一种可控制刹车片磨损量的风电机组偏航夹钳

文|何丽萍，唐超利，余国城

目前，大型风电机组的偏航系统大都由机电驱动机构和液压制动阻尼系统两部分组成。其中，机电驱动机构的作用是根据风向传感器发出的信号，驱动风电机组偏航，使风轮正对风向以便最大限度地捕捉风能。液压制动阻尼系统包括液压系统和偏航夹钳，当风电机组正对风向发电运行时，液压系统促使偏航夹钳全压制动，使风电机组稳定正对风向发电运行。当风向发生变化时，机组启动偏航，此时液压力下降，产生在刹车片与刹车盘之间的阻尼降低，确保风电机组稳定的偏航。

由于偏航时产生的摩擦会对夹钳的刹车片造成一定程度的磨损，理论上来说，当刹车片磨损到一定的程度时，风电机组的维护人员应对其及时进行更换。但是，在现有的偏航夹钳设计中，驱动刹车片的活塞没有行程限位装置，使得当刹车片被过度磨损时难以及时被维护人员发觉，常常造成偏航系统损坏，影响机组的对风，从而影响发电量，更有可能会造成其他部件的损坏，大大增加机组的维修费用，并成为风电机组的安全隐患。

现有刹车夹钳原理

图1 为现有技术中风电机组偏航夹钳的结构示意图，图2 为图1 中所示的A-A 剖视图，图3 为多个偏航夹钳的工作原理图。

如图1 所示，偏航夹钳包括上下对称布置的上夹钳体和下夹钳体，上、下夹钳体内均设有活塞、可供活塞垂直上下运动的容腔和刹车片。偏航刹车盘位于上刹车片和下刹车片之间并被刹车片夹紧，每个活塞与相应的容腔之间形成油腔。上油腔与下油腔通过上夹钳体和下夹钳体中的连接通道而连通，如图2 所示。上夹钳体上的相邻的容腔之间设有注油通道。下夹钳体上设有注油口和回油口。

图1 偏航夹钳内部结构示意图

图2 偏航夹钳A-A剖视图

偏航夹钳的工作原理为：液压站通过注油口向油腔内注满油并加压，正常工作时，回油口与液压站之间设有的阀门为关闭状态，液压油通过活塞将压力传递给刹车片，使得刹车片在压力下压紧刹车盘产生制动力或阻尼。当偏航刹车包括多个刹车夹钳时，刹车夹钳之间为串联，也就是上一个刹车夹钳的回油口与下一个刹车夹钳的注油口相连通，如图3 所示。

现有技术不足之处

由于偏航刹车夹钳上没有限位装置，当刹车片由于磨损变薄而须更换时，液压系统及夹钳不会停止工作，也难以被维护人员及时发现，从而造成刹车片的过度磨损，损伤刹车盘，导致风电机组的对风不准确，影响发电量，并有可能引发安全事故。图4 和图5 是被过度磨损的偏航夹钳的刹车片和被损坏的刹车盘的图形。

采用增加限位开关的方法，可以避免这种过度磨损的情况发生。申请号为CN200920151417 的中国专利“风力发电机组偏航刹车片过量磨损预警保护装置”就公开了这样一种技术方案。该方案在偏航夹钳中设置限位开关、中间继电器线圈、中间继电器线圈工作电源、信号电源、开关量输入模块，限位开关中设定磨损量临界值。当偏航刹车的磨损量到临界值时，通过继电器将磨损量转变为电信号从而实现报警的功能。

该方案所需要的零部件比较多，原理较为复杂，可靠性相对较差，且成本较高。

改进后的刹车夹钳

在保证偏航刹车基本功能的条件下，为有效控制刹车片的磨损程度、消除安全隐患的同时延长刹车盘的使用寿命，对偏航刹车的夹钳进行了结构上的改进。

图6 为改进后的偏航夹钳的结构示意图，图7 为改进后偏航夹钳的工作原理示意图。

改进后的偏航夹钳的上夹钳体和下夹钳体上都开有泄油孔，泄油孔穿过夹钳的侧壁通向油腔。如图6 所示。泄油孔到刹车盘的距离(图中的L)等于活塞的厚度与刹车片磨损到需维修的程度时的厚度之和。

同一夹钳体上，相邻容腔之间还可以设有将两个油腔相连通的泄油通道，且同一夹钳体上的所有泄油通道位于同一水平位置上。

在正常情况下，泄油孔被活塞堵住，油腔内的有不会通过泄油孔返回到液压站。随着偏航夹钳的使用时间延长，刹车片被逐渐磨损变薄，在这个过程中，活塞在油压的作用下不断地向靠近刹车盘的方向缓慢移动。当刹车片磨损到需要更换的程度时，活塞不能继续堵住泄油孔，从而使泄油孔与油腔相连通。油腔中的液压油就会通过泄油孔回流到液压站，如图7 所示，导致液压系统无法给偏航刹车夹钳施加压力。此时风电机组的控制系统会将此异常状况通过控制界面向监控人员发出警报，促使维护人员对偏航刹车进行检查，避免了刹车片的过度磨损以及因此引起的安全事故，还起到了延长刹车盘使用寿命的作用。

图3 偏航夹钳工作原理图

图4 过度磨损的刹车片

图5 被损坏的刹车盘

图6 改进后的夹钳内部结构示意图

图7 改进后偏航夹钳的工作原理图

摄影：郭慧文

由于上夹钳体的容腔和下夹钳体的容腔是连通的，泄油孔还可以单独设置在下夹钳体或上夹钳体上。

结语

改进后的偏航夹钳，由于增加了泄油孔和泄油通道，使得夹钳刹车片在磨损到需更换的状态时，油腔内的液压油可以通过泄油孔返回液压站，使液压系统无法给刹车夹钳施压，控制系统会将此异常状况通报给监控人员，从而避免了安全隐患，减小了损失，还可以延长刹车盘的使用寿命。该控制系统成本低，容易实现，而且几乎不用维护费用，大大节省了成本。