一种新型分体式风电液压直动制动器设计研究

文 | 史春香

随着我国风电设备制造逐步进入成熟阶段，兆瓦级风电机组业已成为市场的主流。在装机容量不断提升的同时，机组对满足制动要求的偏航制动器的需求量越来越大。当前，1.5MW机组上所用的偏航制动器已达到十台，2MW及以上机组偏航制动器若再采用此规格制动器，显然已满足不了锁紧力矩的要求。按照摩擦片的安装方式，偏航制动器可分为整体式和分体式两类，整体式兆瓦级风电制动器更换摩擦片时要将整个制动器全部拆掉，加大了工人的劳动强度，增加了业主的维护成本。而现有的分体式结构也存在一定的质量隐患，比如1.5MW风电机组上所用分体式结构制动器，其摩擦片的固定方式为螺栓连接，在安装和使用中因加工误差和工人的安装不到位，会发生诸如挡板螺栓上紧力矩不足或螺栓松动等问题进而引发一系列质量事故，因此，市场迫切需要研发一种外形适中、锁紧力大、安装调整方便的新型偏航制动器。

本文针对现有风电液压制动器的不足，研发了一款新型分体式风电液压直动制动器，该液压直动制动器是在借鉴国外同类风电制动器的基础上，结合制动器维修存在的问题，消除原有的挡板螺栓连接中上紧力矩不足导致摩擦片脱落损坏制动盘的缺点而设计的一种新型液压直动制动器。

工作原理

该液压直动制动器为液压制动，浮动复位，是一种能使泄漏油液导流的直动型钳盘式制动器，主要用于兆瓦级风电机组偏航制动。

工作原理：液压直动制动器由机体和活塞两大部分组成。向制动器通入压力油后，两油缸体之间产生压力夹持住制动盘，使制动盘的旋转运动停止。

由图1可以看出，本制动器由两个机体6构成，每个机体的油缸内装有活塞7，油缸通过进（出）油口与供油管路连接，油缸与活塞7之间装有防尘圈11、密封圈12，机体6的两翅边上有一楔形凹槽，左右挡板9上的楔形凸槽装入机体上的楔形凹槽内，挡板9的前后位置通过销轴1与机体6固定，摩擦片10底板面紧贴在活塞7的端面上，固定在左右挡板9之间，连接板3通过螺栓8与机体6连为一体，连接板又通过紧定螺钉4与挡板9连接，此紧定螺钉4可调节挡板9的前后位置，挡板9通过前后移动来调整摩擦片10。两个机体6通过螺栓固定在基座上，制动盘则处于两个摩擦片10之间。

当制动器工作时，压力油由供油管路经进（出）油口进入油缸，油缸内活塞7在油压的推力下向外运动，同时顶住摩擦片10向制动盘推移，摩擦片压紧制动盘从而实现制动刹车。

当制动盘需要运转时，油缸内的压力油经进（出）油口卸压，摩擦片10在制动盘的转动作用下脱离制动盘一定间隙，同时在摩擦片10的作用下活塞同样推入油缸一微小距离，机器实现运转。

结构与功能

一、主要结构

目前，风电机组偏航制动器的结构主要有两种形式：整体式和分体式。 本文的液压直动制动器采用的是分体式结构。其主要的结构包括：

（一）楔形挡块（图1）

机体上设计有竖直方向延伸的导轨，挡块上具有用于与导轨导向配合的凹面，挡块与摩擦片之间的配合面为由上而下向制动器内部倾斜的平面。挡块与制动器机体通过楔形槽连接为一体。根据楔形原理，在摩擦片侧面与挡板之间，利用楔形效应有效地限制了摩擦片的不固定状态，便于摩擦片与设备上制动盘之间的间隙调整，当摩擦片端面受力时，摩擦片可作轴向运动；当端面不受力时，摩擦片处于固定状态。同时利用楔形效应对制动块进行调节，由于其结构紧凑、简单易行，能有效地调节制动块与挡块的间隙，避免制动块、机体因加工误差引起间隙过大而使得制动块脱落损伤制动盘。

