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      一種新型分體式風(fēng)電液壓直動(dòng)制動(dòng)器設(shè)計(jì)研究

      2018-10-25 07:38:56史春香
      風(fēng)能 2018年10期
      關(guān)鍵詞:擋塊分體式摩擦片

      文 | 史春香

      隨著我國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造逐步進(jìn)入成熟階段,兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組業(yè)已成為市場(chǎng)的主流。在裝機(jī)容量不斷提升的同時(shí),機(jī)組對(duì)滿足制動(dòng)要求的偏航制動(dòng)器的需求量越來(lái)越大。當(dāng)前,1.5MW機(jī)組上所用的偏航制動(dòng)器已達(dá)到十臺(tái),2MW及以上機(jī)組偏航制動(dòng)器若再采用此規(guī)格制動(dòng)器,顯然已滿足不了鎖緊力矩的要求。按照摩擦片的安裝方式,偏航制動(dòng)器可分為整體式和分體式兩類,整體式兆瓦級(jí)風(fēng)電制動(dòng)器更換摩擦片時(shí)要將整個(gè)制動(dòng)器全部拆掉,加大了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,增加了業(yè)主的維護(hù)成本。而現(xiàn)有的分體式結(jié)構(gòu)也存在一定的質(zhì)量隱患,比如1.5MW風(fēng)電機(jī)組上所用分體式結(jié)構(gòu)制動(dòng)器,其摩擦片的固定方式為螺栓連接,在安裝和使用中因加工誤差和工人的安裝不到位,會(huì)發(fā)生諸如擋板螺栓上緊力矩不足或螺栓松動(dòng)等問(wèn)題進(jìn)而引發(fā)一系列質(zhì)量事故,因此,市場(chǎng)迫切需要研發(fā)一種外形適中、鎖緊力大、安裝調(diào)整方便的新型偏航制動(dòng)器。

      本文針對(duì)現(xiàn)有風(fēng)電液壓制動(dòng)器的不足,研發(fā)了一款新型分體式風(fēng)電液壓直動(dòng)制動(dòng)器,該液壓直動(dòng)制動(dòng)器是在借鑒國(guó)外同類風(fēng)電制動(dòng)器的基礎(chǔ)上,結(jié)合制動(dòng)器維修存在的問(wèn)題,消除原有的擋板螺栓連接中上緊力矩不足導(dǎo)致摩擦片脫落損壞制動(dòng)盤的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的一種新型液壓直動(dòng)制動(dòng)器。

      工作原理

      該液壓直動(dòng)制動(dòng)器為液壓制動(dòng),浮動(dòng)復(fù)位,是一種能使泄漏油液導(dǎo)流的直動(dòng)型鉗盤式制動(dòng)器,主要用于兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組偏航制動(dòng)。

      工作原理:液壓直動(dòng)制動(dòng)器由機(jī)體和活塞兩大部分組成。向制動(dòng)器通入壓力油后,兩油缸體之間產(chǎn)生壓力夾持住制動(dòng)盤,使制動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)停止。

      由圖1可以看出,本制動(dòng)器由兩個(gè)機(jī)體6構(gòu)成,每個(gè)機(jī)體的油缸內(nèi)裝有活塞7,油缸通過(guò)進(jìn)(出)油口與供油管路連接,油缸與活塞7之間裝有防塵圈11、密封圈12,機(jī)體6的兩翅邊上有一楔形凹槽,左右擋板9上的楔形凸槽裝入機(jī)體上的楔形凹槽內(nèi),擋板9的前后位置通過(guò)銷軸1與機(jī)體6固定,摩擦片10底板面緊貼在活塞7的端面上,固定在左右擋板9之間,連接板3通過(guò)螺栓8與機(jī)體6連為一體,連接板又通過(guò)緊定螺釘4與擋板9連接,此緊定螺釘4可調(diào)節(jié)擋板9的前后位置,擋板9通過(guò)前后移動(dòng)來(lái)調(diào)整摩擦片10。兩個(gè)機(jī)體6通過(guò)螺栓固定在基座上,制動(dòng)盤則處于兩個(gè)摩擦片10之間。

      當(dāng)制動(dòng)器工作時(shí),壓力油由供油管路經(jīng)進(jìn)(出)油口進(jìn)入油缸,油缸內(nèi)活塞7在油壓的推力下向外運(yùn)動(dòng),同時(shí)頂住摩擦片10向制動(dòng)盤推移,摩擦片壓緊制動(dòng)盤從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)剎車。

