0. 引言

與傳統(tǒng)化石能源（如石油、煤炭、天然氣等）相比,風(fēng)能資源具有清潔無(wú)污染、可再生、分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)[1]。我國(guó)是世界上風(fēng)力資源最多的國(guó)家之一[2],根據(jù)國(guó)家能源局公布的數(shù)據(jù),從2018年到2023年我國(guó)風(fēng)電系統(tǒng)的裝機(jī)總量逐年增長(zhǎng),從1.84×109kW增加至4.04×109kW,未來(lái)風(fēng)電系統(tǒng)的裝機(jī)增長(zhǎng)率將會(huì)迎來(lái)新的突破。

風(fēng)電制動(dòng)系統(tǒng)是維持風(fēng)電機(jī)組正常工作的重要部分,主要作用是通過(guò)改變?nèi)~片角度以及降低風(fēng)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)速度,確保風(fēng)電機(jī)組安全穩(wěn)定地緊急減速或停止運(yùn)行,避免設(shè)備損壞,同時(shí)有效保障操作人員和周?chē)h(huán)境的安全。目前,廣泛使用的制動(dòng)系統(tǒng)主要分為空氣制動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)兩類(lèi),一般會(huì)同時(shí)采用這兩類(lèi)制動(dòng)系統(tǒng)以保證風(fēng)機(jī)的日常運(yùn)行和停機(jī)操作。空氣制動(dòng)系統(tǒng)能夠降低風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)速,但不能使葉片完全停止轉(zhuǎn)動(dòng),難以滿(mǎn)足緊急迅速停機(jī)的要求,此時(shí)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的不可替代性便凸顯出來(lái)。機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)分布在主軸、偏航及變槳系統(tǒng)中,主軸和偏航兩處制動(dòng)器通常由安裝在高速軸和偏航系統(tǒng)上的圓盤(pán)與布置在四周固定有制動(dòng)片的制動(dòng)夾鉗構(gòu)成。通常情況下,制動(dòng)夾鉗不動(dòng),制動(dòng)圓盤(pán)隨軸旋轉(zhuǎn),當(dāng)需要停機(jī)時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓或電動(dòng)機(jī)構(gòu)使制動(dòng)片壓緊制動(dòng)盤(pán),制動(dòng)片的磨損通常遠(yuǎn)大于制動(dòng)盤(pán)面。

為了給相關(guān)研究人員提供參考,作者主要從材料、工況、摩擦磨損性能等方面對(duì)風(fēng)電機(jī)組制動(dòng)片研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,重點(diǎn)總結(jié)了制動(dòng)片的材料體系和摩擦學(xué)性能的研究進(jìn)展,介紹了有限元方法在制動(dòng)片研究中的應(yīng)用,在此基礎(chǔ)上分析并討論其今后的發(fā)展方向。

1. 風(fēng)電機(jī)組制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工況

1.1 風(fēng)電機(jī)組制動(dòng)系統(tǒng)的作用與要求

風(fēng)電機(jī)組制動(dòng)系統(tǒng)除了在風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)使其停止運(yùn)行,以便維修外,其高速軸制動(dòng)器可以在風(fēng)速異常增大時(shí)有效減緩風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn),避免風(fēng)機(jī)損壞,保障其在極端氣象環(huán)境中穩(wěn)健運(yùn)行,偏航制動(dòng)器的作用則是確保風(fēng)機(jī)葉片朝著風(fēng)的方向,從而提高發(fā)電效率。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)葉片的轉(zhuǎn)速一般只有15r·min−1左右,但經(jīng)齒輪箱加速傳遞到高速軸上往往可以達(dá)到2000r·min−1[3],因此高速軸制動(dòng)力矩大、速度高,摩擦材料多為金屬粉末冶金材料,特定場(chǎng)合也可用有機(jī)復(fù)合材料。偏航制動(dòng)器力矩小、速度低,摩擦材料一般為有機(jī)復(fù)合材料。

