低溫環(huán)境對(duì)風(fēng)機(jī)液壓剎車系統(tǒng)響應(yīng)性能的影響

(東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

0 引言

風(fēng)機(jī)液壓剎車系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的高速軸和偏航制動(dòng)。作為一種野外工作的液壓設(shè)備，環(huán)境溫度變化范圍大，特別是在我國(guó)東北的某些風(fēng)場(chǎng)，冬季的環(huán)境溫度可以低至-45 ℃。溫度降低，液壓油黏度增大，流動(dòng)性能降低；同時(shí)也會(huì)使蓄能器的預(yù)充氮壓力降低，致使系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，影響系統(tǒng)制動(dòng)性能，甚至危及風(fēng)機(jī)的安全。在對(duì)其低溫響應(yīng)性能進(jìn)行一系列的試驗(yàn)研究后，針對(duì)具體的問(wèn)題提出了切實(shí)有效地解決方案，并取得了顯著的應(yīng)用效果。

1 低溫環(huán)境對(duì)液壓油性能的影響

由液壓油的黏溫特性可知，油溫越低，黏度越高，流動(dòng)性能越差，從而影響系統(tǒng)的響應(yīng)性能。在我國(guó)，風(fēng)機(jī)液壓剎車系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度一般要求是-40 ℃～+60 ℃。通常考慮到風(fēng)機(jī)液壓剎車系工作的節(jié)能需要，液壓泵為間隙運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到額定壓力后進(jìn)入保壓運(yùn)行模式。由于系統(tǒng)采用保壓運(yùn)行，油液不能充分循環(huán)，環(huán)境溫度降低時(shí)，系統(tǒng)中的油溫也隨之降低，因此要求系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的工作溫度范圍內(nèi)液壓油應(yīng)具有良好的流動(dòng)性能。

表1 殼牌得力士S4 VX液壓油特性參數(shù)

表1是目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電行業(yè)中，風(fēng)電液壓剎車系統(tǒng)常用的殼牌得力士S4 VX液壓油的黏溫特性曲線。從中可以看出該油品在-40 ℃時(shí)的黏度為2 624 cSt，流動(dòng)性能較差。

對(duì)此，通過(guò)簡(jiǎn)易的方法(在室溫和-40 ℃低溫下，測(cè)試相同容積的液壓油在相同的傾倒方式下通過(guò)相同小孔所用的時(shí)間)對(duì)油液的流動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，200 mL S4 VX液壓油在室溫28.5 ℃下，通過(guò)垂直傾倒的方式通過(guò)Φ2.5 mm的小孔所用時(shí)為1′38″；當(dāng)油溫降到-40 ℃后再進(jìn)行傾倒，則需要8′52″。由此可以直觀的說(shuō)明低溫條件對(duì)該油品的流動(dòng)性能影響明顯。

為了搞清環(huán)境溫度變化對(duì)風(fēng)機(jī)液壓剎車系統(tǒng)的影響，將整套風(fēng)機(jī)液壓剎車試驗(yàn)系統(tǒng)移入低溫試驗(yàn)柜內(nèi)，并測(cè)試其在室溫和低溫條件下軸剎車壓力建立(壓力從0升至10 MPa)的響應(yīng)時(shí)間。通過(guò)測(cè)試得出，系統(tǒng)在15 ℃時(shí)的響應(yīng)時(shí)間為6″93；-20 ℃時(shí)為10″93；-40 ℃時(shí)為20″65。一般，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求常溫環(huán)境下軸剎車壓力建立的響應(yīng)時(shí)間為4±1 s。通過(guò)試驗(yàn)可以看出，液壓剎車系統(tǒng)在低溫環(huán)境下，油液黏度升高后，流動(dòng)性能降低，軸剎車制動(dòng)響應(yīng)遲鈍，影響制動(dòng)及時(shí)性和安全性。

2 低溫環(huán)境對(duì)蓄能器性能的影響

環(huán)境溫度不僅對(duì)油液的黏度有影響，還對(duì)氣體狀態(tài)有較大的影響。根據(jù)理想氣體定律PV=nRT，R為氣體常數(shù)。當(dāng)溫度變化時(shí)密閉容積內(nèi)氣體的壓力和體積也會(huì)隨之改變。風(fēng)機(jī)液壓剎車系統(tǒng)在油泵停止后的保壓運(yùn)行階段，系統(tǒng)動(dòng)力由蓄能器來(lái)維持和提供。由于蓄能器內(nèi)的預(yù)充氮壓力會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而改變，因此在實(shí)際工作中蓄能器的蓄能能力隨環(huán)境溫度的變化而變化。當(dāng)蓄能器的蓄能不足時(shí)將會(huì)影響系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作響應(yīng)特性。

