低温环境对风机液压刹车系统响应性能的影响

(东方电气自动控制工程有限公司，四川 德阳 618000)

0 引言

风机液压刹车系统的主要作用是实现风机的高速轴和偏航制动。作为一种野外工作的液压设备，环境温度变化范围大，特别是在我国东北的某些风场，冬季的环境温度可以低至-45 ℃。温度降低，液压油黏度增大，流动性能降低；同时也会使蓄能器的预充氮压力降低，致使系统响应迟钝，影响系统制动性能，甚至危及风机的安全。在对其低温响应性能进行一系列的试验研究后，针对具体的问题提出了切实有效地解决方案，并取得了显著的应用效果。

1 低温环境对液压油性能的影响

由液压油的黏温特性可知，油温越低，黏度越高，流动性能越差，从而影响系统的响应性能。在我国，风机液压刹车系统工作的环境温度一般要求是-40 ℃～+60 ℃。通常考虑到风机液压刹车系工作的节能需要，液压泵为间隙运行。当系统达到额定压力后进入保压运行模式。由于系统采用保压运行，油液不能充分循环，环境温度降低时，系统中的油温也随之降低，因此要求系统在设计的工作温度范围内液压油应具有良好的流动性能。

表1 壳牌得力士S4 VX液压油特性参数

表1是目前国内风电行业中，风电液压刹车系统常用的壳牌得力士S4 VX液压油的黏温特性曲线。从中可以看出该油品在-40 ℃时的黏度为2 624 cSt，流动性能较差。

对此，通过简易的方法(在室温和-40 ℃低温下，测试相同容积的液压油在相同的倾倒方式下通过相同小孔所用的时间)对油液的流动性能进行测试。经测试，200 mL S4 VX液压油在室温28.5 ℃下，通过垂直倾倒的方式通过Φ2.5 mm的小孔所用时为1′38″；当油温降到-40 ℃后再进行倾倒，则需要8′52″。由此可以直观的说明低温条件对该油品的流动性能影响明显。

为了搞清环境温度变化对风机液压刹车系统的影响，将整套风机液压刹车试验系统移入低温试验柜内，并测试其在室温和低温条件下轴刹车压力建立(压力从0升至10 MPa)的响应时间。通过测试得出，系统在15 ℃时的响应时间为6″93；-20 ℃时为10″93；-40 ℃时为20″65。一般，系统设计要求常温环境下轴刹车压力建立的响应时间为4±1 s。通过试验可以看出，液压刹车系统在低温环境下，油液黏度升高后，流动性能降低，轴刹车制动响应迟钝，影响制动及时性和安全性。

2 低温环境对蓄能器性能的影响

环境温度不仅对油液的黏度有影响，还对气体状态有较大的影响。根据理想气体定律PV=nRT，R为气体常数。当温度变化时密闭容积内气体的压力和体积也会随之改变。风机液压刹车系统在油泵停止后的保压运行阶段，系统动力由蓄能器来维持和提供。由于蓄能器内的预充氮压力会随着环境温度的变化而改变，因此在实际工作中蓄能器的蓄能能力随环境温度的变化而变化。当蓄能器的蓄能不足时将会影响系统执行机构的动作响应特性。

对于风机液压刹车系统中1个2.8 L的隔膜蓄能器，在室温下(14.3 ℃)给其充上10 MPa的氮气，然后再将其及测压表一同置入低温试验柜中测得图1所示的氮气压力随温度(每个温度点恒温2 h后读数)变化的曲线。

图1 蓄能器中充氮压力随温度的变化曲线

从图1中可以得出温度每降20 ℃，其内的氮气压力下降1 MPa。

在该系统中，蓄能器的动作是在短时间内完成的，整个过程中不至于发生热交换，因此可以认为整个变化是在绝热状态下完成的，此时有以下蓄能器容积计算公式。

(1)

V蓄能器容积(2.8 L)；ΔV系统容积需要(补油容积)；P0为蓄能器预充氮压力；P1为最小工作压力(14 MPa)；P2为最大工作压力(16 MPa)；n为多变指数(绝热时取1.4)。

将室温时的充氮压力和-40 ℃时的氮气压力带入式(1)中，可计算出：

室温14.3 ℃，预充氮压力10 MPa时，ΔV=0.199 L；-40 ℃时，氮气压力降到7 MPa时：ΔV=0.155 L，补偿能力降低约22%。

通过计算得出，随着蓄能器充氮压力的降低，其补油能力也在降低，这样系统的保压时间将有明显的降低。当需要紧急制动时，系统可能会出现供油不足而影响其制动响应性能。

3 提高液压系统响应性能的解决方案

3.1 合理设计节流孔结构

一般该系统中的节流孔直径均小于1 mm，实际中要将其加工成薄壁小孔(δ/d≦0.5)困难极大，通常是将其做成细长孔。这样，当油温降低时，黏度增大，油液在节流孔内的流动性能变差，刹车器的制动时间就会延长。

