风电机组偏航液压制动器开裂的直接原因及解决方案

文|王诚辉，杨荣举

由于液压系统操作控制方便，液压元件可根据需要方便灵活布置，故在风电机组偏航系统中采用了液压制动。随着机组运行时间的延长，偏航系统中的液压制动器批量出现液压缸开裂渗油，不仅提高了维护成本、影响机组的清洁美观，而且减小了机组的发电量，甚至影响机组的安全运行。基于对大量试验结果的分析，本文提出了制动器开裂的原因，然后从理论上验证了提出的开裂原因的正确性，并提出了一种改进结构的制动器的方法。

偏航制动器的结构及工作原理

1.5MW风电机组偏航系统有10组液压制动器，每组制动器由上下两块制动器组成，每个制动器中有两个带活塞的液压缸，如图1所示。

10组制动器通过螺栓固定在主机上，所有的液压缸通过油管串联起来。机组偏航结束需要制动时，活塞在16MPa液压油的作用下，推动磨擦片夹紧偏航制动盘，偏航制动盘固定在塔筒顶部，故实现了主机的固定夹紧。风电机组偏航时，液压油泄压，活塞在缸体内自由滑动，磨擦片与偏航制动盘分离，主机在偏航电机驱动下实现偏航。

偏航制动器开裂的表现形式

偏航制动器开裂损坏的位置常出现在两液压缸之间的薄壁，失效时表现形式可以概括为4个：薄壁开裂、活塞倾斜、磨擦片外突卡死、磨擦片单边磨损。

（一）薄壁开裂：如图2所示，两液压缸之间的薄壁表面的防护漆已经剥落，横向裂纹连接两液压缸，裂纹深度直至密封圈槽。

（二）活塞倾斜：由图2可知，缸体裂开时，活塞倾斜卡死在液压缸内。游标卡尺测量某一倾斜活塞前后的高度差度为0.5mm。

（三）磨擦片外突卡死：磨擦片的形状为梯形，如图3所示，液压缸开裂时，磨擦片卡死在梯形槽内的短边处，磨擦片短边突出槽框大约有3mm－5mm。

图1 偏航制动器的结构

图2 薄壁开裂及活塞倾斜

图3 磨擦片外突及单边磨损

（四）磨擦片单边磨损：从图3可知，梯形磨擦片长边磨损较严重，有些是整块直接剥落，出现坑坑洼洼。由此可知，磨擦片已经倾斜，绕卡死的短边旋转了一定的角度。

根据制动器开裂时的表现形式，本文认为：梯形磨擦片在短边卡死，磨擦片在活塞作用下绕短边转动倾斜；磨擦片长边与制动盘接触，故长边磨损严重；同时活塞端面与磨擦片不完全接触，活塞在底部液压油作用下倾斜，卡死在液压缸内不能复位，活塞对液压缸产生较大的作用力，导致液压缸开裂。

磨擦片卡死工况仿真

磨擦片卡死倾斜时，长边磨损量达2mm，理论上磨擦片倾斜角度越大，长边磨损更严重，对缸体的作用力越大。本文分析磨擦片卡死工况，假定磨擦片卡死时的倾斜角度为1度。为对比磨擦片卡死倾斜工况，本文还仿真了正常工况。

正常工况：16MPa的油压作用在缸体内壁，活塞对缸体无作用力。

磨擦片卡死工况：16MPa的油压作用在缸体内壁，同时作用在活塞的底部；活塞与倾斜1度的磨擦片接触，同时与缸体内壁接触。

缸体的材料为球墨铸铁QT400，在Workbench中，是采用弹塑性材料模拟制动器的应力应变，材料应力应变关系如图4所示，设置的材料属性如表1。

本文根据GL材料强度中的应变准则判别材料的极限强度安全性，即允许材料的弹性应变与塑性应变和达到1%。正常工况制动器缸体有限元仿真应变云图如图5所示，只有在缸底连通的方角入口处出现小区域超过1%的应变，此处应力失真，可忽略其影响。

磨擦片卡死工况制动器缸体有限元仿真应变云图如图6所示，两个缸体的外密封圈之间的薄壁全部出现大于1%的应变，根据GL材料应变准则，此处的静强度不够。最大应变量为3.4%，虽然在16MPa油压下缸体不会立刻出现损坏，但疲劳载荷最容易在此处产生裂纹。

结论

（一）从仿真的结果来看，只要磨擦片发生卡死倾斜，活塞就会对缸体产生较大的作用力，致使两个缸体密封圈之间的薄壁产生很大的应变，继而产生裂纹，磨擦片卡死是制动器开裂的直接原因。

表1 缸体材料属性

图4 QT400材料应力应变曲线

图5 正常工况制动器缸体应变云图

图6 磨擦片卡死工况制动器缸体应变云图

（二）磨擦片在各种载荷作用下能够自动复位，活塞端面与磨擦片完全接触，活塞就不会对缸体产生作用力，缸体就不会产生裂纹，梯形槽短边处加档板能防止磨擦片外突卡死。

（三）从根本原因上讲，产生裂纹还是两密封圈之间的壁厚太薄，需要增大两缸之间的间距来增加壁厚。