（二）调节机构

机体采用独特的连接板结构，连接板上的螺栓一方面与机体连为一体，另一调整螺栓使连接板与挡板连接，调整挡板与摩擦片之间的间隙后，使连接板、挡板、机体连接为一体。挡块上特殊的销轴连接，锁定了挡块在楔形槽的位置。

与整体式结构相比，分体式结构的制作工艺复杂、成本高。但它却成功地解决了整体式结构所存在的上述两个问题：（1）更换摩擦片时，只要拆卸摩擦片两侧的楔形挡块即可，无需拆装整个制动器，既方便又省时省力，大大降低了维护工作量，减少了维修成本。（2）在摩擦片两侧的楔形挡块上还设置有调节螺丝，通过调节螺丝可以消除摩擦片与制动体之间的间隙，提高了活塞密封圈的寿命。

（三）贯通孔

机体上为增大制动力输出，加大了缸孔直径，增加了缸孔数量，改变了加工工艺，目前采用电火花加工三个贯通孔，保证了贯通孔的位置和尺寸的一致性，油缸在同样的压力作用下，制动力输出更平稳，有效解决了因制动力变化引起的摩擦片磨损不均匀的问题。

（四）油液导流通道

在每片机体的中间油缸前部各车一个环形槽，通过打孔使两个环形槽相通，上下机体的贯通通过O型圈形成密封通道，保证上下机体的六个油缸均相通。当任何一个活塞与缸孔之间漏油时，所漏油液即可通过环形槽被引流到设定好的收集容器内。同时在制动器的长期使用过程中，由于密封圈摩擦老化等原因，缸体内油液会通过活塞、密封圈、油缸之间的间隙向外渗漏，如果流到制动盘上，既影响刹车性能，又污染环境。该漏油导流通道可保证制动器在漏油的情况下将所漏油液方便地排出回收。因而有效解决了老产品漏油后，油液直接流到制动盘上所带来的问题。

二、功能要点

制动器通过结构改进，满足了用户锁定力矩要求，实现了平稳制动。本研究通过改进机体的左右两端面连接形式，减少了进入机体的灰尘等物质对密封的损害，从而延长了密封圈的使用寿命；满足用户不需要拆除整机即可更换摩擦片的需求，使摩擦片与挡板的间隙调节更加方便；同时为便于检测摩擦片的磨损情况，增加了摩擦片报警功能。此外，特殊的油液导流通道设计，实现了导流收集功能，减少了环境污染。

（1）现有的风电偏航制动器结构形式为整体式和分体式，整体式间隙不可调整，当更换刹车片时，需将整个制动器全部拆除，更换后再整体安装，维修不便，不能很好地满足使用。此结构为分体式安装，安装调试方便，能满足工人维修时不需要拆除整机即可更换刹车片。

（2）1.5MW风电机组上用的分体式结构制动器，左右两侧挡板通过螺栓与机体固定为一体，因螺栓上紧力矩不同和机体的加工误差导致摩擦片从机体内飞出损伤刹车盘。本结构采用特殊的调节机构，通过楔形效用对制动块进行调节，能有效地调整摩擦片与挡板的间隙，避免了此类事故的发生。

（3）采用电火花贯通工艺，能保证制动器输出制动力更加平稳。

（4）具有泄漏油液导流和收集功能，从外部即可观测制动器密封漏油情况。

（5）有摩擦片磨损显示功能，便于检测摩擦片的磨损情况。

该液压直动制动器增加有摩擦片磨损显示功能（见图1磨损显示线），磨损显示线与风电机组控制系统上电器接口连接，在摩擦片摩擦材料磨损到2mm时，风电机组信号显示制动器上磨损显示线断开。此显示装置便于检测摩擦片的磨损情况。

