一种大兆瓦风电机机械制动系统论文和设计-刘宇

全文摘要

本实用新型提供一种大兆瓦风电机机械制动系统。本实用新型包括：主控系统、设置于风电机高速主轴上的制动盘、机械制动器和与所述机械制动器相连的液压系统，所述主控系统与液压系统中各阀门电动执行机构相连，所述制动盘上设有压力传感器，所述压力传感器用于实时将制动时机械制动器与制动盘之间产生的摩擦力传递给主控系统，所述液压系统包括与主控系统相连的电动调节阀，主控系统基于压力传感器传输的数据控制电动调节阀流量，使得摩擦力保持预设趋势的稳定。本实用新型通过压力传感器的反馈，在制动过程中不断调整制动压力，减小制动过程对整个传动链的刚性冲击。

主设计要求

1.一种大兆瓦风电机机械制动系统，其特征在于，包括：主控系统、设置于风电机高速主轴上的制动盘、机械制动器和与所述机械制动器相连的液压系统，所述主控系统与液压系统中各阀门电动执行机构相连，所述制动盘上设有压力传感器，所述压力传感器用于实时将制动时机械制动器与制动盘之间产生的摩擦力传递给主控系统，所述液压系统包括与主控系统相连的电动调节阀，主控系统基于压力传感器传输的数据控制电动调节阀流量，使得摩擦力保持预设趋势的稳定。

设计方案

2.根据权利要求1所述的大兆瓦风电机机械制动系统，其特征在于，系统还包括用于测量高速主轴转速的转速传感器，所述主控系统包括判断模块，

其用于根据制动时转速传感器测量的高速主轴的转速判断制动工况，所述制动工况包括紧急制动工况和普通工况，所述紧急制动工况为高速主轴速度高于预设值时的制动工况，所述普通工况为高速主轴速度低于预设值时的制动工况。

3.根据权利要求1或2所述的大兆瓦风电机机械制动系统，其特征在于，所述预设趋势为：主控系统的判断模块判断为紧急制动工况时，主控系统控制电动调节阀调整液压油流量，保持压力传感器传递的摩擦力值处于稳定区间；所述判断模块判断为普通工况时，主控系统控制电动调节阀调整液压油流量，保持压力传感器传递的摩擦力值由零逐渐升高直至高速主轴速度变为0；所述稳定区间为制动器额定力作为阈值上限和低于额定力的一预设压力值作为阈值下限之间的区间。

4.根据权利要求3所述的大兆瓦风电机机械制动系统，其特征在于，所述液压系统包括油箱和连接在其上的输油管路，所述油箱的出油口与所述电动调节阀之间设有第一单向阀和电磁阀，电动调节阀其中一端与制动器进油端相连，其间设置所述压力传感器，还有一端与制动器出油端相连，其间设有第二单向阀。

5.根据权利要求4所述的大兆瓦风电机机械制动系统，其特征在于，所述第一单向阀和电磁阀之间设有溢流管路，其上设有溢流阀。

6.根据权利要求4所述的大兆瓦风电机机械制动系统，其特征在于，输油管路的电磁阀为常开2位4通电磁阀，所述液压系统还包括一端连接在油箱上、另一端连接在制动器上的油箱回油管路，其间设有常闭2位4通电磁阀。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及制动技术领域，尤其涉及一种大兆瓦风电机机械制动系统。

背景技术

现有的高速重载机器的盘式制动方式普遍是，当机器制动时，制动器利用气压、液压、弹簧弹力等加载方式提供恒定的制动压力P，将此压力施加在制动器上的制动片上使其与旋转的制动盘接触产生摩擦力f，如果摩擦力矩大于机器负载旋转产生的转矩，就能使转速逐渐降低直到旋转部件完全停止转动。制动器工作时，会受到摩擦力的反作用力f’。

通常情况下，制动器厂家会分析制动器受力情况，确定载荷判断可能的失效形式，根据设计计算准则设计制动器。由于制动器所受摩擦力反力f’是制动器的主要载荷，因此是设计制动器的关键。然而，随着摩擦磨损学科的发展，大量摩擦磨损学试验也已经证明，摩擦副之间的压力和相对滑动速会引起材料表面层的一系列变化，如发热、变形、化学变化等，从而影响摩擦系数。变动的摩擦系数μ可能会导致制动器实际受到的摩擦力反力f’超出厂家设计制动器时依据的数值，最终造成实际工况下制动器受力f’可能会超出制动器的额定力F。

高速重载机器的制动往往不是一种，例如面对危机状况下需要尽快制动的紧急工况，此时转速高达数千甚至数万转；或者需要停机检修的普通工况，此时转速仅有数十转到数百转。不同的工况主轴转速相差很多。

