為了能節約時間和成本，更全面地考核摩擦片的摩擦磨損性能 ，僅對TYF16-2配方摩擦片，進行了100次常規制動動力試驗以及4次非常規制動動力試驗（試驗結果見表4、表5）。評定的試驗參數為：摩擦系數、制動時間、制動盤溫度、噪音、磨耗量和火花量。

（一）摩擦系數要滿足在常用制動工況的100次循環試驗下能達到名義摩擦系數值且幾乎無衰減，而在非常用制動工況下得到的數據（見圖2）僅可供參考，正常機組進行一次非常用制動工況，摩擦片必須進行更換。

表4 常用工況下的試驗數據

表5 非常用工況下的試驗數據

表6 厚度磨耗

（二）風電摩擦片的制動時間與摩擦系數的大小有關，在夾緊力、制動初速度不變的條件下，摩擦系數越高則制動力越大，相應的制動時間就越短。從制動時間看，因試驗條件限制而降低制動夾緊力得到的TYF16-2風電摩擦片制動時間在理論計算范圍內。

（三）磨耗量要從質量磨耗和厚度磨耗兩個方面同時監控記錄，根據《風力發電機組制動器專用規則》中的要求：風電制動器在慣性試驗臺上連續制動100次，摩擦片的磨耗質量與試驗前摩擦片的質量之比不應大于千分之五。TYF16-2摩擦片的磨耗質量比為3.47‰，TYF16-2配方摩擦片滿足《風力發電機組制動器專用規則》中的要求。最后對摩擦塊在1:1制動動力試驗前后進行了厚度磨損的測量，結果如表6所示。

（四）風電摩擦片在機組正常運行過程中，遇到非常用制動工況的情況非常少，因此文中列出在常用制動工況下的風電摩擦片的表面磨損情況，如圖3和圖4所示。TYF16-2配方摩擦片在進行100次制動后，被動側摩擦片比主動側摩擦片的表面狀況好，磨耗量少，這主要是由于主動側受力情況較被動側更為惡劣。而主動側摩擦塊有局部掉屑的現象，這種情況在摩擦片的中間位置更為明顯，這是由于中間位置摩擦塊的排布相較四周更為密集，且接近有效制動半徑區域，而制動時產生的能量不易于散去，導致摩擦塊的受損程度較為嚴重。

（五）火花檢測裝置的評定標準：在風電制動盤與制動器下方或上方（以制動盤旋轉方向為依據）水平安裝長方形火花過濾屏風（558.8mm×304.8mm×25.4mm），進行花火采集。如果火花燒傷屏風的兩層濾布，則摩擦片不合格；如火花未燒損或僅燒損屏風的第一層濾布，而第二層濾布未被燒損，摩擦片合格。

結論

（一）風電摩擦片摩擦磨損性能的考核項點為：摩擦系數、制動時間、制動盤溫升（或摩擦塊溫升）、噪音、磨耗量和火花量。

（二）縮比試驗所得結果與1:1制動動力試驗得到的結果有明顯的區別，例如TYF16-2配方摩擦片的縮比試驗得到的平均摩擦系數為0.422，而1:1制動動力試驗得到的平均摩擦系數則為0.363。

（三）試驗結果表明，制動盤表面最高溫升情況不能代表摩擦塊的溫升，如需測定摩擦塊在制動過程中的最高溫升情況，則必須在摩擦片工作區域的摩擦塊處打熱電偶并進行測量，但需考慮摩擦塊本身強度問題。

（作者單位：南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司）