图2 改进前后的节流孔结构

对此，在不改变孔径的条件下，将节流孔从图2中的(a)结构优化成(b)结构后，轴刹车压力建立的响应时间不论是在常温，还是在低温条件下，其性能相对于改进前的6″93(15 ℃)和20″65(-40 ℃)均有显著的改观。图3是系统在室温17 ℃时的响应曲线，时间为3.6 s；图4是在油温降到-40 ℃时的响应曲线，时间为7 s。

细线：指令曲线；粗线：压力曲线

细线：指令曲线 ；粗线：压力曲线

3.2 合理选择液压油

油液黏度增加，流动性能降低是导致系统响应速度变慢的主要原因，为此可以通过选择低温下黏度相对较小的油品以增加其流动性，提高系统的响应性能。对此，同样通过简易的流动性试验比较了得力士S4 VX和昆仑15#液压油在相同温度温条件下的流动性能。由表2可以看出，在室温条件下，两种油品的流动性差异并不明显，但是当油温降到-40 ℃时，用同样方式倾倒200 mL的壳牌S4 VX所用的时间将近是15#航空油的4倍，两者性能的差异极为明显。因此从该对比试验中可以看出，合理选择液压油的低温性能对提高系统的响应性能有着直接的作用

表2 200 mL液压油通过φ2.5 mm节流孔所用时间

3.3 合理选择蓄能器充氮压力

气体加载式蓄能器在低温环境下主要是因预充氮压力的降低而影响液压系统的补油能力，可能造成补油不足而影响系统执行机构的响应。虽然重力加载或者弹簧加载蓄能器的蓄能能力不会因环境温度的降低而有明显变化，但由于这两种蓄能器自身结构特性的限制而不能应用在风电液压刹车系统上。因此，在采用气体加载式蓄能器时必须考虑预充氮压力因环境温度变化而对其蓄能能力的影响。

一般，风机的液压刹车油站是在制造厂内完成充氮，工作运行却是在其他温度区域内。如，我公司在四川德阳，该地的夏季最高温度36.7 ℃，冬季最低温度-5.9 ℃。这样在夏季最高温度时生产的刹车油站蓄能器充氮压力为10 MPa，到了北方冬季-40 ℃工作环境中氮气约为6.2 MPa；而在冬天最低温度下生产的刹车油站预充同等压力的氮气，到了夏季最高温度40 ℃的环境中工作时，实际气压约为12.3 MPa。

经计算，1台90缸径的主动式轴刹车器在最大工作位置的行程为14 mm时的油耗量为0.09 L。液压刹车系统的工作压力为16～14 MPa，轴刹车器的工作压力为10 MPa，为了保证系统的安全、稳定工作，无论系统处于最高压力或是最低压力状态，触发刹车，系统蓄能器都要提供不低于0.09 L，压力不低于10 MPa的压力油以满足轴刹车的制动需要，确保安全制动。由此，生产厂家应根据生产地和工作地的温度变化情况按照式(1)进行计算，合理选择蓄能器的容积和充氮压力。

为了保证液压刹车系统的正常工作，则需要根据系统的最高油耗量和生产地与工作地的温度变化情况，合理确定蓄能器的充氮压力，以满足其在设计的环境温度条件下系统都能正常工作，而不需要维护人员时常上风机对蓄能器进行充气或排气操作。

3.4 机舱加热

由于低温环境影响的不仅仅是液压刹车系统工作性能，对风机上其他设备的正常工作也有一定的影响。通常，低温机组都有机舱加热设备，液压站、刹车器及管路布置机舱内部，因此保证低温加热设备的正常工作，避免机舱温度降得过低，对提高刹车系统响应性能也有着积极的作用。

4 结语

通过一列的试验研究，增强了对风机液压刹车系统低温响应性能的认识，并针对相应的问题提出了切实有效的改进方案，提高了风机液压刹车系统的设计水平和产品性能质量，为风机的安全、稳定运行提供了有力的技术保障。野外工作的液压设备的系统响应性能容易受到环境温度变化的影响，因此在设计时，需要充分的考虑该因素对系统影响，并采取合理的应对措施确保系统的安全、稳定、可靠运行。