对于紧急制动工况，由于机器具有高速重载的特性，因此在惯性的作用下，主轴从高转速开始制动到完全停止，制动时长从数十秒至数分钟不等，在这段时间内，制动器的摩擦副在某个恒定的制动压力P的作用下制动时，随着转速的降低，摩擦系数μ在不断变动，因此产生的摩擦力f也随之波动。如果制动器所受摩擦力反力f’低于额定力F，则浪费了制动器性能，拖延了制动时间；如果制动器所受摩擦力反力f’超过额定力F，则可能超过刚度或者强度极限，损伤制动器部件，缩短使用寿命。

对于普通工况，当机器制动时由于是恒定压力制动，制动器仍然施加的同样的制动压力P，由于机器转速较低，此时的转动力矩往往小于恒定制动压力产生的摩擦力力矩，这种制动方式会使转速突然降低为零，其瞬时加速度理论上趋于无穷大，因而产生无穷大的惯性力，使机器部件受到很大的刚性冲击。

实用新型内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种大兆瓦风电机机械制动系统。本实用新型主要以制动压力作为变量，以制动力矩和转速作为输出，通过控制制动压力来得到所需的较大制动力矩或较小速度变化，达到更精细更平稳的制动。本实用新型采用的技术手段如下：

一种大兆瓦风电机机械制动系统，包括：主控系统、设置于风电机高速主轴上的制动盘、机械制动器和与所述机械制动器相连的液压系统，所述主控系统与液压系统中各阀门电动执行机构相连，所述制动盘上设有压力传感器，所述压力传感器用于实时将制动时机械制动器与制动盘之间产生的摩擦力传递给主控系统，所述液压系统包括与主控系统相连的电动调节阀，主控系统基于压力传感器传输的数据控制电动调节阀流量，使得摩擦力保持预设趋势的稳定。

进一步地，系统还包括用于测量高速主轴转速的转速传感器，所述主控系统包括判断模块，其用于根据制动时转速传感器测量的高速主轴的转速判断制动工况，所述制动工况包括紧急制动工况和普通工况，所述紧急制动工况为高速主轴速度高于预设值时的制动工况，所述普通工况为高速主轴速度低于预设值时的制动工况。

进一步地，所述预设趋势为：主控系统的判断模块判断为紧急制动工况时，主控系统控制电动调节阀调整液压油流量，保持压力传感器传递的摩擦力值处于稳定区间；所述判断模块判断为普通工况时，主控系统控制电动调节阀调整液压油流量，保持压力传感器传递的摩擦力值由零逐渐升高直至高速主轴速度变为0。

所述稳定区间为制动器额定力作为阈值上限和低于额定力的一预设压力值作为阈值下限之间的区间。

进一步地，所述液压系统包括油箱和连接在其上的输油管路，所述油箱的出油口与所述电动调节阀之间设有第一单向阀和电磁阀，电动调节阀其中一端与制动器进油端相连，其间设置所述压力传感器，还有一端与制动器出油端相连，其间设有第二单向阀。

进一步地，所述第一单向阀和电磁阀之间设有溢流管路，其上设有溢流阀。

进一步地，输油管路的电磁阀为常开2位4通电磁阀，所述液压系统还包括一端连接在油箱上、另一端连接在制动器上的的油箱回油管路，其间设有常闭2位4通电磁阀。

本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型所述的机械制动系统与传统机械制动系统相比，传统机械制动只提供一种制动压力，产生的制动力矩恒定。而本实用新型的机械制动系统为制动提供理想的制动力矩和转速变化，达到更精细更平稳的制动。

2、本实用新型所述的机械制动系统通过在制动过程中不断调整制动压力，既可以输出尽量高的制动力矩，实现快速制动，也可以输出速度变化率尽量低的制动压力，减小制动过程对整个传动链的刚性冲击。

3、本实用新型设计的机械制动系统所需的压力可以利用原有液压气压制动系统进行改造，成本较低。

基于上述理由本实用新型可在制动技术领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型大兆瓦风电机机械制动系统图。

图2为本实用新型控制系统根据摩擦力变化情况实时控制电动调压阀调整制动压力的控制逻辑图。

图3为本实用新型紧急工况下的制动时，随着时间的推移，转速、摩擦力的变化图。

图4为本实用新型实施例中判断模块具体判断规则流程图。

图中：1为风机轮毂和叶片，2为传动轴，3为齿轮箱，4为机械制动器，5为制动器油路，6为高速主轴，7为制动盘，8为发电机，9为电动调压阀，10a0为常闭2位4通电磁阀；10a1为常开2位4通电磁阀，11为油箱进油管路，12为第一单向阀，13为系统泄压管路，14为泄压阀，15为油箱回油管路，16为液压站，17为压力传感器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实施例公开了一种大兆瓦风电机机械制动系统，包括：主控系统、设置于风电机高速主轴6上的制动盘、机械制动器4和与所述机械制动器4相连的液压系统，液压系统具体为液压泵站16，所述主控系统与液压系统中各阀门电动执行机构相连，所述制动盘上设有压力传感器17，所述压力传感器17用于实时将制动时机械制动器4与制动盘之间产生的摩擦力传递给主控系统，所述液压系统包括与主控系统相连的电动调压阀9，主控系统基于压力传感器17传输的数据控制电动调压阀9流量，使得摩擦力保持预设趋势的稳定。本实施例中，压力测量由压力传感器(型号可选高精GJBLS-I)或力矩传感器测量(型号可选DYJN-101)，摩擦力信号由采集卡(型号可选凌华12位采集卡)收集传给工业控制计算机(型号可选610H P42G DDR 500G)，控制功能由软件实现，判断功能可有软件完成，具体流程如图4所示。

