低温对风力发电机组偏航液压制动系统的影响及优化

肖 旺， 赵登利， 董 营， 李肖霞

(山东中车风电有限公司， 山东 济南 250022)

引言

偏航液压制动系统是保证风力发电机组偏航对风和机舱锚定的重要安全系统，其在任何运行环境及工况下的响应性能和稳定性都是至关重要的。目前我国陆上风机广泛分布在三北大基地，冬季天气寒冷，环境恶劣，如2020年新疆布尔津地区某风电场就遭遇了持续多天-40 ℃以下的极寒天气，对风机的运行甚至生存都带来严峻考验。低温对液压系统的重要危害之一是使液压油黏度升高，导致油液流经液压元件及管路的阻力和压力损失增大，造成液压系统运行故障[1-3]。

冬天风机运行发电时，齿轮箱、发电机和主轴承等部件表面可产生大量的辐射热[4-6]，使机舱内温度不会太低，但风机运行受自然风况和机组状态的影响，难免会经历长时间待机等风、未满发或限功率运行等工况，此时机舱内与外界环境温差逐渐减小，甚至低于环境温度。上述情况下，风机偏航液压制动系统的性能也随之下降，易导致偏航启动时因系统卸压松闸过慢而产生偏航振动和噪声，甚至偏航电机过载跳闸；以及偏航结束时因系统建压制动过慢而无法及时锚定机舱，影响机组运行安全。

文献[7]研究了常温条件下影响风机偏航液压制动系统响应性能和稳定性的关键因素，并提出了设计建议；文献[8]对风机高速轴液压刹车在低温环境下的响应性能进行了试验研究，并给出了相关解决方案；文献[9]介绍了风机液压制动系统的原理和设计校核计算，并对液压站的功能回路进行了低温动作试验。本研究利用理论、仿真及试验相结合的方法对低温造成偏航液压制动系统性能下降的问题进行了分析、验证和优化，为风机偏航液压制动系统的低温适应性设计提供了建议和参考。

1 低温对液压油黏度的影响

液压油黏度随温度的变化而变化，油温越低，黏度越大，黏度增长速率越快。黏度指数作为反映油液黏度随温度变化程度的重要指标，其值越大，黏度受温度的影响越小，黏温特性越好，因此，低温环境下应尽量使用倾点低并且黏度指数高的液压油。表1为3种不同型号低温液压油性能参数表，其中液压油A和B兼具良好的低温黏度和经济性，被广泛用于风机液压系统。由表1可知，当温度高于-10 ℃时，液压油A和B的黏度变化不大；低于-20 ℃时，黏度急剧增大，油液流动性变的极差。液压油C是一款黏度指数高达375，具有卓越黏度控制的液压油，其低温性能已接近航空油[10]，但因其价格较高，国内风电行业少有应用。

2 低温对偏航液压制动系统的影响与分析

图1为某兆瓦级风机的偏航液压制动系统组成示意图，根据文献[7]对该系统原理、组成及结构的介绍，可知其系统特点为高压力、小流量、多负载和长管路。为保证风机运行安全， 偏航液压制动系统几乎总是处于压力(全压或阻尼)制动状态，故制动器及其连接管路内总是充满油液。同时由于系统制动状态切换所需补压或卸压的油量很少，导致油液循环流动性较差，即使液压站油箱和机舱配置了加热设备也不能有效解决制动器和管路内油温低的问题[11]。因此，偏航液压制动系统一旦处于低温环境， 很难在短时间内使油温上升恢复系统正常工作状态。

表1 低温液压油性能参数Tab.1 Hydraulic oil performance parameters atlow temperature

图1 偏航液压制动系统组成Fig.1 Yaw hydraulic brake system composition

2.1 低温对阻尼制动的影响与分析

风机偏航启动时，制动器要快速从全压制动转为阻尼制动，为偏航运动提供一定的阻尼力。由图1可知，阻尼制动时，制动器内的高压油液需依次流经前面的串联制动器、中间管路及回油管路到达液压站背压阀进行卸压。当液压油受低温影响黏度增大时，其在制动器和管路内的流动会产生很大阻力，造成卸压时间延长；同时，由于不同安装位置的制动器到液压站的管路长度不同，卸压阻力不同，制动器的卸压速度也明显不一致。因此，低温将导致阻尼制动响应变慢以及制动器松闸动作不同步等问题。

距离液压站越远，制动器卸压越慢，故与进油管路连接的制动器成为决定整个偏航液压制动系统低温下阻尼制动响应性能的关键。以图1为例，在阻尼卸压过程中的任意时刻t，制动器Q6内的压力p6(t)为：