      當(dāng)制動(dòng)盤需要運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),油缸內(nèi)的壓力油經(jīng)進(jìn)(出)油口卸壓,摩擦片10在制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)作用下脫離制動(dòng)盤一定間隙,同時(shí)在摩擦片10的作用下活塞同樣推入油缸一微小距離,機(jī)器實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

      結(jié)構(gòu)與功能

      一、主要結(jié)構(gòu)

      目前,風(fēng)電機(jī)組偏航制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)主要有兩種形式:整體式和分體式。 本文的液壓直動(dòng)制動(dòng)器采用的是分體式結(jié)構(gòu)。其主要的結(jié)構(gòu)包括:

      (一)楔形擋塊(圖1)

      機(jī)體上設(shè)計(jì)有豎直方向延伸的導(dǎo)軌,擋塊上具有用于與導(dǎo)軌導(dǎo)向配合的凹面,擋塊與摩擦片之間的配合面為由上而下向制動(dòng)器內(nèi)部?jī)A斜的平面。擋塊與制動(dòng)器機(jī)體通過(guò)楔形槽連接為一體。根據(jù)楔形原理,在摩擦片側(cè)面與擋板之間,利用楔形效應(yīng)有效地限制了摩擦片的不固定狀態(tài),便于摩擦片與設(shè)備上制動(dòng)盤之間的間隙調(diào)整,當(dāng)摩擦片端面受力時(shí),摩擦片可作軸向運(yùn)動(dòng);當(dāng)端面不受力時(shí),摩擦片處于固定狀態(tài)。同時(shí)利用楔形效應(yīng)對(duì)制動(dòng)塊進(jìn)行調(diào)節(jié),由于其結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單易行,能有效地調(diào)節(jié)制動(dòng)塊與擋塊的間隙,避免制動(dòng)塊、機(jī)體因加工誤差引起間隙過(guò)大而使得制動(dòng)塊脫落損傷制動(dòng)盤。

      (二)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

      機(jī)體采用獨(dú)特的連接板結(jié)構(gòu),連接板上的螺栓一方面與機(jī)體連為一體,另一調(diào)整螺栓使連接板與擋板連接,調(diào)整擋板與摩擦片之間的間隙后,使連接板、擋板、機(jī)體連接為一體。擋塊上特殊的銷軸連接,鎖定了擋塊在楔形槽的位置。

      與整體式結(jié)構(gòu)相比,分體式結(jié)構(gòu)的制作工藝復(fù)雜、成本高。但它卻成功地解決了整體式結(jié)構(gòu)所存在的上述兩個(gè)問(wèn)題:(1)更換摩擦片時(shí),只要拆卸摩擦片兩側(cè)的楔形擋塊即可,無(wú)需拆裝整個(gè)制動(dòng)器,既方便又省時(shí)省力,大大降低了維護(hù)工作量,減少了維修成本。(2)在摩擦片兩側(cè)的楔形擋塊上還設(shè)置有調(diào)節(jié)螺絲,通過(guò)調(diào)節(jié)螺絲可以消除摩擦片與制動(dòng)體之間的間隙,提高了活塞密封圈的壽命。

      (三)貫通孔

      機(jī)體上為增大制動(dòng)力輸出,加大了缸孔直徑,增加了缸孔數(shù)量,改變了加工工藝,目前采用電火花加工三個(gè)貫通孔,保證了貫通孔的位置和尺寸的一致性,油缸在同樣的壓力作用下,制動(dòng)力輸出更平穩(wěn),有效解決了因制動(dòng)力變化引起的摩擦片磨損不均勻的問(wèn)題。

      (四)油液導(dǎo)流通道

      在每片機(jī)體的中間油缸前部各車一個(gè)環(huán)形槽,通過(guò)打孔使兩個(gè)環(huán)形槽相通,上下機(jī)體的貫通通過(guò)O型圈形成密封通道,保證上下機(jī)體的六個(gè)油缸均相通。當(dāng)任何一個(gè)活塞與缸孔之間漏油時(shí),所漏油液即可通過(guò)環(huán)形槽被引流到設(shè)定好的收集容器內(nèi)。同時(shí)在制動(dòng)器的長(zhǎng)期使用過(guò)程中,由于密封圈摩擦老化等原因,缸體內(nèi)油液會(huì)通過(guò)活塞、密封圈、油缸之間的間隙向外滲漏,如果流到制動(dòng)盤上,既影響剎車性能,又污染環(huán)境。該漏油導(dǎo)流通道可保證制動(dòng)器在漏油的情況下將所漏油液方便地排出回收。因而有效解決了老產(chǎn)品漏油后,油液直接流到制動(dòng)盤上所帶來(lái)的問(wèn)題。