對(duì)于風(fēng)機(jī)液壓剎車系統(tǒng)中1個(gè)2.8 L的隔膜蓄能器，在室溫下(14.3 ℃)給其充上10 MPa的氮?dú)猓缓笤賹⑵浼皽y(cè)壓表一同置入低溫試驗(yàn)柜中測(cè)得圖1所示的氮?dú)鈮毫﹄S溫度(每個(gè)溫度點(diǎn)恒溫2 h后讀數(shù))變化的曲線。

圖1 蓄能器中充氮壓力隨溫度的變化曲線

從圖1中可以得出溫度每降20 ℃，其內(nèi)的氮?dú)鈮毫ο陆? MPa。

在該系統(tǒng)中，蓄能器的動(dòng)作是在短時(shí)間內(nèi)完成的，整個(gè)過(guò)程中不至于發(fā)生熱交換，因此可以認(rèn)為整個(gè)變化是在絕熱狀態(tài)下完成的，此時(shí)有以下蓄能器容積計(jì)算公式。

(1)

V蓄能器容積(2.8 L)；ΔV系統(tǒng)容積需要(補(bǔ)油容積)；P0為蓄能器預(yù)充氮壓力；P1為最小工作壓力(14 MPa)；P2為最大工作壓力(16 MPa)；n為多變指數(shù)(絕熱時(shí)取1.4)。

將室溫時(shí)的充氮壓力和-40 ℃時(shí)的氮?dú)鈮毫胧?1)中，可計(jì)算出：

室溫14.3 ℃，預(yù)充氮壓力10 MPa時(shí)，ΔV=0.199 L；-40 ℃時(shí)，氮?dú)鈮毫档? MPa時(shí)：ΔV=0.155 L，補(bǔ)償能力降低約22%。

通過(guò)計(jì)算得出，隨著蓄能器充氮壓力的降低，其補(bǔ)油能力也在降低，這樣系統(tǒng)的保壓時(shí)間將有明顯的降低。當(dāng)需要緊急制動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)供油不足而影響其制動(dòng)響應(yīng)性能。

3 提高液壓系統(tǒng)響應(yīng)性能的解決方案

3.1 合理設(shè)計(jì)節(jié)流孔結(jié)構(gòu)

一般該系統(tǒng)中的節(jié)流孔直徑均小于1 mm，實(shí)際中要將其加工成薄壁小孔(δ/d≦0.5)困難極大，通常是將其做成細(xì)長(zhǎng)孔。這樣，當(dāng)油溫降低時(shí)，黏度增大，油液在節(jié)流孔內(nèi)的流動(dòng)性能變差，剎車器的制動(dòng)時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)。

圖2 改進(jìn)前后的節(jié)流孔結(jié)構(gòu)

對(duì)此，在不改變孔徑的條件下，將節(jié)流孔從圖2中的(a)結(jié)構(gòu)優(yōu)化成(b)結(jié)構(gòu)后，軸剎車壓力建立的響應(yīng)時(shí)間不論是在常溫，還是在低溫條件下，其性能相對(duì)于改進(jìn)前的6″93(15 ℃)和20″65(-40 ℃)均有顯著的改觀。圖3是系統(tǒng)在室溫17 ℃時(shí)的響應(yīng)曲線，時(shí)間為3.6 s；圖4是在油溫降到-40 ℃時(shí)的響應(yīng)曲線，時(shí)間為7 s。

細(xì)線：指令曲線；粗線：壓力曲線

細(xì)線：指令曲線 ；粗線：壓力曲線

3.2 合理選擇液壓油

油液黏度增加，流動(dòng)性能降低是導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢的主要原因，為此可以通過(guò)選擇低溫下黏度相對(duì)較小的油品以增加其流動(dòng)性，提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。對(duì)此，同樣通過(guò)簡(jiǎn)易的流動(dòng)性試驗(yàn)比較了得力士S4 VX和昆侖15#液壓油在相同溫度溫條件下的流動(dòng)性能。由表2可以看出，在室溫條件下，兩種油品的流動(dòng)性差異并不明顯，但是當(dāng)油溫降到-40 ℃時(shí)，用同樣方式傾倒200 mL的殼牌S4 VX所用的時(shí)間將近是15#航空油的4倍，兩者性能的差異極為明顯。因此從該對(duì)比試驗(yàn)中可以看出，合理選擇液壓油的低溫性能對(duì)提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能有著直接的作用