風(fēng)電制動(dòng)系統(tǒng)在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱,在熱應(yīng)力作用下,制動(dòng)片易磨損和變形,同時(shí)還可能發(fā)生“熱衰退”,造成摩擦因數(shù)降低,影響制動(dòng)器的制動(dòng)效率。若使用液壓制動(dòng),潤(rùn)滑油泄露還可能導(dǎo)致制動(dòng)片/盤(pán)間的摩擦因數(shù)降低而引發(fā)制動(dòng)失效,產(chǎn)生安全隱患。因此,制動(dòng)器應(yīng)滿(mǎn)足摩擦因數(shù)穩(wěn)定、耐磨性和耐高溫性好等性能要求,此外,還應(yīng)滿(mǎn)足低噪聲要求,以降低對(duì)環(huán)境的影響。

風(fēng)電制動(dòng)系統(tǒng)是確保機(jī)組正常運(yùn)行的關(guān)鍵部分,通過(guò)對(duì)制動(dòng)摩擦材料的選擇優(yōu)化、材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和制造工藝的過(guò)程優(yōu)化,能夠有效提升制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性并延長(zhǎng)其服役壽命,使得風(fēng)電機(jī)組在各種復(fù)雜工況下正常運(yùn)行。

1.2 風(fēng)電機(jī)組制動(dòng)系統(tǒng)的典型工況

我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)主要分布在西北地區(qū)、東部沿海地區(qū)和東北地區(qū)等地區(qū),氣候條件多樣,在設(shè)計(jì)和選擇風(fēng)電機(jī)組時(shí)必須充分考慮到風(fēng)機(jī)將面臨的特定環(huán)境[4]。

我國(guó)西北地區(qū)常常受到沙塵暴的侵襲,沙顆粒會(huì)磨損和腐蝕風(fēng)機(jī)葉片,對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響,加劇其磨損消耗[5]。為了應(yīng)對(duì)這種情況,制動(dòng)系統(tǒng)常采用密封結(jié)構(gòu)以隔離沙粒,使用耐磨材料以降低制動(dòng)片/盤(pán)摩擦磨損,延長(zhǎng)制動(dòng)系統(tǒng)壽命。海洋環(huán)境具有高鹽、高濕等特點(diǎn),制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮采用耐腐蝕材料,并提高風(fēng)機(jī)密封性,以降低海水進(jìn)入制動(dòng)系統(tǒng)的可能性。

在夏季多風(fēng)天氣下長(zhǎng)時(shí)間服役后,風(fēng)電制動(dòng)系統(tǒng)摩擦產(chǎn)熱且熱量積累較多,材料受高溫影響易發(fā)生軟化導(dǎo)致制動(dòng)不穩(wěn)定。因此,制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)采用耐高溫材料,以提高耐久性和穩(wěn)定性。在極寒氣候條件下,低溫使得制動(dòng)材料更加脆硬,摩擦性能和制動(dòng)效果降低,因此,在設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮材料低溫極寒工況下的力學(xué)及耐磨性能等[6-7]。

綜上,設(shè)計(jì)和選擇風(fēng)電制動(dòng)系統(tǒng)需要考慮其服役環(huán)境對(duì)風(fēng)機(jī)的特殊要求,通過(guò)合適的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高制動(dòng)系統(tǒng)的耐久性和穩(wěn)定性。

2. 制動(dòng)片材料種類(lèi)與制備方法的研究進(jìn)展

目前,國(guó)內(nèi)外風(fēng)電制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)片主要以金屬基摩擦材料為主,同時(shí)樹(shù)脂基復(fù)合摩擦材料也得到快速發(fā)展。金屬基摩擦材料具有穩(wěn)定的摩擦因數(shù),基本不受濕度、溫度和壓力等因素影響,表現(xiàn)出良好的耐磨性和導(dǎo)熱性,但金屬基摩擦材料制成的制動(dòng)片會(huì)對(duì)制動(dòng)盤(pán)造成較大損傷,一般用于高速軸制動(dòng)。樹(shù)脂基摩擦材料硬度高、耐磨性好,能有效克服上述缺點(diǎn),在制動(dòng)過(guò)程中更加穩(wěn)定,但易受濕度影響,在濕潤(rùn)環(huán)境下摩擦因數(shù)大幅下降[8],一般用于偏航制動(dòng)。

