風電制動器關鍵零部件制造技術及制動效果試驗

姜偉濤

（蘇州艾聯(lián)精特航空科技有限公司，江蘇 蘇州 215621）

結合風電制動器的工作原理，在風電機組正常運轉時，制動盤與制動閘片之間始終保持相對恒定的間隙（通常為3-5mm）；當機組管理人員下達了停機指令后，利用壓縮彈簧提供一個機械推動力，使制動閘片貼合到制動盤上，利用兩者之間的摩擦力使風電發(fā)動機組實現(xiàn)制動。隨著制動次數(shù)的增加，制動閘片的磨損情況也會越來越嚴重，制動效果變差，制動時間延長，這時必須要更換新的制動閘片。由此可見，補償制動閘片作為風電制動器的關鍵零部件，研究一種新型的制造工藝對提高制動器的制動效果和延長制動器的使用壽命有積極幫助。

1 風電制動器關鍵零部件制造技術

1.1 補償零件的受力分析

風電制動器的工作流程如下：

（1）風力發(fā)電機組正常運行時，液壓機構將壓力油推入到制動鉗的油缸中，在壓力作用下活塞后移，為制動盤和制動閘片留出一定間隙，使兩者不會接觸。

（2）風力發(fā)電機組需要停機時，電磁閥接收停機指令后斷電，電機停止運行。此時壓力油失去壓力并回流到油缸中。失去壓力作用后，壓縮彈簧釋放并推動活塞前移，制動閘片貼近制動盤，兩者接觸后完成制動。

（3）風力發(fā)電機組需要重新啟動時，電磁閥接收起動指令并上電，壓力油從油缸噴出，推動活塞后移。由于制動閘片出現(xiàn)一定磨損，此時制動閘片與制動盤之間的間隙有所增加。

（4）此時補償螺母自動向前移動一段距離，通過距離補償時制動閘片與制動盤之間的距離始終維持在系統(tǒng)預設的固定值。因此，補償零件在維持風電制動器制動功能穩(wěn)定發(fā)揮方面具有不容忽視的重要價值。

結合制動器的工作過程，對補償零件展開受力分析，為下一步補償零件的優(yōu)化制造提供必要的參考。受力情況如圖1 所示。

圖1 制動過程中推桿套筒受力分析示意圖

結合圖1 可知，在制動過程中推桿套筒的下端面與制動閘片接觸，并且同時受到制動閘片的軸向壓力FZ和Fr；另外，推桿套筒的上端面與補償螺母接觸，兩者之間的相互作用力F 被分解為水平方向的分力Fh和垂直方向上的分力Fv。同時為了避免在高速制動下出現(xiàn)機構回退的情況，要求補償機構中螺母與螺桿之間始終維持在相對靜止狀態(tài)。推桿套筒受力平衡情況下的公式可表示為：

FZ=Fv=Fcosθ

Fr=Fh=Fsinθ

在上式中，F(xiàn)Z和Fr均取決于制動力、制動力矩以及制動盤的轉送速度。在風機制動器實際工作中，為了確保機構不發(fā)生回退的情況，要求推桿套筒與補償螺母的合理F 必須大于FZ和Fr之和。

1.2 確定擠壓切削工藝參數(shù)

在明確了補償零件的受力特點后，進一步確定擠壓切削加工參數(shù)。各參數(shù)的具體設計如下：

參數(shù)一：進給量。進給量與補償零件表面粗糙度有直接關系，進而直接決定了表面摩擦系數(shù)。本文設計的補償零件擠壓切削進給量（f）的參數(shù)計算如下：

f=1.78/7≈0.25mm/r

參數(shù)二：背吃刀量。為防止工件材料在擠壓切削加工時因為受到外力擠壓而在表面形成溝痕，需要對背吃刀量進行靈活調整。其中，進給量和刀尖圓弧半徑是決定背吃刀量的關鍵因素。背吃刀量（H）的計算公式可表示為：

H2=rc2-f2/4+r2-2rH

上式中rc表示刀尖圓弧半徑，f 表示工件材料下方量左右兩個支撐架的間隔距離。由于H 值遠小于1，因此H2≈0。則上式可以轉化為:

H≈f2/（4×2r）

參數(shù)三：切削速度。切削速度取決于被加工材料和刀具材料。如果使用一般的高速鋼整體螺紋車刀，可以將切削速度設定在8-10m/min；如果選擇的是硬質合金鑲嵌刀具，則切削速度可以適當提高，一般可以達到30-40m/min。

參數(shù)四：切削液。由于設計的背吃刀量較小，因此實際切削加工中產生的熱量較少，加上加工期間有著良好的散熱條件，對切削液的要求相對較低。綜合考慮后，本次擠壓切削加工中所用切削液為80%柴油與20%機油的混合液。

