風(fēng)電制動(dòng)器關(guān)鍵零部件制造技術(shù)及制動(dòng)效果試驗(yàn)

姜偉濤

（蘇州艾聯(lián)精特航空科技有限公司，江蘇 蘇州 215621）

結(jié)合風(fēng)電制動(dòng)器的工作原理，在風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，制動(dòng)盤與制動(dòng)閘片之間始終保持相對(duì)恒定的間隙（通常為3-5mm）；當(dāng)機(jī)組管理人員下達(dá)了停機(jī)指令后，利用壓縮彈簧提供一個(gè)機(jī)械推動(dòng)力，使制動(dòng)閘片貼合到制動(dòng)盤上，利用兩者之間的摩擦力使風(fēng)電發(fā)動(dòng)機(jī)組實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。隨著制動(dòng)次數(shù)的增加，制動(dòng)閘片的磨損情況也會(huì)越來越嚴(yán)重，制動(dòng)效果變差，制動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，這時(shí)必須要更換新的制動(dòng)閘片。由此可見，補(bǔ)償制動(dòng)閘片作為風(fēng)電制動(dòng)器的關(guān)鍵零部件，研究一種新型的制造工藝對(duì)提高制動(dòng)器的制動(dòng)效果和延長(zhǎng)制動(dòng)器的使用壽命有積極幫助。

1 風(fēng)電制動(dòng)器關(guān)鍵零部件制造技術(shù)

1.1 補(bǔ)償零件的受力分析

風(fēng)電制動(dòng)器的工作流程如下：

（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，液壓機(jī)構(gòu)將壓力油推入到制動(dòng)鉗的油缸中，在壓力作用下活塞后移，為制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片留出一定間隙，使兩者不會(huì)接觸。

（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要停機(jī)時(shí)，電磁閥接收停機(jī)指令后斷電，電機(jī)停止運(yùn)行。此時(shí)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(dòng)活塞前移，制動(dòng)閘片貼近制動(dòng)盤，兩者接觸后完成制動(dòng)。

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

（4）此時(shí)補(bǔ)償螺母自動(dòng)向前移動(dòng)一段距離，通過距離補(bǔ)償時(shí)制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤之間的距離始終維持在系統(tǒng)預(yù)設(shè)的固定值。因此，補(bǔ)償零件在維持風(fēng)電制動(dòng)器制動(dòng)功能穩(wěn)定發(fā)揮方面具有不容忽視的重要價(jià)值。

結(jié)合制動(dòng)器的工作過程，對(duì)補(bǔ)償零件展開受力分析，為下一步補(bǔ)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(dòng)過程中推桿套筒受力分析示意圖

結(jié)合圖1 可知，在制動(dòng)過程中推桿套筒的下端面與制動(dòng)閘片接觸，并且同時(shí)受到制動(dòng)閘片的軸向壓力FZ和Fr；另外，推桿套筒的上端面與補(bǔ)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(shí)為了避免在高速制動(dòng)下出現(xiàn)機(jī)構(gòu)回退的情況，要求補(bǔ)償機(jī)構(gòu)中螺母與螺桿之間始終維持在相對(duì)靜止?fàn)顟B(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(dòng)力、制動(dòng)力矩以及制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)送速度。在風(fēng)機(jī)制動(dòng)器實(shí)際工作中，為了確保機(jī)構(gòu)不發(fā)生回退的情況，要求推桿套筒與補(bǔ)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(bǔ)償零件的受力特點(diǎn)后，進(jìn)一步確定擠壓切削加工參數(shù)。各參數(shù)的具體設(shè)計(jì)如下：

參數(shù)一：進(jìn)給量。進(jìn)給量與補(bǔ)償零件表面粗糙度有直接關(guān)系，進(jìn)而直接決定了表面摩擦系數(shù)。本文設(shè)計(jì)的補(bǔ)償零件擠壓切削進(jìn)給量（f）的參數(shù)計(jì)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(shí)因?yàn)槭艿酵饬D壓而在表面形成溝痕，需要對(duì)背吃刀量進(jìn)行靈活調(diào)整。其中，進(jìn)給量和刀尖圓弧半徑是決定背吃刀量的關(guān)鍵因素。背吃刀量（H）的計(jì)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(gè)支撐架的間隔距離。由于H 值遠(yuǎn)小于1，因此H2≈0。則上式可以轉(zhuǎn)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(shè)定在8-10m/min；如果選擇的是硬質(zhì)合金鑲嵌刀具，則切削速度可以適當(dāng)提高，一般可以達(dá)到30-40m/min。

參數(shù)四：切削液。由于設(shè)計(jì)的背吃刀量較小，因此實(shí)際切削加工中產(chǎn)生的熱量較少，加上加工期間有著良好的散熱條件，對(duì)切削液的要求相對(duì)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(jī)油的混合液。

1.3 擠壓切削加工方案設(shè)計(jì)

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(tái)上，設(shè)定好進(jìn)給量、切削速度、切削深度等工藝參數(shù)后，由加工機(jī)器自動(dòng)完成對(duì)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(diào)整進(jìn)給量、切削深度等參數(shù)，分別制造了10 個(gè)樣件。然后分別測(cè)量樣件的表面粗糙度。粗糙度測(cè)量選擇表面輪廓儀，取樣長(zhǎng)度為5mm，測(cè)量長(zhǎng)度為3mm，放大倍數(shù)為20 倍。檢測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)給量設(shè)定為0.25mm/r，切削速度設(shè)定為800r/min，切削深度設(shè)定為0.05mm 時(shí)，樣品加工表面粗糙度有最小值，為12.14μm。在實(shí)際進(jìn)行關(guān)鍵零件制造時(shí)可根據(jù)這一方案進(jìn)行加工，對(duì)提高零件加工質(zhì)量有積極幫助。