2.1 金屬基摩擦材料

銅基粉末冶金摩擦材料具有高導(dǎo)熱系數(shù)、高摩擦因數(shù)和低磨損率以及優(yōu)異的力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn),在風(fēng)力發(fā)電制動(dòng)系統(tǒng)所有摩擦材料中一直占據(jù)主導(dǎo)地位。LI等[9]采用濕法造粒技術(shù)和冷壓燒結(jié)方法制備了銅基摩擦材料,結(jié)果顯示,造粒技術(shù)可以通過(guò)控制顆粒粒徑大小改善材料的摩擦學(xué)性能,粒徑為5~8mm時(shí)表現(xiàn)出最低的摩擦因數(shù),比粉末制備材料降低了22.49%,此外,造粒技術(shù)還能提高摩擦因數(shù)穩(wěn)定性。在制動(dòng)器工作過(guò)程中,顆粒脫落會(huì)導(dǎo)致磨損機(jī)理由黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp,從而增加磨損率。為解決該問(wèn)題并提高制動(dòng)器性能,研究具有高強(qiáng)度和相容性的連續(xù)纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料成為需求。RAMALINGAM等[10]采用鑄造工藝成功制備了以SS304鋼纖維為增強(qiáng)體的銅基金屬?gòu)?fù)合材料,在30N載荷下該材料的摩擦因數(shù)在0.4~0.6間變化,比傳統(tǒng)制動(dòng)片摩擦材料具有更好的耐磨性,磨損機(jī)理表現(xiàn)為黏著磨損和磨粒磨損的復(fù)合。KESHAV等[11]通過(guò)粉末冶金制備了短切不銹鋼纖維和連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的銅基摩擦材料,結(jié)果表明,該材料具有良好的耐磨性,在49N法向載荷下摩擦因數(shù)在最佳范圍（0.3~0.4）。石墨對(duì)銅基摩擦材料的影響一直備受關(guān)注。WEI等[12]研究發(fā)現(xiàn),質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、尺寸300~600μm石墨改性的粉末冶金銅基摩擦材料表現(xiàn)出穩(wěn)定的摩擦因數(shù),摩擦表面僅出現(xiàn)輕微的犁溝,具有最佳的摩擦磨損性能。ESSWEIN等[13]對(duì)比了質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%石墨增強(qiáng)銅基復(fù)合材料制動(dòng)片和酚醛樹(shù)脂制動(dòng)片的摩擦學(xué)性能,結(jié)果表明,銅基復(fù)合材料制動(dòng)片相比酚醛樹(shù)脂制動(dòng)片具有更低的磨損率和更高的摩擦因數(shù)。

梯度功能金屬基摩擦材料是一種新型復(fù)合材料,是指由兩種及以上性能不同的金屬、陶瓷等材料通過(guò)特定方式組合使得復(fù)合材料的組成和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)變化的材料。梯度功能金屬基摩擦材料在內(nèi)外部溫差較大的情況下的內(nèi)應(yīng)力較小,擁有優(yōu)于常規(guī)材料的耐磨性,在國(guó)外已成功應(yīng)用于制動(dòng)片制造[14–16]。其中,梯度功能鐵和銅基復(fù)合材料制動(dòng)片因具有較高的導(dǎo)熱率和良好的耐磨損性能而受到廣泛的關(guān)注。GOVINDARAJU等[16]采用熱成型法制備了梯度功能鐵基材料,該材料的磨損機(jī)理為磨粒磨損,其磨損率和摩擦因數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)材料。KANNAN等[17]采用粉末冶金法制備了梯度功能金屬基摩擦材料,通過(guò)銷(xiāo)-盤(pán)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在載荷增加的情況下,其磨損率減小,磨擦因數(shù)增大,其主要磨損機(jī)理為磨粒磨損。KANNAN等[18]還進(jìn)一步采用液相燒結(jié)技術(shù)制備了梯度功能材料,利用銅作為液相燒結(jié)劑高效燒結(jié)粉煤灰,在氬氣中燒結(jié)時(shí)材料沒(méi)有發(fā)現(xiàn)空隙、裂紋和孔隙等缺陷,最大硬度為830.18HV,遠(yuǎn)大于在普通空氣中燒結(jié)材料的硬度（777.15HV）,但其磨損率卻比空氣燒結(jié)材料高出95.05%,這是因?yàn)橛捕容^高的磨損碎屑顆粒作為第三體顆粒參與,在磨損表面形成犁溝,磨損機(jī)制由初始的黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp。