图1 新型液压直动制动器结构图

主要部件的工艺改进

在风电制动器的使用过程中，机体、活塞和摩擦片是制动器的主要部件，这些部件的加工质量和摩擦片的连接方式决定了制动器的性能。

一、机体缸孔的贯通

机体上三个缸孔的贯通，如果采用传统用盘型铣刀的机加工方式，一方面是保证不了缸孔之间的强度要求，缸孔之间的毛刺无法清理；另一方面，一个刀片仅能加工一件机体，加工成本较高。而采用电火花新工艺加工，成本仅为机加工的百分之五，同时制动器输出制动力更平稳。

二、减少活塞磨损

因活塞表面磨损严重导致制动器漏油的原因和改进措施：

1.镀层质量不足

镀层的表面硬度和质量对制动器的性能影响巨大，为避免因镀层脱落（图2）导致密封件与活塞间隙增大引起漏油，增加了活塞的表面淬火硬度，满足密封与活塞结合面的使用要求。

2.出现气蚀侵蚀表面

经分析认为气蚀的形成是由制动器油压实验时油液残留在机体内引起的，为避免油液中水汽腐蚀活塞表面，在装配时增加了制动器，实验结束后用真空泵抽油，避免了此类问题发生。

3.粗糙度不足

活塞的粗糙度由表面的0.8改为0.4（图3），在实际应用中，活塞表面缺陷在制动器装配过程中会引起密封圈损伤，因此提高活塞加工精度，能减少制动器漏油的概率。同时活塞应全检，在运输过程中应有专用的单个包装箱，轻拿轻放，以避免活塞表面缺陷引起制动器故障。

4. 优化了活塞的细节要求（图4、图5）

（1）活塞端面增加了平面度和平行度位置公差要求。活塞的端面与摩擦片的钢背面接触，在油压加载过程中，活塞端面的平整度增大了活塞与摩擦片钢背的接触面积，降低了摩擦片的比压，减少了摩擦片或摩擦材料的损伤。

（2）圆角过渡

在活塞前端装配部分增加了R0.5圆角过渡，避免在安装过程中密封表面划伤的情况。

（3）活塞圆周上增加了圆柱度要求

图2 表面镀层脱落

图3 正常表面

图4 改进前活塞结构图

图5 改进后活塞结构图

活塞圆周表面与密封件之间的间隙必须满足密封件装配要求，且该间隙必须保证均匀，如果活塞圆周表面没有圆柱度要求，则其与密封件之间的间隙均匀性太差，会使得密封件的密封性能大大降低，最终可能导致漏油现象的发生。

三、减少摩擦材料损伤

摩擦材料是制动器非常重要的部件，需要小心对待，以免造成摩擦片或摩擦材料的损伤。该制动器摩擦材料通过调整配方，减少了风电机组的噪音污染。为增加摩擦片的排屑功能，把原结构的摩擦材料上直的排屑槽改为斜行的结构，更便于排屑刮尘，减少了摩擦片磨损后脱落的碎片与刹车盘接触引起的结晶现象。

为减少油污引起的摩擦系数下降影响制动性能，摩擦片在使用过程中必须尽可能保持清洁，避免受油污污染。同时在安装制动器之前，必须清洗与之接触的制动盘，去除灰尘及防锈油脂等。通常防锈油脂可以分两步轻易去除：先用汽油或柴油初步清洗；后用清洁去污剂彻底去除残留的污物。

结论

本文研究了一种挡块拆卸方便且能够提高挡块与机体之间密封性的可调节液压直动制动器。该制动器为分体式结构，安装调试方便，能满足工人维修时在不拆除整机情况下更换刹车片的需要。在兆瓦级风电机组偏航液压制动器的摩擦片调节及更换结构的设计方面有所创新。该制动器投入金风科技2.5兆瓦及以上兆瓦级风电机组使用，运转良好，可替代国外同类型产品，同时其价格约为国外同类产品价格的一半，产品市场开发潜力较大，推广应用前景十分广阔。

摄影：王迎春