1.4 關(guān)鍵零件表面處理工藝

結(jié)合上文制動(dòng)器工作原理分析可知，制動(dòng)閘片需要與制動(dòng)盤接觸使其停止轉(zhuǎn)動(dòng)，因此制動(dòng)閘片在加工制造時(shí)進(jìn)行表面處理尤為重要。目前工業(yè)領(lǐng)域常用的金屬零件表面處理工藝有氣體氮化技術(shù)、ARCOR（鹽浴硫氮碳共滲）技術(shù)、QPQ 技術(shù)等。其中，鹽浴硫氮碳共滲表面處理融合了熱化學(xué)擴(kuò)散、鈍化、精密處理等多種工藝，使用該技術(shù)處理后金屬零件表面的耐摩擦性好、防腐蝕性強(qiáng)、耐疲勞強(qiáng)度高，并且加工處理成本較低，綜合應(yīng)用效果較好。研究表明，金屬零件經(jīng)過鹽浴硫氮碳共滲處理后，表面會(huì)生成一層致密的ε-氮化鐵，該物質(zhì)的抗粘著磨蝕性能良好，能顯著延長(zhǎng)制動(dòng)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(fēng)電制動(dòng)器關(guān)鍵零部件制動(dòng)效果試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)在某風(fēng)力發(fā)電廠的制動(dòng)器慣性試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，該試驗(yàn)臺(tái)可支持盤式、鼓式、風(fēng)電等常見制動(dòng)器的慣性制動(dòng)試驗(yàn)、凈扭矩性能試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備均有工控機(jī)控制自動(dòng)運(yùn)行，支持在線編程，可實(shí)時(shí)采集、處理、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)對(duì)象為兩臺(tái)不同類型的風(fēng)電制動(dòng)器，其中一臺(tái)為某風(fēng)電場(chǎng)正在使用的SVENDBORG 制動(dòng)器，另一臺(tái)是使用了補(bǔ)償零件擠壓切削工藝和零件表面處理工藝的改進(jìn)型制動(dòng)器。在試驗(yàn)中，除了制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速改變外，其他因素均保持一致，消除無關(guān)因素干擾。試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

將兩臺(tái)制動(dòng)器置于專用慣性試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，分別 設(shè) 定 制 動(dòng) 盤 轉(zhuǎn) 速 為1000rpm、1250rpm、1500rpm、1750rpm、2000rpm，待風(fēng)電制動(dòng)器達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定運(yùn)行60s 后開始制動(dòng)，并記錄制動(dòng)參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：

2.2.1 經(jīng)過工藝改良后的制動(dòng)器，在轉(zhuǎn)速為1000rpm、1250rpm 和1500rpm 時(shí)，改進(jìn)后制動(dòng)器在制動(dòng)時(shí)均無回退情況；在轉(zhuǎn)速為1750rpm 時(shí)，減速到10.84s 時(shí)有回退現(xiàn)象；在轉(zhuǎn)速為2000rpm 時(shí)，減速到14.14s 時(shí)有回退現(xiàn)象。而SVENDBORG 制動(dòng)器當(dāng)轉(zhuǎn)速高于1250rpm 后出現(xiàn)制動(dòng)回退，在轉(zhuǎn)速高于1750rpm 時(shí)出現(xiàn)無法制動(dòng)的情況。

2.2.2 在制動(dòng)時(shí)間方面，使用未進(jìn)行改進(jìn)的SVENDBORG 制動(dòng)器，在1000rpm 轉(zhuǎn)速下制動(dòng)時(shí)間為16.56s，全部制動(dòng)時(shí)間22.44s；相比之下，改進(jìn)后的制動(dòng)器在1000rpm 轉(zhuǎn)速下制動(dòng)時(shí)間為10.46s，全部制動(dòng)時(shí)間11.69s。由此可見，采用先進(jìn)零件制造工藝后，風(fēng)電制動(dòng)器的制動(dòng)時(shí)間有了明顯縮短。不同轉(zhuǎn)速下2 種制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)間對(duì)比如表2 所示。

結(jié)合表2 數(shù)據(jù)可知，在低轉(zhuǎn)速情況下，改進(jìn)后的制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)間縮短更加明顯，制動(dòng)速度范圍更大。由此可見，本文提出的基于制動(dòng)器補(bǔ)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(dòng)器關(guān)鍵零部件的性能，進(jìn)而提升制動(dòng)效果，讓風(fēng)電制動(dòng)器的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值得到了進(jìn)一步提升。

表2 兩種制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)間對(duì)比結(jié)果

3 結(jié)論

隨著風(fēng)電技術(shù)日益成熟、風(fēng)電裝機(jī)總量不斷增加，風(fēng)電企業(yè)對(duì)可靠制動(dòng)器的需求也越來越高。在這一背景下，研究和應(yīng)用風(fēng)機(jī)制動(dòng)器關(guān)鍵零部件的優(yōu)化制造工藝，進(jìn)而提升設(shè)備制動(dòng)效果成為當(dāng)前風(fēng)電行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的主要方向。補(bǔ)償制動(dòng)閘片是風(fēng)電制動(dòng)器的重要零部件，其性能是否可靠直接決定制動(dòng)效果和設(shè)備使用壽命。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用擠壓切削加工技術(shù)和鹽浴硫氮碳共滲表面處理技術(shù)，能夠讓制動(dòng)閘片的可靠性、適應(yīng)性得到增強(qiáng)，讓風(fēng)電制動(dòng)器的制動(dòng)速度范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，制動(dòng)時(shí)間進(jìn)一步縮短，取得了良好的應(yīng)用效果。