金屬基摩擦材料的硬度和耐磨性滿(mǎn)足制動(dòng)片使用要求,但會(huì)對(duì)制動(dòng)盤(pán)造成較大的損傷；金屬件之間的摩擦也會(huì)產(chǎn)生極大的噪聲,還易導(dǎo)致制動(dòng)不穩(wěn)定,從而影響風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率；此外,制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的銅顆粒等磨屑還會(huì)對(duì)環(huán)境和人體造成影響。

2.2 樹(shù)脂基摩擦材料

樹(shù)脂基摩擦材料由樹(shù)脂基聚合物、纖維增強(qiáng)體、無(wú)機(jī)或有機(jī)填料以及穩(wěn)定劑、增強(qiáng)劑、阻燃劑等改性劑組成,樹(shù)脂基聚合物為黏結(jié)劑,可分為熱固性樹(shù)脂（如環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂等）和熱塑性樹(shù)脂（如聚酰胺樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂等）兩種,增強(qiáng)體纖維主要有碳纖維、有機(jī)纖維和陶瓷纖維等[19],無(wú)機(jī)填料（氧化鋁、氫氧化鋁等）和有機(jī)填料（碳黑、硅橡膠等）的作用是降低成本并改善材料的導(dǎo)熱性、耐磨性、阻燃性,添加改性劑是為了調(diào)節(jié)材料的摩擦因數(shù),提高耐磨性能。

MULLAIKODI等[20]制備了不同含量天然碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂制動(dòng)片,當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí),材料硬度最高,在腐蝕磨損時(shí)表現(xiàn)出良好的耐磨性能。TAO等[21]將線(xiàn)性圓筒狀碳纖維增強(qiáng)室溫硫化硅橡膠（Cf@RTVSR）芯鞘彈性體作為高性能添加劑來(lái)改性酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料,在0.5MPa制動(dòng)壓力和2000r·min−1制動(dòng)轉(zhuǎn)速下,改性后酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料的摩擦因數(shù)與未改性時(shí)相比顯著上升,磨損率下降了84.8%,且在摩擦表面出現(xiàn)裂紋偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象,圓筒狀Cf@RTVSR芯鞘彈性體在酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料的強(qiáng)化和增韌過(guò)程中發(fā)揮了重要作用,并在一定程度上有利于材料表面的應(yīng)力松弛,而且改性后酚醛樹(shù)脂基材料回收率提高27.14%。RAVI等[22]制備了玻璃纖維和香根草纖維共同增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂材料,該材料的拉伸強(qiáng)度高達(dá)4.9MPa,最大斷裂載荷達(dá)到0.4kN。李輝等[23]制備了2.5D碳纖維織物增強(qiáng)樹(shù)脂基摩擦復(fù)合材料,結(jié)果顯示,材料的摩擦因數(shù)在0.12~0.26間波動(dòng),且呈現(xiàn)波動(dòng)性下降趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。礦物纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料經(jīng)兩次水洗除渣循環(huán)后的高溫摩擦因數(shù)提高了約22.22%[24]。腰果殼油增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的摩擦因數(shù)在0.3~0.5間并隨制動(dòng)負(fù)荷和速度的增加而降低[25]。劉浪等[26]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)玄武巖纖維和鋼纖維質(zhì)量比為1∶1時(shí),二者復(fù)合增強(qiáng)的樹(shù)脂基摩擦材料摩擦因數(shù)穩(wěn)定且大小適宜,磨損質(zhì)量損失最小。