(1)

式中，pB(t) ——t时刻背压阀口前端压力

qM(t) ——t时刻回油管路流量

μ(T) —— 油温T时的液压油动力黏度

D—— 管路直径

LM—— 回油管路长度

相邻2个制动器之间的连接管路压差Δpn,n+1(t)

为：

(2)

式中，qn,n+1(t) ——t时刻第n和n+1个制动器间的管路流量

Ln,n+1—— 第n和n+1个制动器间的管路长度

由式(1)和式(2)可知，第n个制动器内的压力pn(t)为：

pn(t)=pn+1(t)+Δpn,n+1(t)+Δpn+1(t)

(3)

式中， Δpn+1(t) ——t时刻油液流经第n+1个制动器内部的压力损失，n=1，2，3，4，5

2.2 低温对全压制动的影响与分析

风机偏航结束时，制动器要在短时间内从阻尼制动恢复全压制动，保持为机舱位置提供足够的制动力。制动器进油回路通常使用小孔阻尼对制动流量进行控制，以避免主系统蓄能器瞬间释放高压油液对整个制动系统造成较大冲击，实现制动器对制动盘线性平稳的抱闸刹车[12]。薄壁小孔具备沿程阻力损失小、过孔流量与黏度无关、对油温变化不敏感等特点，是液压系统常用的理想节流元件[13-14]。由于偏航液压制动系统实际所需的阻尼孔直径通常仅为0.6～1.0 mm，根据薄壁小孔的定义(长径比小于等于0.5)，难以将其加工成薄壁小孔结构，因此液压站厂家通常直接采用简单廉价的细长孔阻尼，能在常温环境使用中达到预设的效果，但往往忽视了其在低温下的表现。

在制动建压过程中的任意时刻t，油液流经细长孔阻尼的流量qR(t)为：

(4)

式中，DR—— 阻尼孔径

LR—— 阻尼孔长

ΔpR(t) ——t时刻阻尼孔两端的压差

由式(4)可知，通过细长孔阻尼的流量受油温、孔长及孔径的影响较大。当低温下液压油黏度增大时，细长孔阻尼的通流能力下降，造成系统全压制动缓慢，影响风机运行安全。

3 低温仿真与试验研究

3.1 仿真与试验系统搭建

设计偏航液压制动系统试验原理如图2所示，风机偏航时，电磁换向阀8和9.2通电，制动器试验腔卸压，由全压制动转为阻尼制动；偏航结束时，电磁换阀8和9.2断电，蓄能器12内的高压油液通过阻尼孔7进入制动器试验腔，腔内由阻尼压力升至系统压力，实现全压制动。

1.油箱 2.电机 3.齿轮泵 4.溢流阀 5.过滤器 6.单向阀7.阻尼孔 8.常闭电磁阀 9.常开电磁阀 10.截止阀11.压力传感器 12.蓄能器 13.偏航制动器试验腔图2 偏航液压制动系统试验原理Fig.2 Test principle of yaw hydraulic brake system

偏航制动器由上钳体和下钳体组成，钳体内各有3个串联活塞缸，上下钳体油缸之间由管路连接，其结构如图3a所示。为简化制动器仿真模型，将其钳体内的3个活塞腔简化为1个固定容腔，上下仿真腔用钢管连接，具体如图3b所示。同时由于试验系统所需的制动器数量多、重量大，为便于低温试验的操作，将制动器上下两钳体内的活塞腔简化为1个圆柱模拟试验腔并设计偏航制动器组试验模拟装置，如图3c所示。模拟装置有6个试验腔，试验腔之间用软管连接。

图3 偏航制动器结构与模拟Fig.3 Yaw brake structure and simulation

根据原理图2，搭建偏航液压制动仿真系统如图4所示；将液压站与制动器模拟装置通过软管连接并放入高低温试验箱如图5所示。试验前，对液压站加注表1中的全新液压油A，并更换新的滤油器滤芯。系统仿真通过设置液压油不同黏度参数值模拟温度对偏航液压制动系统的影响，同时为保证仿真与试验的一致性，将液压油、阀件、管路等的仿真参数设置与试验系统保持一致，具体要求见表2。

