论文部分内容阅读
摘要：本文将从摩擦学角度研究风力发电机偏航系统的失稳振动机理，建立偏航制动系统动力学模型，找出制动过程中导致失稳振动的影响因素和临界失稳条件，并绘制稳定性曲面图，为研发抗颤振偏航制动器和抑制风电偏航制动过程中的失稳振动提理论依据。
关键词：风电制动器；制动；稳定性
1偏航制动系统动力学模型
风机在偏航制动过程中，偏航减速器带动制动盘以角速度ω做匀速圆周运动。由于偏航制动器上的制动块与制动盘之间的摩擦状态变化（在静、动摩擦之间转换），摩擦力会影响制动盘的运动，形成速度反馈，进而造成制动盘转速忽快忽慢。
考虑到制动块相对于驱动装置的运动速度是恒定的，为便于描述制动盘与制动块之间的运动关系，假设偏航过程中偏航系统驱动装置静止，而制动块以角速度ω做匀速圆周运动，驱动制动盘做变速运动。在任意瞬时，制动盘与制动块之间的相对运动可简化为直线移动。将制动盘与制动块通过摩擦力耦合在一起，假设制动盘和制动块之间的阻尼系数为c，刚度为k，由此建立偏航时失稳振动力学模型。1为制动块，2为制动盘假设制动块作为主动件，以速度v进行运动，制动盘为从动件。制动块缓慢向制动盘移动，移动距离s0后弹簧因压缩产生的驱动力正好等于制动块所受的最大静摩擦力Fs，即Fs=k·s0。此后弹簧继续压缩，制动盘便开始运动。
2偏航制动系统稳定性分析
如果偏航速度v低于临界失稳速度vc，偏航制动器在制动的过程中就会出现忽停忽动的非均匀运动，即发生失稳振动。要避免这一现象，偏航速度必须大于临界失稳速度。系统的刚度k、固有频率ω0和阻尼比ξ、制动盘与制动块上的摩擦片材料（静摩擦因数μ和动静摩擦因数之差Δμ）、制动盘质量m、活塞直径d与数量n和偏航余压p是导致偏航系统失稳振动的主要因素。
2.1制动力对制动稳定性影响
将不同制动参数下制动盘的轴向加速度——时间仿真结果进行频谱转化，并对各频段进行制动稳定性评估，得到全部频段内总的制动稳定性指数随各制动参数变化的曲线。在制动盘——闸片摩擦系数、初始制动转速恒定的情况下，随着制动力的增大，制动器制动稳定性指数增大，即制动稳定性变差。这是由于在一定的初始制动转速、制动盘——闸片摩擦系数下，制动力越大，摩擦力随时间变化呈现的波动就越明显，即粘滑现象越严重而造成的。因为粘滑过程中粘滞与滑动的交替出现能够引发制动盘的剧烈振动。
2.2制动盘——闸片摩擦系数对制动稳定性影响
同理，得到全部频段内总的制动稳定性指数随制动盘——闸片摩擦系数变化的曲线，在制动力、初始制动转速恒定的情况下，随着制动盘——闸片摩擦系数的增大，制动器制动稳定性指数增大，即制动稳定性变差。这是由于在一定的初始制动转速、制动力下，制动盘——闸片随着摩擦系数增大，接触摩擦力增大，瞬时振动有较大的振幅，引起自激振动，降低了制动器的制动稳定性。
2.3初始制动转速对制动稳定性影响
在制动盘——闸片摩擦系数、制动力恒定的情况下，随着初始制动转速的增大，制动器制动稳定性指数增大，即制动稳定性变差。这是由于在一定的制动盘——闸片摩擦系数、制动力下，初始制动转速增大时，制动器振动的高频成分减少，振动频率更接近于制动器的固有频率，即增大了低频抖动与共振的几率，制动过程中制动器的振动就越剧烈。而且初始制动转速增大，单位时间内制动盘与闸片间的接触划擦距离增大，所造成的粗糙表面间冲击次数增加，冲击强度增大也会加剧制动器的振动。制动力、制动盘——闸片摩擦系数、初始制动转速越大，制动器的制动振动稳定性越差；反之，制动器的振动就会相对较小，但制动器无法实现有效制动。所以，制动参数的选择必须能够使制动器有效且可靠的制动。
2.4制动器制动稳定性评估