樹(shù)脂基摩擦材料應(yīng)用于風(fēng)電制動(dòng)器方面,不僅滿(mǎn)足性能方面需求,還具有低噪聲、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),符合風(fēng)電行業(yè)可持續(xù)發(fā)展理念。此外,樹(shù)脂基制動(dòng)片具備良好的適應(yīng)性,能適應(yīng)風(fēng)電機(jī)組復(fù)雜的工況環(huán)境。目前,風(fēng)電機(jī)組偏航制動(dòng)片普遍采用樹(shù)脂基摩擦材料[27]。

3. 制動(dòng)片摩擦磨損性能的研究進(jìn)展

3.1 材料成分和工況對(duì)制動(dòng)片性能的影響

制動(dòng)片性能對(duì)風(fēng)電機(jī)組的安全性和發(fā)電效率有著重要的影響。在正常工作條件下,風(fēng)電制動(dòng)片摩擦因數(shù)通常要求在0.3~0.5之間,以確保較好的制動(dòng)效果；同時(shí)還需要保證低磨損率,以減小停機(jī)更換制動(dòng)片的頻率,保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。此外,風(fēng)力發(fā)電機(jī)在使用過(guò)程中會(huì)受到風(fēng)速和溫度等各種工況條件的影響。

3.1.1 材料成分的影響

由于不可避免的磨損現(xiàn)象,在風(fēng)電制動(dòng)系統(tǒng)中,制動(dòng)片/盤(pán)摩擦副表面會(huì)產(chǎn)生微小的金屬顆?；蛩樾?。黃琳等[5]通過(guò)銷(xiāo)-盤(pán)試驗(yàn),使用變質(zhì)油和第三體顆粒混合來(lái)模擬油液泄漏后在制動(dòng)盤(pán)表面擴(kuò)散的情況,研究了風(fēng)電制動(dòng)過(guò)程中沙、鐵、銅等第三體顆粒對(duì)摩擦磨損性能的影響,結(jié)果表明：相比沙和鐵顆粒,銅顆粒造成的磨損更小,但也可能因摩擦因數(shù)較低而制動(dòng)力不足,制動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng),同時(shí)銅對(duì)環(huán)境也有危害；沙顆粒會(huì)導(dǎo)致摩擦因數(shù)產(chǎn)生較大波動(dòng),鐵顆粒會(huì)使摩擦副表面產(chǎn)生較大的犁溝,兩者都會(huì)加速摩擦副達(dá)到劇烈磨損階段。第三體顆粒對(duì)風(fēng)電制動(dòng)系統(tǒng)存在很多不利影響,應(yīng)采取相應(yīng)措施來(lái)降低其影響。SAI等[28]研發(fā)了一種酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料制動(dòng)片,制動(dòng)時(shí)摩擦因數(shù)的波動(dòng)相比商用制動(dòng)片更小,表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性和耐磨性,而且成本降低了近40%,可回收性增強(qiáng)。MURALIDHARAN等[29]在制動(dòng)片和制動(dòng)鉗之間采用純銅接觸,制動(dòng)片和制動(dòng)盤(pán)之間采用復(fù)合材料接觸,研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%SiC和3.5%Y2O3增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料制動(dòng)片的摩擦磨損性能,發(fā)現(xiàn)其體積磨損率相比商用風(fēng)電機(jī)組制動(dòng)片最高降低了84%。

3.1.2 外部工況的影響

風(fēng)電制動(dòng)片摩擦材料性能的優(yōu)劣不僅取決于材料的成分與組織,還受到工況和環(huán)境的影響。制動(dòng)片的摩擦因數(shù)受到載荷、速度和濕度的影響較大,一般隨著載荷和濕度的增大而降低,受速度影響的情況則比較復(fù)雜,并且存在一定的波動(dòng)[30–32]。MOHAMED等[33]研究發(fā)現(xiàn),隨著工作環(huán)境中沙礫尺寸增加或濕度降低,制動(dòng)片的摩擦因數(shù)增大。張長(zhǎng)坤等[34]研究發(fā)現(xiàn)：隨著載荷增加,制動(dòng)片的摩擦因數(shù)幾乎不變,磨損率增大后趨于平穩(wěn)；隨著轉(zhuǎn)速增加,摩擦因數(shù)迅速降低,磨損率不斷增大。由于風(fēng)向會(huì)不斷改變,風(fēng)電機(jī)組工作過(guò)程中經(jīng)常遇到制動(dòng)系統(tǒng)往復(fù)摩擦的情況。PENG等[35]采用熱壓成形法制備了酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)單向摩擦條件下材料的磨損質(zhì)量損失是往復(fù)摩擦條件下的12~16倍,磨損機(jī)理主要為黏著磨損。