表2 200 mL液壓油通過(guò)φ2.5 mm節(jié)流孔所用時(shí)間

3.3 合理選擇蓄能器充氮壓力

氣體加載式蓄能器在低溫環(huán)境下主要是因預(yù)充氮壓力的降低而影響液壓系統(tǒng)的補(bǔ)油能力，可能造成補(bǔ)油不足而影響系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)。雖然重力加載或者彈簧加載蓄能器的蓄能能力不會(huì)因環(huán)境溫度的降低而有明顯變化，但由于這兩種蓄能器自身結(jié)構(gòu)特性的限制而不能應(yīng)用在風(fēng)電液壓剎車系統(tǒng)上。因此，在采用氣體加載式蓄能器時(shí)必須考慮預(yù)充氮壓力因環(huán)境溫度變化而對(duì)其蓄能能力的影響。

一般，風(fēng)機(jī)的液壓剎車油站是在制造廠內(nèi)完成充氮，工作運(yùn)行卻是在其他溫度區(qū)域內(nèi)。如，我公司在四川德陽(yáng)，該地的夏季最高溫度36.7 ℃，冬季最低溫度-5.9 ℃。這樣在夏季最高溫度時(shí)生產(chǎn)的剎車油站蓄能器充氮壓力為10 MPa，到了北方冬季-40 ℃工作環(huán)境中氮?dú)饧s為6.2 MPa；而在冬天最低溫度下生產(chǎn)的剎車油站預(yù)充同等壓力的氮?dú)猓搅讼募咀罡邷囟?0 ℃的環(huán)境中工作時(shí)，實(shí)際氣壓約為12.3 MPa。

經(jīng)計(jì)算，1臺(tái)90缸徑的主動(dòng)式軸剎車器在最大工作位置的行程為14 mm時(shí)的油耗量為0.09 L。液壓剎車系統(tǒng)的工作壓力為16～14 MPa，軸剎車器的工作壓力為10 MPa，為了保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定工作，無(wú)論系統(tǒng)處于最高壓力或是最低壓力狀態(tài)，觸發(fā)剎車，系統(tǒng)蓄能器都要提供不低于0.09 L，壓力不低于10 MPa的壓力油以滿足軸剎車的制動(dòng)需要，確保安全制動(dòng)。由此，生產(chǎn)廠家應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)地和工作地的溫度變化情況按照式(1)進(jìn)行計(jì)算，合理選擇蓄能器的容積和充氮壓力。

為了保證液壓剎車系統(tǒng)的正常工作，則需要根據(jù)系統(tǒng)的最高油耗量和生產(chǎn)地與工作地的溫度變化情況，合理確定蓄能器的充氮壓力，以滿足其在設(shè)計(jì)的環(huán)境溫度條件下系統(tǒng)都能正常工作，而不需要維護(hù)人員時(shí)常上風(fēng)機(jī)對(duì)蓄能器進(jìn)行充氣或排氣操作。

3.4 機(jī)艙加熱

由于低溫環(huán)境影響的不僅僅是液壓剎車系統(tǒng)工作性能，對(duì)風(fēng)機(jī)上其他設(shè)備的正常工作也有一定的影響。通常，低溫機(jī)組都有機(jī)艙加熱設(shè)備，液壓站、剎車器及管路布置機(jī)艙內(nèi)部，因此保證低溫加熱設(shè)備的正常工作，避免機(jī)艙溫度降得過(guò)低，對(duì)提高剎車系統(tǒng)響應(yīng)性能也有著積極的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)一列的試驗(yàn)研究，增強(qiáng)了對(duì)風(fēng)機(jī)液壓剎車系統(tǒng)低溫響應(yīng)性能的認(rèn)識(shí)，并針對(duì)相應(yīng)的問(wèn)題提出了切實(shí)有效的改進(jìn)方案，提高了風(fēng)機(jī)液壓剎車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平和產(chǎn)品性能質(zhì)量，為風(fēng)機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的技術(shù)保障。野外工作的液壓設(shè)備的系統(tǒng)響應(yīng)性能容易受到環(huán)境溫度變化的影響，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分的考慮該因素對(duì)系統(tǒng)影響，并采取合理的應(yīng)對(duì)措施確保系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。