按照上述结论，制动参数取值越小制动盘的振动越稳定，进而制动器的制动效能也就越好。但是制动参数取值太小，所需制动时间就会过长，制动器无法实现按需制动，将会造成无法预测的安全问题。一般情况下，风电制动器的设计标准是初始制动转速为800r/min时，有效制动时间小于25s；1200r/min时，有效制动时间小于35s；1600r/min时，有效制动时间在45s以内。根据制动仿真结果得到了各工况下制动时间，最终选择制动效果最优的制动参数匹配方案。当所设计制动盘——闸片摩擦系数为0.2时，由制动稳定性评估方法得到制动器的初始制动转速推荐为1200r/min，制动力推荐为21000N；当所设计制动盘——闸片摩擦系数为0.25时，由制动稳定性评估方法得到制动器的初始制动转速推荐为1600r/min，制动力推荐为17000N；当所设计制动盘——闸片摩擦系数为0.3时，由制动稳定性评估方法得到制动器的初始制动转速推荐为800r/min，制动力推荐为13000N。这种参数匹配优化将为不同工况下大兆瓦级风机制动器的有效制动提供坚实的理论基础。
3偏航制动系统振动控制策略
临界失稳速度模型表明，在偏航制动器使用过程中，若发生失稳振动，则可通过更换制动块上的摩擦片材料（改变摩擦因数μ）和调整偏航余压p两方面来进行振动控制。
由此基于偏航临界失稳速度来研究偏航制动系统振动控制策略。仿真參数设定如下：制动盘质量m=100kg，系统刚度k=2.5×107N·m/rad，系统阻尼比ξ=0.01，制动器中活塞直径d=0.12m，数量n=3，偏航余压p=0.2—0.8MPa，摩擦因数0.2—0.4。确定静摩擦因数μ、偏航余压p与临界失稳速度vc之间的关系，即偏航制动稳定性曲面图。当偏航余压一定时，摩擦因数越大，临界失稳速度越大；当摩擦因数一定时，偏航余压越大，临界失稳速度也越大。偏航余压和摩擦因数的交互作用对临界失稳速度有影响，且相对于摩擦因数，偏航余压对临界失稳速度的影响更大。
稳定性曲面上方是偏航速度大于临界失稳速度区域，不会发生失稳振动；而在曲面下方，偏航速度低于临界失稳速度，将发生失稳振动。显然，当制动过程中偏航速度恒定时，若发生失稳振动，则可通过合理减小偏航余压或更换摩擦因数更小的摩擦片来控制振动。
进一步判定稳定性曲面上方是否属于稳定区域，在曲面上选取参考点Q（0.6，0.3，0.01202），并在Q点上、下方分别选取U（0.6，0.3，0.015）、L（0.6，0.3，0.009）两点。由于U点偏航速度高于临界失稳速度，而L点偏航速度低于临界失稳速度，显然U点应处于稳定状态，而L点将发生制动失稳振动。
当偏航速度为0.015m/s时（即U点工况），制动盘在制动过程中速度始终为正，不会出现失稳振动现象。而当偏航速度为0.009m/s时（即L点工况），制动盘在制动过程中出现负速度，存在失稳振动现象。同样可结合稳定性曲面图来分析其他参数对临界失稳速度的影响，以此来解决偏航制动过程中的失稳振动问题。而在研发抗颤振风电偏航制动器时，应根据制动器使用工况，基于制动盘和临界失稳速度采用稳定性曲面图法来考虑制动器的结构设计和材料选择，对系统的刚度k、固有频率ω0和阻尼比ξ，摩擦片材料（确定静摩擦因数μ）和活塞直径d与数量n提出要求。
4结论
1）系统的刚度、固有频率和阻尼比、制动盘与制动块上的摩擦片材料、制动盘质量、活塞直径与数量和偏航余压是导致偏航系统失稳振动的主要因素。
2）当偏航过程中发生失稳振动时，可通过减小偏航余压或更换摩擦因数更小的摩擦片来控制振动。
3）研发抗颤振风电偏航制动器时，应结合临界失稳速度和并基于制动盘进行制动器结构设计和选材，通盘考虑系统的刚度、固有频率和阻尼比，摩擦片材料和活塞直径与数量。
参考文献
[1]赵萍.主动偏航过程兆瓦级风机偏航系统失稳振动特性[J].中南大学学报，2014.