風(fēng)沙暴雪等極端環(huán)境會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)性能產(chǎn)生重大影響,并對(duì)風(fēng)機(jī)安全性產(chǎn)生潛在威脅,但目前有關(guān)外部工況對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)影響的研究較少。在未來(lái)的研究中,應(yīng)關(guān)注這類(lèi)特殊環(huán)境對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的影響。

3.2 制動(dòng)片摩擦磨損性能有限元仿真

有限元仿真是一種用于評(píng)估和預(yù)測(cè)材料、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)在實(shí)際工作條件下行為的工程分析方法。該技術(shù)基于有限元法,將復(fù)雜的連續(xù)體劃分成許多單元（如三角形、四邊形單元等）,每個(gè)單元都由一組方程來(lái)描述行為,并與相鄰單元相互連接。通過(guò)求解方程,可以推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)在受力情況下的應(yīng)力、應(yīng)變以及溫度分布等重要信息。有限元仿真可用于模擬各種工程問(wèn)題,可以節(jié)省成本,幫助工程師更好地改進(jìn)產(chǎn)品或系統(tǒng)的性能,在工程設(shè)計(jì)、優(yōu)化和驗(yàn)證過(guò)程中起著重要的作用。試驗(yàn)雖然可以獲得制動(dòng)片在實(shí)際工況下的摩擦因數(shù)、磨損率等性能指標(biāo),但對(duì)于一些實(shí)際難以測(cè)試的參數(shù),如內(nèi)部應(yīng)力分布和溫度分布等,則可以通過(guò)有限元仿真預(yù)測(cè)。

