风力发电机制动器研究.doc

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1、5kw风力发电机制动器研究摘 要本文主要对水平轴风力发电机组的主要组成部分一一机械制动系统进行了分析研究。介绍了风力发电机组制动器的组成、分类及其工作原理。本文在对水平轴风力发电机组机械制动系统进行分析和研究的基础上，首先对当前国内外风力发电机组机械制动系统的研究现状和存在的主要问题进行了分析。采用何种制动器进行制动，在最后确定钳盘式制动器的基础上，建立了风电机组制动系统的数学模型，并对制动系统进行受力分析。根据当前计算制动力矩的方法对5kw 风机制动系统的制动力矩进行计算。介绍了驱动机构的分类，最后对制动器的驱动机构液压系统作了介绍。最后根据以上的研究为以后风力发电机组制动系统的研究和改进提

2、供了好的建议。关键词： 风电机组 制动系统 钳盘式制动器 液压机构Abstract This paper mainly study one of chief components in horizontal axis wind turbine - mechanical brake system. Introduced the wind generator group brakes the composition of the, classification and its working principle of. This paper, on horizontal axis wind gen

3、erator set mechanical brake system for analysis and research on the basis of, first of all pairs of current domestic and international wind turbine generator mechanical braking system research status quo and the presence of main problems conducted a analysis of. In what brake caliper disc brakes in

4、finalizing the basis of the establishment of the wind turbine braking system mathematical model, and the braking system stress analysis. According to the current method of calculating braking torque 5kw wind turbine braking system braking torque calculation. Describes the classification of the drive

5、 mechanism, the final drive mechanism of the brake hydraulic system were introducedThe paper provides some very good suggestions to wind turbine research and improvement braking system in the future. KEYWORD: wind turbine brake system simulation caliper disc brakes hydraulic mechanism目录摘 要II第一章 绪论11

6、.1前言11.1.1 制动系统的简介11.1.2 制动系统存在的问题21.2风力发电机制动系统研究现状及技术难题31.2.1国内外研究现状31.2.2 技术难题41.2.3 制动系统的技术要求41.3 本文主要研究内容6第二章 风力发电机制动系统72.1 风力发电机主要结构的介绍72.2 制动系统的组成82.2.1 空气制动机构92.2.2 机械制动机构112.2.3 风力发电机组的制动形式112.3 制动器介绍122.3.1 主轴制动器122.3.2 偏航制动器122.4 本课题的研究方向13第三章 主轴制动系统的研究143.1 制动器的结构形式选择143.1.1 鼓式制动器的结构形式153

7、.1.2 盘式制动器的结构形式163.1.3 制动器结构的最终选择223.2 盘式制动器的结构223.2.1 制动器主要部件的结构233.2.2 制动器的工作原理及安装位置273.3 制动器静载荷接触分析273.3.1 制动任务273.3.2 制动力矩的推导及计算283.3.3 建立理论数学模型283.3.4 计算最大制动力矩和卡钳夹紧力333.4 制动器驱动机构的结构形式介绍363.4.1 制动源的分类363.4.2制动器的液压控制373.5 制动系统的实验验证方法41第四章 结论与展望48参考文献49致谢50附录 A 毕业设计任务书51附录 B 外文翻译53附录 C 制动器装配图及三维建模

8、62第一章 绪论1.1前言 风力发电机组的工作原理是利用风轮从风中吸收能量，然后再转变成电能。水平轴风力发电机是目前国内外广泛采用的一种结构型式。主要的优点是风轮可以架设到离地面较高的地方，从而减少了由于地面扰动对风轮动态特性的影响。它的主要机械部件都在机舱中，如主轴、齿轮箱、发电机、液压系统及偏航装置等。水平轴风力发电机具有以下优点: (1)风轮架设离地面较高，发电量增加。 (2)叶片角度可以调节从而可调节功率。 (3)可以以空气动力最佳设计风轮叶片的叶型，可达最高的风能利用效率。 (4）启动风速低，可自启动。1.1.1 制动系统的简介本文主要研究的是水平轴风力发电机的主轴制动系统。一般制动