[2]李彭.盘式制动系统参数对制动颤振的影响分析[J].测试与诊断，2017.
（作者单位：焦作瑞塞尔盘式制动器有限公司）
关键词：风电制动器；制动；稳定性
1偏航制动系统动力学模型
风机在偏航制动过程中，偏航减速器带动制动盘以角速度ω做匀速圆周运动。由于偏航制动器上的制动块与制动盘之间的摩擦状态变化（在静、动摩擦之间转换），摩擦力会影响制动盘的运动，形成速度反馈，进而造成制动盘转速忽快忽慢。
考虑到制动块相对于驱动装置的运动速度是恒定的，为便于描述制动盘与制动块之间的运动关系，假设偏航过程中偏航系统驱动装置静止，而制动块以角速度ω做匀速圆周运动，驱动制动盘做变速运动。在任意瞬时，制动盘与制动块之间的相对运动可简化为直线移动。将制动盘与制动块通过摩擦力耦合在一起，假设制动盘和制动块之间的阻尼系数为c，刚度为k，由此建立偏航时失稳振动力学模型。1为制动块，2为制动盘假设制动块作为主动件，以速度v进行运动，制动盘为从动件。制动块缓慢向制动盘移动，移动距离s0后弹簧因压缩产生的驱动力正好等于制动块所受的最大静摩擦力Fs，即Fs=k·s0。此后弹簧继续压缩，制动盘便开始运动。
2偏航制动系统稳定性分析
如果偏航速度v低于临界失稳速度vc，偏航制动器在制动的过程中就会出现忽停忽动的非均匀运动，即发生失稳振动。要避免这一现象，偏航速度必须大于临界失稳速度。系统的刚度k、固有频率ω0和阻尼比ξ、制动盘与制动块上的摩擦片材料（静摩擦因数μ和动静摩擦因数之差Δμ）、制动盘质量m、活塞直径d与数量n和偏航余压p是导致偏航系统失稳振动的主要因素。
2.1制动力对制动稳定性影响
将不同制动参数下制动盘的轴向加速度——时间仿真结果进行频谱转化，并对各频段进行制动稳定性评估，得到全部频段内总的制动稳定性指数随各制动参数变化的曲线。在制动盘——闸片摩擦系数、初始制动转速恒定的情况下，随着制动力的增大，制动器制动稳定性指数增大，即制动稳定性变差。这是由于在一定的初始制动转速、制动盘——闸片摩擦系数下，制动力越大，摩擦力随时间变化呈现的波动就越明显，即粘滑现象越严重而造成的。因为粘滑过程中粘滞与滑动的交替出现能够引发制动盘的剧烈振动。
2.2制动盘——闸片摩擦系数对制动稳定性影响
同理，得到全部频段内总的制动稳定性指数随制动盘——闸片摩擦系数变化的曲线，在制动力、初始制动转速恒定的情况下，随着制动盘——闸片摩擦系数的增大，制动器制动稳定性指数增大，即制动稳定性变差。这是由于在一定的初始制动转速、制动力下，制动盘——闸片随着摩擦系数增大，接触摩擦力增大，瞬时振动有较大的振幅，引起自激振动，降低了制动器的制动稳定性。
2.3初始制动转速对制动稳定性影响
在制动盘——闸片摩擦系数、制动力恒定的情况下，随着初始制动转速的增大，制动器制动稳定性指数增大，即制动稳定性变差。这是由于在一定的制动盘——闸片摩擦系数、制动力下，初始制动转速增大时，制动器振动的高频成分减少，振动频率更接近于制动器的固有频率，即增大了低频抖动与共振的几率，制动过程中制动器的振动就越剧烈。而且初始制动转速增大，单位时间内制动盘与闸片间的接触划擦距离增大，所造成的粗糙表面间冲击次数增加，冲击强度增大也会加剧制动器的振动。制动力、制动盘——闸片摩擦系数、初始制动转速越大，制动器的制动振动稳定性越差；反之，制动器的振动就会相对较小，但制动器无法实现有效制动。所以，制动参数的选择必须能够使制动器有效且可靠的制动。
2.4制动器制动稳定性评估