1.3 擠壓切削加工方案設計

本次加工方案采用的是擠壓切削工藝，將圓柱形樣件放到加工平臺上，設定好進給量、切削速度、切削深度等工藝參數(shù)后，由加工機器自動完成對樣件的加工。為尋找最優(yōu)的加工方案，在精車外圓樣件加工中，通過調整進給量、切削深度等參數(shù)，分別制造了10 個樣件。然后分別測量樣件的表面粗糙度。粗糙度測量選擇表面輪廓儀，取樣長度為5mm，測量長度為3mm，放大倍數(shù)為20 倍。檢測結果表明，當進給量設定為0.25mm/r，切削速度設定為800r/min，切削深度設定為0.05mm 時，樣品加工表面粗糙度有最小值，為12.14μm。在實際進行關鍵零件制造時可根據(jù)這一方案進行加工，對提高零件加工質量有積極幫助。

1.4 關鍵零件表面處理工藝

結合上文制動器工作原理分析可知，制動閘片需要與制動盤接觸使其停止轉動，因此制動閘片在加工制造時進行表面處理尤為重要。目前工業(yè)領域常用的金屬零件表面處理工藝有氣體氮化技術、ARCOR（鹽浴硫氮碳共滲）技術、QPQ 技術等。其中，鹽浴硫氮碳共滲表面處理融合了熱化學擴散、鈍化、精密處理等多種工藝，使用該技術處理后金屬零件表面的耐摩擦性好、防腐蝕性強、耐疲勞強度高，并且加工處理成本較低，綜合應用效果較好。研究表明，金屬零件經過鹽浴硫氮碳共滲處理后，表面會生成一層致密的ε-氮化鐵，該物質的抗粘著磨蝕性能良好，能顯著延長制動閘片的使用壽命。其處理工藝如圖2 所示。

圖2 鹽浴硫氮碳共滲處理流程圖

2 風電制動器關鍵零部件制動效果試驗

2.1 試驗設計

本次試驗在某風力發(fā)電廠的制動器慣性試驗臺上進行，該試驗臺可支持盤式、鼓式、風電等常見制動器的慣性制動試驗、凈扭矩性能試驗。試驗設備均有工控機控制自動運行，支持在線編程，可實時采集、處理、存儲數(shù)據(jù)。試驗對象為兩臺不同類型的風電制動器，其中一臺為某風電場正在使用的SVENDBORG 制動器，另一臺是使用了補償零件擠壓切削工藝和零件表面處理工藝的改進型制動器。在試驗中，除了制動盤的轉速改變外，其他因素均保持一致，消除無關因素干擾。試驗參數(shù)如表1所示。

表1 試驗參數(shù)設置

2.2 試驗結果

將兩臺制動器置于專用慣性試驗臺上進行試驗，分別 設 定 制 動 盤 轉 速 為1000rpm、1250rpm、1500rpm、1750rpm、2000rpm，待風電制動器達到設定轉速并穩(wěn)定運行60s 后開始制動，并記錄制動參數(shù)。試驗結果表明：

2.2.1 經過工藝改良后的制動器，在轉速為1000rpm、1250rpm 和1500rpm 時，改進后制動器在制動時均無回退情況；在轉速為1750rpm 時，減速到10.84s 時有回退現(xiàn)象；在轉速為2000rpm 時，減速到14.14s 時有回退現(xiàn)象。而SVENDBORG 制動器當轉速高于1250rpm 后出現(xiàn)制動回退，在轉速高于1750rpm 時出現(xiàn)無法制動的情況。

2.2.2 在制動時間方面，使用未進行改進的SVENDBORG 制動器，在1000rpm 轉速下制動時間為16.56s，全部制動時間22.44s；相比之下，改進后的制動器在1000rpm 轉速下制動時間為10.46s，全部制動時間11.69s。由此可見，采用先進零件制造工藝后，風電制動器的制動時間有了明顯縮短。不同轉速下2 種制動器制動時間對比如表2 所示。

結合表2 數(shù)據(jù)可知，在低轉速情況下，改進后的制動器制動時間縮短更加明顯，制動速度范圍更大。由此可見，本文提出的基于制動器補償零件的擠壓切削制造工藝和鹽浴硫氮碳共滲表面處理工藝，能夠顯著改善制動器關鍵零部件的性能，進而提升制動效果，讓風電制動器的實際應用價值得到了進一步提升。

表2 兩種制動器制動時間對比結果

3 結論

隨著風電技術日益成熟、風電裝機總量不斷增加，風電企業(yè)對可靠制動器的需求也越來越高。在這一背景下，研究和應用風機制動器關鍵零部件的優(yōu)化制造工藝，進而提升設備制動效果成為當前風電行業(yè)技術創(chuàng)新的主要方向。補償制動閘片是風電制動器的重要零部件，其性能是否可靠直接決定制動效果和設備使用壽命。試驗結果表明，使用擠壓切削加工技術和鹽浴硫氮碳共滲表面處理技術，能夠讓制動閘片的可靠性、適應性得到增強，讓風電制動器的制動速度范圍進一步擴大，制動時間進一步縮短，取得了良好的應用效果。