9、系统由空气制动机构和机械制动机构两部分组成，它们都受液压系统控制。这种制动系统安全性较高，动作灵活简单。制动系统的主要功能是在风速过大、外界环境玫变或是风电机组出现故障时对风电机组实施停机制动。对于不同的制动工况停机方案不同。风力发电机的制动工况主要有三种:正常停机、安全停机和紧急停机。(1)正常停机是指风电机组的外界环境改变或检修时的正常停机。制动过程分两步完成，首先空气制动机构启动，叶轮转速降低。当转速下降至一定值时(对于大中型风电机组一般为 1 5r/min)，投入机械制动机构，这时空气制动机构仍保持制动状态，直到风电机组完全停机。(2)安全停机和紧急停机一般是指风速大于额定风速或是风电

10、机组出现故障，为保证发电质量和风电机组机组的安全进行停机。制动过程中空气制动机构和机械制动机构同时投入，以最短的时间使风电机组停机。制动系统是风力发电机组的重要组成部分。风电场中的风力发电机组一般是分散分布的，要求在控制上达到无人值守及远程监控。当风电机组出现故障或风速大于额定风速时，需要由控制系统下达停机指令。为了风力发电机组的安全保护，并满足机组开停机工作的需要，逻辑上制动系统的重要性应该高于其它系统。目前制动系统还存在许多问题，下面对这些问题进行具体介绍。1.1.2 制动系统存在的问题目前我国各风电场中安装的风力发电机组的类型较多，机组单机容量从 55kW到 1300kW 不等。各厂家采

11、用部件也不尽相同，无论是机械还是电控方面的部件都相差很大。几乎所有部件都有发生故障的可能性，丹麦、德国、美国等国家都对故障做了详细的统计。通过对故障的统计，可以帮助人们了解哪些部件出现故障的几率高，以便采取必要的措施，分析故障发生的确切原因，然后加以改进以避免故障的重复发生。 根据实际风场对机组常规巡检和故障处理的工作调查以及年度例行维护和非常规维护的报告。风电机组部件出现的故障主要分为三类，通信远传类故障、电控类故障和机械类故障。通信远传类故障指的是从机组控制系统到主控室之间的通信数据传输和主控制室中远方监视系统所出现的故障。电控类故障主要指传感器、继电器、断路器、电源、控制回路等的故障。机

12、械类故障指的是机械传动系统、发电机、叶片等出现的故障，如机组振动、液压、偏航、主轴、制动故障等。制动系统的故障在机械类故障中占有较大比例，主要有：(1) 叶尖制动液压系统故障。主要指叶尖扰流器不能回位或甩出。(2) 机械制动失灵。主要指机械制动未动作，在停机过程中发电机转速未减速仍保持一定值。(3) 制动衬垫磨损。主要指长时间的频繁的制动使制动衬垫磨损过薄。(4) 停机时间过长。在制动系统动作一定时间后转速仍保持在较大值。 (5) 振动。部件如叶片不平衡、发电机损坏或螺栓松动导致机组连同制动系 统振动停机。(6) 制动盘和制动衬垫|同隙过大或过小。问隙不能超过厂家规定数值。 (7) 制动盘松动

13、。制动盘有磨损和裂缝。 除了制动系统本身的故障外，制动系统的制动过程也会对风电机组的其他部件造成危害。当风电机组处于变载荷状况时，投入高速轴机械制动，还不利于传动零部件，尤其是齿轮箱。机械制动的制动载荷，对齿轮箱有较大的冲击惯量，齿轮箱在冲击载荷作用下，承受较大的扭矩，齿与齿之间来回啃合，导致齿轮箱过热，造成齿面的疲劳点蚀和齿牙的弯曲变形，影响齿轮箱的使用寿命。针对制制动系统的主要故障和制动对其他传动零部件的危害，本文主要对水平轴风力发电机制动系统进行研究，提出了一些改进方法，为以后风力发电机组的研究提供好的建议。 为保证风力发电机组的可靠运行，提高设备的利用率，在日常的运行维护工作中需要登机