按照上述结论，制动参数取值越小制动盘的振动越稳定，进而制动器的制动效能也就越好。但是制动参数取值太小，所需制动时间就会过长，制动器无法实现按需制动，将会造成无法预测的安全问题。一般情况下，风电制动器的设计标准是初始制动转速为800r/min时，有效制动时间小于25s；1200r/min时，有效制动时间小于35s；1600r/min时，有效制动时间在45s以内。根据制动仿真结果得到了各工况下制动时间，最终选择制动效果最优的制动参数匹配方案。当所设计制动盘——闸片摩擦系数为0.2时，由制动稳定性评估方法得到制动器的初始制动转速推荐为1200r/min，制动力推荐为21000N；当所设计制动盘——闸片摩擦系数为0.25时，由制动稳定性评估方法得到制动器的初始制动转速推荐为1600r/min，制动力推荐为17000N；当所设计制动盘——闸片摩擦系数为0.3时，由制动稳定性评估方法得到制动器的初始制动转速推荐为800r/min，制动力推荐为13000N。这种参数匹配优化将为不同工况下大兆瓦级风机制动器的有效制动提供坚实的理论基础。
3偏航制动系统振动控制策略
临界失稳速度模型表明，在偏航制动器使用过程中，若发生失稳振动，则可通过更换制动块上的摩擦片材料（改变摩擦因数μ）和调整偏航余压p两方面来进行振动控制。
由此基于偏航临界失稳速度来研究偏航制动系统振动控制策略。仿真參数设定如下：制动盘质量m=100kg，系统刚度k=2.5×107N·m/rad，系统阻尼比ξ=0.01，制动器中活塞直径d=0.12m，数量n=3，偏航余压p=0.2—0.8MPa，摩擦因数0.2—0.4。确定静摩擦因数μ、偏航余压p与临界失稳速度vc之间的关系，即偏航制动稳定性曲面图。当偏航余压一定时，摩擦因数越大，临界失稳速度越大；当摩擦因数一定时，偏航余压越大，临界失稳速度也越大。偏航余压和摩擦因数的交互作用对临界失稳速度有影响，且相对于摩擦因数，偏航余压对临界失稳速度的影响更大。
稳定性曲面上方是偏航速度大于临界失稳速度区域，不会发生失稳振动；而在曲面下方，偏航速度低于临界失稳速度，将发生失稳振动。显然，当制动过程中偏航速度恒定时，若发生失稳振动，则可通过合理减小偏航余压或更换摩擦因数更小的摩擦片来控制振动。
进一步判定稳定性曲面上方是否属于稳定区域，在曲面上选取参考点Q（0.6，0.3，0.01202），并在Q点上、下方分别选取U（0.6，0.3，0.015）、L（0.6，0.3，0.009）两点。由于U点偏航速度高于临界失稳速度，而L点偏航速度低于临界失稳速度，显然U点应处于稳定状态，而L点将发生制动失稳振动。
当偏航速度为0.015m/s时（即U点工况），制动盘在制动过程中速度始终为正，不会出现失稳振动现象。而当偏航速度为0.009m/s时（即L点工况），制动盘在制动过程中出现负速度，存在失稳振动现象。同样可结合稳定性曲面图来分析其他参数对临界失稳速度的影响，以此来解决偏航制动过程中的失稳振动问题。而在研发抗颤振风电偏航制动器时，应根据制动器使用工况，基于制动盘和临界失稳速度采用稳定性曲面图法来考虑制动器的结构设计和材料选择，对系统的刚度k、固有频率ω0和阻尼比ξ，摩擦片材料（确定静摩擦因数μ）和活塞直径d与数量n提出要求。
4结论
1）系统的刚度、固有频率和阻尼比、制动盘与制动块上的摩擦片材料、制动盘质量、活塞直径与数量和偏航余压是导致偏航系统失稳振动的主要因素。
2）当偏航过程中发生失稳振动时，可通过减小偏航余压或更换摩擦因数更小的摩擦片来控制振动。
3）研发抗颤振风电偏航制动器时，应结合临界失稳速度和并基于制动盘进行制动器结构设计和选材，通盘考虑系统的刚度、固有频率和阻尼比，摩擦片材料和活塞直径与数量。
参考文献
[1]赵萍.主动偏航过程兆瓦级风机偏航系统失稳振动特性[J].中南大学学报，2014.
[2]李彭.盘式制动系统参数对制动颤振的影响分析[J].测试与诊断，2017.
（作者单位：焦作瑞塞尔盘式制动器有限公司）