3.2 低温对制动性能影响的仿真与试验

1) 低温对阻尼制动的影响

按表1中液压油A的黏温特性关系，将油液黏度分别设置为50，266，565，1375，3966 mm2/s， 对系统进行全压制动转阻尼制动的仿真，仿真腔Q1.1的卸压曲线如图6所示。将试验箱温度分别设置为30，0，-10，-20，-30 ℃，对系统进行全压制动转阻尼制动的试验，试验腔Q1的卸压曲线如图7所示。由图6和图7可知，常温环境下，制动器模拟腔可在瞬间由全压制动卸压至阻尼制动，随着温度降低，液压油黏度增大，卸压时间逐渐延长。当温度低于0 ℃时，试验卸压时间开始超过1.5 s；低于-10 ℃时，仿真卸压时间达到1.5 s以上；低于-20 ℃时，仿真和试验结果均表明此时系统已无法在短时间内卸压至阻尼压力。

图4 仿真系统建模Fig.4 Simulation system modeling

图5 低温试验Fig.5 Low temperature test

在30 ℃和-10 ℃下，仿真腔Q1.1和Q6.2的卸压曲线如图8所示，试验腔Q1，Q4，Q6的卸压曲线如图9所示。由仿真和试验结果可知，常温环境下， 所有模拟腔内的卸压速度几乎同步；当温度低于-10 ℃时，不同模拟腔的卸压速度开始出现较大差异，距离液压站越远的模拟腔卸压响应越慢，这种现象在卸压初期尤为明显。随着腔内压力逐渐降低并接近背压阀设定值，卸压流量逐渐减小，各制动器模拟腔内的压力趋于稳定且一致。

表2 仿真和试验的主要参数Tab.2 Main parameters of simulation and test

图6 仿真腔Q1.1的卸压曲线Fig.6 Pressure relief curve of Q1.1

图7 试验腔Q1的卸压曲线Fig.7 Pressure relief curve of Q1

图8 仿真腔Q1.1和Q6.2的卸压曲线Fig.8 Pressure relief curve of Q1.1 and Q6.2

图9 试验腔Q1，Q4，Q6的卸压曲线Fig.9 Pressure relief curve of Q1，Q4，Q6

2) 低温对全压制动的影响

按上述相同的仿真和试验条件，对系统进行阻尼制动转全压制动的研究与分析。图10和图11分别为不同温度下仿真腔Q6.2和试验腔Q6的建压曲线。由仿真和试验结果可知，常温环境下，模拟腔可在5 s左右由阻尼压力升至系统压力，随着温度降低，液压油黏度增大，建压时间逐渐延长。当温度为0 ℃时，仿真建压时间已接近10 s，试验建压时间已超过15 s；0～-20 ℃时，系统建压速度出现明显下降且试验比仿真结果下降更为严重，试验建压初期还出现了响应迟滞阶段；-30 ℃时，由于液压油黏度太大，阻尼孔近乎呈堵塞状态，系统建压制动失败。

3.3 结果分析

仿真和试验结果表明， 低温可导致偏航液压制动系统性能下降甚至失效，验证了理论分析的正确性。另外，系统在常温下的仿真和试验的结果几乎相同，但低温下存在一定误差，主要表现为：与仿真结果相比，当温度低于0 ℃时，试验的制动响应速度更慢，相同时间内所达到的制动压力与目标压力差值更大，以及全压制动初期出现明显的建压迟滞现象。分析误差产生原因主要为系统仿真忽略了由接头、阀口、集成块内孔道等引起的局部压力损失，当油液黏度随温度的下降而快速增加时，上述局部阻力也随之显著增大，造成试验制动响应速度和压力不及仿真结果；同时，由于低温下液压油通过阻尼孔的流量很小，油液到达试验腔Q6前还需经过较长的连接软管和试验腔Q1～Q5，并补充软管和液压油因压力变化而产生的体积变形量，导致制动压力传递滞后，动态响应缓慢，宏观表现为试验腔Q6的建压开始时间滞后严重。以上因素通常难以理论计算或仿真模拟，可从优化集成块设计[15-16]、提高管路刚度等方面尽量减小其影响。同时，根据理论分析过程可知，为有效提高偏航液压制动系统的低温性能，其关键还是在于提高系统低温下的制动流量和降低卸压阻力。

图10 仿真腔Q6.2的建压曲线Fig.10 Pressure build-up curve of Q6.2

图11 试验腔Q6的建压曲线Fig.11 Pressure build-up curve of Q6

4 系统优化与验证

4.1 对全压制动的优化

为提高低温环境下偏航液压制动系统的建压速度，必须提高低温下通过制动回路阻尼孔的流量。由于直接加大孔径会降低阻尼常温下的节流效果，因此本研究在不改变孔径的前提下，通过改变阻尼孔结构，使用长径比尽可能小的短孔阻尼以提高其低温下的通流能力。

