抗液压冲击的风电机组液压偏航刹车系统设计

程德蓉

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.18.067

摘 要：采用带延时继电器的小通径换向电磁阀的组合作用来延长液压缸换向时间的方法，设计了抗液压冲击的风电机组液压偏航刹车系统。分析了此液压偏航刹车系统产生液压冲击的原因，建立了泄压回路的数学模型。通过仿真实验表明，此设计能延长液压缸的换向时间，能减小液压冲击且不会延长泄压时间，验证了方案的可行性。

关键词：偏航液压刹车系统 液压冲击 组合延时换向电磁阀

中图分类号：TP137.7 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（c）-0067-02

大中型风电机组的主传动系统、安全控制系统、功率控制系统等基本都是用液压系统来完成控制和动力的传递[1-3]。风电机组偏航系统是使风轮始终处于较好的迎风状态，保障风电机组的正常安全运行和提供最大发电功率，是由驱动系统与刹车系统组成。其刹车系统通常由液压回路控制制动器来完成。当偏航电机转动停止时，刹车系统刹车制动，液压缸内压力急剧上升，为降低缸内压力，须通过换向阀换向进行泄压。液压油压的急剧变化易产生液压冲击，会对液压元件、管道产生较大损害。对此，文章通过改变电磁阀通径、采用带延时的多个电磁阀的组合等方式改进偏航刹车的液压系统，以探寻更优的解决方案。

1 风电机组偏航液压刹车系统设计

为了保证刹车制动过程中的平稳性，防止刹车制动时机舱偏离风向，风电机组偏航系统的阻尼刹车装置刹车盘呈对称分布。刹车制动力矩大小是通过调节刹车系统中电磁阀的开度来控制液压油路流量和压力的大小来实现的。为了减小液压冲击，采用小通径的滑阀或小通径组合延时换向电磁阀来延长液压缸换向时间的方法，设计了1.5 MW风电机组偏航液压刹车系统，如图1所示。偏航卸荷电磁换向阀18、19及延时继电器20构成的泄压回路实现刹车制动，18、19的通径不同，受20控制而调节泄压时间。当风向改变时，风电机组自动对风，偏航刹车阀7通电，电磁阀18断电，由于溢流阀10的作用系统保持一半余压，使风电机组比较平稳地完成偏航。

2 刹车系统液压冲击分析

2.1 管内液流速度突变引起的液压冲击

从液压泵出口经单向阀4、5与阀7相连的管道截面积为A，长度为，认为液压泵出口压力恒定，电磁阀7通电时阀门开启，管道内液体的流速为，若不计压力损失，则油液压力均为；当电磁阀7断电时阀门关闭，紧靠阀门的液体立即停止运动。因此液体的动能瞬时转变为压力能，产生冲击压力形成冲击波，并以速度由液压泵出口向阀7入口传播。根据能量守恒定律可得最大液压冲击力为： （1）

2.2 负载制动引起的液压冲击

活塞以速度驱动负载m运动，活塞和负载的总质量为M。当阀7断电换向时出口关闭，因负载组件惯性作用，液压缸有杆腔内液体压力急剧上升而使得负载组件受阻制动。根据动量定律可近似得到负载组件同侧腔内的冲击压力为： （2）

式中：为无杆腔有效面积；为负载制动时间；，为负载制动前的液流速度，为负载经过时间后的速度。

由式（1）（2）得液压冲击力总和为：

（3）

4 仿真分析与结论

4.1 仿真参数设置

设置初始参数值为：活塞直径φ=100 mm，活塞杆直径φ=60 mm，活塞行程L=400 mm，=2×107 Pa，=N/m，= Pa，电磁阀18通径φ3分别为0.5、1、1.2 mm，电磁阀19通径φ4=1.2 mm，电磁阀阀芯轴向开度= mm。

4.2 不同泄压系统MATLAB仿真

如图2所示，曲线1是单个电磁阀，节流口直径1 mm；曲线2、3是电磁阀18、19的组合，阀18的节流口直径分别为0.5 mm、0.8 mm，阀19的节流口直径为1 mm，在泄压开始后2s时切换。从仿真曲线2、3可看出，电磁阀组（18、19）作用时曲线明显变缓，特别是在压力比较大的时候，这有利于减缓液压冲击。此方案可任意设置电磁阀18、19之间的控制时间，从而调节压力变化曲线。

5 结语

由仿真实验可知：在满足泄压时间的前提下，应该尽量选用小通径阀；组合换向电磁阀可以有效控制泄压压力的下降速度，减小刹车泄压时的液压冲击，且不会延长泄压时间，因此文章对风电机组液压偏航刹车系统的设计具有较好的抗液压冲击能力，是较合理的方案。

参考文献

[1] 杨尔庄.液压技术在风力发电中的应用概况[J].液压气动与密封，2006（2）：1-5.

[2] 孙勇.1.5MW风力发电机组液控技术研究[D].杭州：浙江大学，2011.

[3] 李俊峰.中国风电发展报告[R].北京：中国环境科学出版社，2008.

[4] 李守好.风力发电装置刹车系统及偏航系统智能控制研究[D].西安：西安电子科技大学，2005.