3.2.1 制動(dòng)溫度

溫度是影響制動(dòng)片制動(dòng)效果的一個(gè)關(guān)鍵因素。風(fēng)電制動(dòng)系統(tǒng)在工作過(guò)程中,制動(dòng)片/盤(pán)之間摩擦產(chǎn)生的高溫會(huì)影響制動(dòng)片的力學(xué)性能和化學(xué)性質(zhì)等,溫度超過(guò)材料可承受范圍還可能導(dǎo)致制動(dòng)片的制動(dòng)性能降低甚至引起火災(zāi),產(chǎn)生安全隱患。研究人員利用有限元仿真對(duì)制動(dòng)過(guò)程中的溫度場(chǎng)開(kāi)展了大量研究。尚振國(guó)等[36]基于多載荷步和熱流密度的方法對(duì)國(guó)內(nèi)某1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)用盤(pán)式制動(dòng)器進(jìn)行了有限元分析,研究發(fā)現(xiàn)：制動(dòng)力矩對(duì)溫度影響顯著,當(dāng)制動(dòng)力矩達(dá)到110%額定制動(dòng)力矩時(shí),制動(dòng)片的最高溫度可能超過(guò)燒結(jié)金屬的許用溫度,達(dá)到1026℃；而當(dāng)制動(dòng)力矩為85%額定制動(dòng)力矩時(shí),制動(dòng)片最高溫度僅為852℃。SOLOMIN等[37]研究了制動(dòng)模式對(duì)工作溫度的影響,發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組每運(yùn)行15min,制動(dòng)片釋放約123kJ的熱量；通過(guò)對(duì)風(fēng)電制動(dòng)系統(tǒng)幾種模式的仿真,確定了最優(yōu)運(yùn)行方式為風(fēng)機(jī)制動(dòng)并保持30s,然后每4次制動(dòng)后進(jìn)一步保持風(fēng)機(jī)制動(dòng)300s,摩擦材料的溫度將不超過(guò)350℃。SIROTKIN等[38]分析了緊急制動(dòng)的重要性,提出了一款可靠性高且方便集成到現(xiàn)有風(fēng)電系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)械裝置,通過(guò)熱分析發(fā)現(xiàn),制動(dòng)600s后制動(dòng)器最高溫度只有150℃左右,遠(yuǎn)低于金屬基摩擦副的400~600℃,使用壽命長(zhǎng),可維護(hù)性好。制動(dòng)壓力也是影響制動(dòng)溫度的重要因素之一。王保安等[39]通過(guò)熱力耦合法模擬了偏航制動(dòng)片在制動(dòng)工況下的等效應(yīng)力和溫度變化特性,通過(guò)直觀(guān)分析與方差分析研究了偏航壓力、偏航速度、摩擦因數(shù)對(duì)制動(dòng)片等效應(yīng)力和溫度的影響,結(jié)果表明：偏航壓力對(duì)制動(dòng)片最高溫度影響最大,最高溫度隨偏航壓力的增大而增大；制動(dòng)片的磨損主要集中在溫度更高的進(jìn)口處,制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)片/盤(pán)之間產(chǎn)生的溫度變化引起的熱效應(yīng)是導(dǎo)致其失效的主要原因。孫煊廣等[40]基于傳熱性能分析理論,建立有限元三維模型,發(fā)現(xiàn)實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)盤(pán)的溫度場(chǎng)和其結(jié)構(gòu)緊密相關(guān),當(dāng)制動(dòng)盤(pán)材料承受超過(guò)其屈服極限的熱應(yīng)力和溫度耦合時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)熱裂紋而導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)失效；制動(dòng)片的極限溫度和應(yīng)力往往比制動(dòng)盤(pán)低,因此在制動(dòng)過(guò)程中更容易受到磨損而損壞。ZHANG等[3]采用位移梯度循環(huán)法解決了制動(dòng)盤(pán)因徑向/周向摩擦效應(yīng)差異導(dǎo)致耦合結(jié)果偏差的問(wèn)題,并對(duì)制動(dòng)過(guò)程中摩擦副進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,研究發(fā)現(xiàn),非均勻溫度場(chǎng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)制動(dòng)盤(pán)應(yīng)力分布有顯著影響,而摩擦區(qū)域的應(yīng)力差容易引起材料不均勻變形,導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)失效。

目前,常通過(guò)多載荷步和熱流密度、熱力耦合、位移梯度循環(huán)等有限元仿真方法對(duì)力矩、制動(dòng)模式、速度、壓力和摩擦因數(shù)等因素對(duì)制動(dòng)過(guò)程中的溫度的影響進(jìn)行研究。其中,力矩和壓力對(duì)溫度的影響最為顯著,當(dāng)風(fēng)機(jī)承受較大的制動(dòng)力矩或較高的壓力操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的溫度；改變制動(dòng)模式可以有效降低溫度,但同樣會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)；引入制動(dòng)輔助系統(tǒng)可以降低溫度并提高制動(dòng)效率,但這會(huì)增加風(fēng)機(jī)組件大小并增大成本。因此,在制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,需要綜合考慮這些因素,在成本允許的條件下確保風(fēng)機(jī)的工作溫度在可接受范圍內(nèi)。

3.2.2 制動(dòng)穩(wěn)定性

為了確保制動(dòng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,制動(dòng)器需要具備一定的穩(wěn)定性。ZHANG等[41]通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)方法建立了包含制動(dòng)彈簧、主動(dòng)制動(dòng)鉗、被動(dòng)制動(dòng)鉗和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)在內(nèi)的兆瓦級(jí)風(fēng)電盤(pán)式制動(dòng)器整機(jī)機(jī)械裝配多體動(dòng)力學(xué)模型,研究了兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組制動(dòng)器在緊急制動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)。楊書(shū)儀等[42]根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)剛度矩陣不穩(wěn)定復(fù)特征值和不穩(wěn)定傾向系數(shù),構(gòu)建了偏航制動(dòng)器制動(dòng)模態(tài)耦合模型,分析了制動(dòng)壓力、摩擦因數(shù)、偏航速度、彈性模量等因素對(duì)制動(dòng)穩(wěn)定性的影響,不穩(wěn)定復(fù)特征值個(gè)數(shù)越多、不穩(wěn)定傾向系數(shù)變化越大代表制動(dòng)系統(tǒng)越不穩(wěn)定。沙智華等[43]基于風(fēng)電制動(dòng)器剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型仿真分析了不同初始制動(dòng)轉(zhuǎn)速、制動(dòng)力、摩擦因數(shù)下大功率風(fēng)電制動(dòng)器的振動(dòng)特性,得出風(fēng)電制動(dòng)器制動(dòng)穩(wěn)定性判定方法。LIU等[44]通過(guò)建立風(fēng)電盤(pán)式制動(dòng)器剛?cè)狁詈夏Ｐ?模擬風(fēng)電盤(pán)式制動(dòng)器的實(shí)際工況,分析了制動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)電制動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