加工制作孔径0.6 mm，孔长0.8 mm，长径比为1.33的短孔阻尼替换原长孔阻尼，将阻尼孔长仿真参数设置为0.8 mm，对系统进行低温下阻尼制动转全压制动的仿真与试验。仿真腔Q6.2和试验腔Q6的建压曲线如图12和图13所示，可以看出，常温环境下短孔阻尼和长孔阻尼对制动建压速度的控制几乎相同，随着温度降低，液压油黏度增大，使用短孔阻尼的系统建压速度明显快于长孔阻尼。当温度高于-10 ℃时，短孔阻尼的建压速度随温度的变化略有下降，响应无迟滞；-10～-20 ℃时，建压逐渐变慢，但在-20 ℃时的仿真结果仍与使用长孔阻尼在-10 ℃时的仿真结果接近。实验中短孔阻尼表现更好，其在-20 ℃时系统虽然还存在短时的响应迟滞，但整体实验结果已与长孔阻尼在0 ℃时的实验结果接近。以上仿真和试验结果表明，短孔阻尼对提高系统低温下的全压制动性能有明显的改善作用。

图12 阻尼优化前后系统建压仿真对比Fig.12 Simulation comparison of system pressure build-up before and after damping optimization

图13 阻尼优化前后系统建压试验对比Fig.13 Test comparison of system pressure build-up before and after damping optimization

4.2 对阻尼制动的优化

为提高低温环境下偏航液压制动系统的卸压速度，必须减小卸压时油液流经串联制动器和管路的沿程阻力。根据液阻网络原理，将制动器和管路均视为液阻元件，并联可减小整个系统的液阻。考虑风机偏航液压制动系统设计的实际情况，采用一种对制动器分组，相邻若干个制动器为一组，组内制动器串联，组间制动器并联来减小液阻的优化方案。这种制动器闭环串并联的管路连接方式缩短了任意位置制动器到液压站的距离，因此可以提高卸压速度。

根据上述优化方案，调整系统仿真与试验的管路连接方式，将制动器模拟腔对称分为Q1～Q3和Q4～Q6 2组，进油管同时连接Q1和Q6，回油管连接Q3和Q4。图14为当液压油黏度设置为1375 mm2/s时管路优化前和优化后仿真腔Q1.1，Q3.2，Q6.2的卸压曲线。图15为30，-10，-20 ℃时管路优化前后试验腔Q1的卸压曲线。由图14和图15可知，优化后的管路连接方式有效提高了系统低温下的卸压速度，两端及中间模拟腔卸压也基本现实同步。试验中系统管路优化后在-20 ℃时的卸压速度超过了优化前在-10 ℃时的卸压速度，并已接近仿真结果。

图14 管路优化前后系统卸压仿真对比Fig.14 Simulation comparison of system pressure relief before and after pipeline optimization

5 结论

本研究分析和验证了低温环境下偏航液压制动系统性能下降的问题并提出了设计和优化建议，研究表明：

图15 管路优化前后系统卸压试验对比Fig.15 Test comparison of system pressure relief before and after pipeline optimization

(1) 阻尼孔结构型式对偏航液压制动系统在低温环境下的建压响应性能有着重要影响。长孔阻尼对油温变化敏感，其在低温下导致全压制动过慢的问题不容忽视。短孔阻尼可有效降低温度对制动流量的影响，提高系统低温下的建压速度，因此，风机制动液压站设计时应使用长径比尽可能小的短孔阻尼；

(2) 低温对偏航阻尼制动的影响主要表现为制动器卸压松闸响应慢以及动作同步性差。制动器数量越多，连接管路越长，低温影响越严重。常用的制动器串联方式被证明对系统在低温环境下的卸压非常不利，因此，合理的采用制动器闭环串并联结构，减小低温时的卸压阻力是偏航液压制动系统设计时需要着重考虑的方面；

(3) 风机运行环境温度(机舱外)一般为-30～40 ℃，偏航液压制动系统在机舱内温度低于0 ℃时开始出现制动性能下降，低于-20 ℃时性能严重下降，低至-30 ℃时系统近乎失效。仿真和试验表明，本研究提出并使用的优化方法可在机舱温度-20 ℃以上时对偏航液压制动系统的响应性能有明显的改善效果，保障风机在绝大多数低温工况下的运行。当机舱内低于-20 ℃时，由于液压油黏度近乎指数型增长，给偏航液压制动系统的低温设计和优化带来了更大困难，是下一步研究工作的重点。