系统还包括用于测量高速主轴6转速的转速传感器，所述主控系统包括判断模块，其用于根据制动时转速传感器测量的高速主轴6的转速判断制动工况，所述制动工况包括紧急制动工况和普通工况，所述紧急制动工况为高速主轴6速度高于预设值时的制动工况，所述普通工况为高速主轴6速度低于预设值时的制动工况。

所述预设趋势为：主控系统的判断模块判断为紧急制动工况时，主控系统控制电动调压阀9调整液压油流量，保持压力传感器17传递的摩擦力值处于稳定区间；所述判断模块判断为普通工况时，主控系统控制电动调压阀9调整液压油流量，保持压力传感器17传递的摩擦力值由零逐渐升高直至高速主轴6速度变为0。所述稳定区间为制动器额定力作为阈值上限和低于额定力的一预设压力值作为阈值下限之间的区间。

所述液压系统包括油箱和连接在其上的输油管路5，所述油箱的出油口与所述电动调压阀9之间设有第一单向阀12和电磁阀，电动调压阀9其中一端通过油箱进油管路11与制动器进油端相连，其间设置所述压力传感器17，还有一端与制动器出油端相连，其间设有第二单向阀。

所述第一单向阀12和电磁阀之间设有系统泄压管路13，其上设有溢流阀14。

输油管路的电磁阀为常开2位4通电磁阀10a1，所述液压系统还包括一端连接在油箱上、另一端连接在制动器上的的油箱回油管路，其间设有常闭2位4通电磁阀10a0。

电磁阀10-a0和10-a1失电时，液压进入机械制动器4，使机械制动器4夹紧制动盘7产生制动摩擦力，制动开始；电磁阀10-a0和10-a1得电时，液压被10-a1截止，机械制动器4的压力释放，不产生夹紧动作，为非制动状态。

具体地，风力发电机组利用风能带动风机轮毂和叶片1转动，并能通过改变风轮上桨叶的旋转角度来控制接受风力的大小，从而控制风轮转速，最后将转速通过传动轴(主轴)2传递给齿轮箱3变速，再经过高速轴6传递给发电机8转化为电能。风力发电机组的紧急制动一般由气动制动系统和机械制动系统共同完成。当风机由运行状态转为停机时，首先气动制动启动，叶片顺桨，依据空气动力学靠叶片转动产生沿风轮周向的阻力迅速将转速降低到预设转速，随后系统控制电磁阀10动作，机械制动启动，依靠液压系统16中定压阀9产生恒定的压力P，并将此压力施加到机械制动器4上，机械制动器4上的摩擦片与风机高速轴6上的制动盘7相互接触，产生沿制动盘周向的摩擦力将主轴转速降为零。如图2所示，当制动开始时，系统识别工况开始制动，压力传感器17实时测量摩擦力，并将数据传给控制系统，随着转速降低，控制系统根据摩擦力变化情况实时控制电动调压阀9调整制动压力。

对于紧急制动工况，既当风电机组正处于发电状态，突然遇到电网掉电等危险状况需要立刻由运转状态紧急制动时，此时主控系统可以判断高速轴处于高转速区间，制动器施加制动压力产生摩擦力，在转速减小的过程中摩擦力将会发生波动，压力传感器17检测摩擦力变化情况，将数据传给主控系统，主控系统实时控制9调压阀增加或减小制动压力，使摩擦力趋于最大值并保持稳定，因此摩擦功率始终保持最大，缩短了制动时间，增加了风电机组的安全性。

对于普通工况，既当风电机组处于待机状态，如果需要锁死主轴进行维修、检查等工作，这种情况不需要主轴立刻抱死。此时高速主轴6处于低转速区间，当制动启动时，控制系统控制调压阀9输出从零逐渐升高的制动压力，控制系统17收到压力传感器17检测的摩擦力，控制摩擦力逐渐增大，使高速主轴6速度逐渐变为0，减小了其所在传动链系统的刚性冲击。

综上可以看出在面对风机复杂的制动工况时，恒定的制动压力不能高效应对，比如转速在较高区间时定值的制动压力可能会产生波动较大的制动力矩，导致制动效能降低；而当转速在较低区间时，此压力又会导致高速轴转速突变，对传动链造成冲击。本申请可以高效应对复杂制动工况，随着主轴转速的降低，系统根据制动器所受摩擦力反力，控制液压系统实时匹配适合的制动压力，持续输出合理的制动压力，既能提高制动功率，减小制动时间，提升制动安全性；又能减小制动冲击，提高制动平稳性，延长了传动链的寿命。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

设计图

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