      二、功能要點(diǎn)

      制動(dòng)器通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn),滿足了用戶鎖定力矩要求,實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)制動(dòng)。本研究通過(guò)改進(jìn)機(jī)體的左右兩端面連接形式,減少了進(jìn)入機(jī)體的灰塵等物質(zhì)對(duì)密封的損害,從而延長(zhǎng)了密封圈的使用壽命;滿足用戶不需要拆除整機(jī)即可更換摩擦片的需求,使摩擦片與擋板的間隙調(diào)節(jié)更加方便;同時(shí)為便于檢測(cè)摩擦片的磨損情況,增加了摩擦片報(bào)警功能。此外,特殊的油液導(dǎo)流通道設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)流收集功能,減少了環(huán)境污染。

      (1)現(xiàn)有的風(fēng)電偏航制動(dòng)器結(jié)構(gòu)形式為整體式和分體式,整體式間隙不可調(diào)整,當(dāng)更換剎車片時(shí),需將整個(gè)制動(dòng)器全部拆除,更換后再整體安裝,維修不便,不能很好地滿足使用。此結(jié)構(gòu)為分體式安裝,安裝調(diào)試方便,能滿足工人維修時(shí)不需要拆除整機(jī)即可更換剎車片。

      (2)1.5MW風(fēng)電機(jī)組上用的分體式結(jié)構(gòu)制動(dòng)器,左右兩側(cè)擋板通過(guò)螺栓與機(jī)體固定為一體,因螺栓上緊力矩不同和機(jī)體的加工誤差導(dǎo)致摩擦片從機(jī)體內(nèi)飛出損傷剎車盤。本結(jié)構(gòu)采用特殊的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),通過(guò)楔形效用對(duì)制動(dòng)塊進(jìn)行調(diào)節(jié),能有效地調(diào)整摩擦片與擋板的間隙,避免了此類事故的發(fā)生。

      (3)采用電火花貫通工藝,能保證制動(dòng)器輸出制動(dòng)力更加平穩(wěn)。

      (4)具有泄漏油液導(dǎo)流和收集功能,從外部即可觀測(cè)制動(dòng)器密封漏油情況。

      (5)有摩擦片磨損顯示功能,便于檢測(cè)摩擦片的磨損情況。

      該液壓直動(dòng)制動(dòng)器增加有摩擦片磨損顯示功能(見圖1磨損顯示線),磨損顯示線與風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)上電器接口連接,在摩擦片摩擦材料磨損到2mm時(shí),風(fēng)電機(jī)組信號(hào)顯示制動(dòng)器上磨損顯示線斷開。此顯示裝置便于檢測(cè)摩擦片的磨損情況。

      圖1 新型液壓直動(dòng)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

      主要部件的工藝改進(jìn)

      在風(fēng)電制動(dòng)器的使用過(guò)程中,機(jī)體、活塞和摩擦片是制動(dòng)器的主要部件,這些部件的加工質(zhì)量和摩擦片的連接方式?jīng)Q定了制動(dòng)器的性能。

      一、機(jī)體缸孔的貫通

      機(jī)體上三個(gè)缸孔的貫通,如果采用傳統(tǒng)用盤型銑刀的機(jī)加工方式,一方面是保證不了缸孔之間的強(qiáng)度要求,缸孔之間的毛刺無(wú)法清理;另一方面,一個(gè)刀片僅能加工一件機(jī)體,加工成本較高。而采用電火花新工藝加工,成本僅為機(jī)加工的百分之五,同時(shí)制動(dòng)器輸出制動(dòng)力更平穩(wěn)。

      二、減少活塞磨損

      因活塞表面磨損嚴(yán)重導(dǎo)致制動(dòng)器漏油的原因和改進(jìn)措施:

      1.鍍層質(zhì)量不足

      鍍層的表面硬度和質(zhì)量對(duì)制動(dòng)器的性能影響巨大,為避免因鍍層脫落(圖2)導(dǎo)致密封件與活塞間隙增大引起漏油,增加了活塞的表面淬火硬度,滿足密封與活塞結(jié)合面的使用要求。

      2.出現(xiàn)氣蝕侵蝕表面

      經(jīng)分析認(rèn)為氣蝕的形成是由制動(dòng)器油壓實(shí)驗(yàn)時(shí)油液殘留在機(jī)體內(nèi)引起的,為避免油液中水汽腐蝕活塞表面,在裝配時(shí)增加了制動(dòng)器,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用真空泵抽油,避免了此類問(wèn)題發(fā)生。

      3.粗糙度不足

      活塞的粗糙度由表面的0.8改為0.4(圖3),在實(shí)際應(yīng)用中,活塞表面缺陷在制動(dòng)器裝配過(guò)程中會(huì)引起密封圈損傷,因此提高活塞加工精度,能減少制動(dòng)器漏油的概率。同時(shí)活塞應(yīng)全檢,在運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)有專用的單個(gè)包裝箱,輕拿輕放,以避免活塞表面缺陷引起制動(dòng)器故障。

      4. 優(yōu)化了活塞的細(xì)節(jié)要求(圖4、圖5)

      (1)活塞端面增加了平面度和平行度位置公差要求?;钊亩嗣媾c摩擦片的鋼背面接觸,在油壓加載過(guò)程中,活塞端面的平整度增大了活塞與摩擦片鋼背的接觸面積,降低了摩擦片的比壓,減少了摩擦片或摩擦材料的損傷。

      (2)圓角過(guò)渡

      在活塞前端裝配部分增加了R0.5圓角過(guò)渡,避免在安裝過(guò)程中密封表面劃傷的情況。

      (3)活塞圓周上增加了圓柱度要求

      圖2 表面鍍層脫落

      圖3 正常表面

      圖4 改進(jìn)前活塞結(jié)構(gòu)圖

      圖5 改進(jìn)后活塞結(jié)構(gòu)圖

      活塞圓周表面與密封件之間的間隙必須滿足密封件裝配要求,且該間隙必須保證均勻,如果活塞圓周表面沒(méi)有圓柱度要求,則其與密封件之間的間隙均勻性太差,會(huì)使得密封件的密封性能大大降低,最終可能導(dǎo)致漏油現(xiàn)象的發(fā)生。

      三、減少摩擦材料損傷

      摩擦材料是制動(dòng)器非常重要的部件,需要小心對(duì)待,以免造成摩擦片或摩擦材料的損傷。該制動(dòng)器摩擦材料通過(guò)調(diào)整配方,減少了風(fēng)電機(jī)組的噪音污染。為增加摩擦片的排屑功能,把原結(jié)構(gòu)的摩擦材料上直的排屑槽改為斜行的結(jié)構(gòu),更便于排屑刮塵,減少了摩擦片磨損后脫落的碎片與剎車盤接觸引起的結(jié)晶現(xiàn)象。

      為減少油污引起的摩擦系數(shù)下降影響制動(dòng)性能,摩擦片在使用過(guò)程中必須盡可能保持清潔,避免受油污污染。同時(shí)在安裝制動(dòng)器之前,必須清洗與之接觸的制動(dòng)盤,去除灰塵及防銹油脂等。通常防銹油脂可以分兩步輕易去除:先用汽油或柴油初步清洗;后用清潔去污劑徹底去除殘留的污物。

      結(jié)論

      本文研究了一種擋塊拆卸方便且能夠提高擋塊與機(jī)體之間密封性的可調(diào)節(jié)液壓直動(dòng)制動(dòng)器。該制動(dòng)器為分體式結(jié)構(gòu),安裝調(diào)試方便,能滿足工人維修時(shí)在不拆除整機(jī)情況下更換剎車片的需要。在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組偏航液壓制動(dòng)器的摩擦片調(diào)節(jié)及更換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面有所創(chuàng)新。該制動(dòng)器投入金風(fēng)科技2.5兆瓦及以上兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組使用,運(yùn)轉(zhuǎn)良好,可替代國(guó)外同類型產(chǎn)品,同時(shí)其價(jià)格約為國(guó)外同類產(chǎn)品價(jià)格的一半,產(chǎn)品市場(chǎng)開發(fā)潛力較大,推廣應(yīng)用前景十分廣闊。

      攝影:王迎春

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