目前,常通過(guò)建立多體動(dòng)力學(xué)模型、模態(tài)耦合模型、剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型等有限元模型研究轉(zhuǎn)速、制動(dòng)壓力、摩擦因數(shù)和彈性模量對(duì)風(fēng)機(jī)制動(dòng)穩(wěn)定性的影響。轉(zhuǎn)速是一個(gè)無(wú)法控制的因素,主要受到風(fēng)速的影響。制動(dòng)壓力是在安裝過(guò)程中預(yù)先設(shè)定的,可以根據(jù)具體需求調(diào)整。因此,為了增強(qiáng)風(fēng)機(jī)制動(dòng)穩(wěn)定性,選擇合適的摩擦因數(shù)和彈性模量非常重要。摩擦因數(shù)決定了制動(dòng)片/盤(pán)之間的摩擦特性,合適的摩擦因數(shù)可以提高制動(dòng)穩(wěn)定性。彈性模量則決定了制動(dòng)系統(tǒng)的剛度和抗撓性,適當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ磕軌蛱峁┣‘?dāng)?shù)闹苿?dòng)性能和響應(yīng)速度。在保證制動(dòng)效果的前提下,綜合考慮摩擦因數(shù)和彈性模量的影響,以提高制動(dòng)片的穩(wěn)定性。此外,制動(dòng)片的維護(hù)和更換也是保證其穩(wěn)定性的重要措施,定期檢查和更換磨損嚴(yán)重的制動(dòng)片可以有效避免因制動(dòng)片失效而導(dǎo)致的安全事故。

4. 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)電機(jī)組制動(dòng)片的研究在過(guò)去幾年取得了顯著的進(jìn)展,為提高風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性提供了重要技術(shù)支持。風(fēng)電機(jī)組制動(dòng)片的材料成分和工況條件對(duì)其摩擦學(xué)性能有著顯著影響,其材料主要為銅基復(fù)合材料和樹(shù)脂基復(fù)合材料等,其服役工況多變且復(fù)雜,普遍設(shè)立在風(fēng)力資源豐富的東部沿海地區(qū)以及西部高原地區(qū)。通過(guò)試驗(yàn)與有限元仿真結(jié)合,可以對(duì)摩擦因數(shù)、磨損率等指標(biāo)測(cè)定和制動(dòng)溫度、穩(wěn)定性等參數(shù)進(jìn)行模擬,綜合評(píng)估風(fēng)機(jī)制動(dòng)效果。未來(lái)研究可以集中在以下幾個(gè)方面：（1）新型梯度金屬基材料的引入,環(huán)保型樹(shù)脂基復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)；（2）制動(dòng)片在西部高原風(fēng)沙環(huán)境和東北地區(qū)低溫環(huán)境等極端工作條件下性能的研究；（3）先進(jìn)摩擦材料研究方法的開(kāi)發(fā)；（4）通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)和優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)、成分等,降低研究人員在時(shí)間、成本上的投入,提高新材料的發(fā)現(xiàn)效率。在風(fēng)電機(jī)組制動(dòng)片領(lǐng)域仍然存在挑戰(zhàn)和機(jī)遇,通過(guò)不斷創(chuàng)新和研究,開(kāi)發(fā)和研制高性能風(fēng)電機(jī)組制動(dòng)片,為風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行可靠性和風(fēng)電行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

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