14、巡检。力争及时发现故障隐患，防范于未然，有效地提高设备运行的可靠性。有条件时应当考虑借助专业故障检测设备，加强对机组运行状态的监测和分析，进一步提高设备管理水平。尤其是叶片、齿轮箱、发电机等几个大型部件，应从被动失效分析判断， 变成主动失效分析，也就是应定期对各部件及整个机组的状态进行预期失效分析，比如对齿轮箱咕合情况的测试、检查各轴承部位的运转状态、润滑油脂的好坏等。对机组进行预期失效分析，可提早和及时发现潜在的隐患，适时安排和指导检修，减少停机损失。1.2风力发电机制动系统研究现状及技术难题1.2.1国内外研究现状现在国内外风力发电机组制动系统有很多不同的结构组成和不同的制动方案。TACK

15、E 600kW 风机无空气制动闸，风机制动依靠高、低速闸机械制动。风机在制动过程中，首先投入低速闸，当叶轮转速降至一定值时，再投入高速制动机构，这时低速闸仍然位于制动状态，直到风机完全停止。高、低速闸产生的力矩由液压提供，较为安全可靠。 BONUS 600kW 风机有空气制动闸，机械制动为高速轴制动系统。制动力矩由卡钳内的高强度弹簧来提供，在液压油压力作用下松闸。ANBONUS 450kW 风机在高速轴和低速轴上分别安装了机械制动装置。制动是顺序为先投入空气制动闸将叶轮转速降低，再打开低速轴闸，最后，高速闸投入。各闹体的时限由延时继电器控制。这套制动系统从受力分析及经济方面，是比较优秀的制动系

16、统。德国TW 600kW型风机为保证风机在正常停机时和安全链被触发时风机均能安全制动，设置了两套独立的制动装置。在任何故障状态下，只要有一套制动系统存在，便能保证风机可靠制动。一套是安装在低速轴上制动闸，为常用制动机构，安装有四个液压卡钳，此套常用制动完全失灵的可能性己很小，提高了系统的安全性。另一套是为高速轴制动闸，为紧急制动，液压控制，失压制动，此套制动动作可靠性高。在正常制动时，启动第一套常用制动系统，使机组制动。当安全链触发时，同时启动两套制动机构，使机组可靠制动。如果某一制动系统出现故障时，两套制动机构的制动压力设定均可保证风机制动。 进入 20 世纪，我国风机制造和研究进入了快速发

17、展阶段。通过引进国外技术和自主研发，东方电气、华锐、金风等一批大型国企的MW级风机己经开始批量生产和运行。对于风机制动系统的研究在学术领域也是一片热火朝天的景象。西安电子科技大学机电工程学院李守好等人提出了把 ABS 自动防抱死系统应用于风机制动系统，对制动系统进行智能控制。山东省能源研究所针对制动系统的结构设计方面的主要间题进行了设计原理和主要工作参数的研究。清华大学热能工程系的肖劲松，倪维斗等人通过建立制动系统的数学模型并进行仿真，预测当甩掉电负荷以后机组转速随时间的晌应情况。北京航空航天大学刘丽进行了利用微机测控系统分析风机叶片制动可靠性。新疆余风科技股份有限公司王相明以能量守衡的角度分

18、析了风力发屯机组制动过程中传动系统的受力情况，得出计算分析变形能的方程，并提出了降低变形和应力集中的一些措施闷。新疆达摄城风电场通过对安装的国产XWEC JACOBS 43/600kW 型风机工作情况的调查，在制动油路中串联了阻尼油管，以使制动达到柔性接触，避免产生较大的冲击力。1.2.2 技术难题这项工作的特色是针对风机制动系统出现的故障以及制动过程中制动系统存在的问题，对机械制动进行详细研究，分析制动力矩和温度两个因素对制动系统性能的影响。计算最大制动力矩。对制动系统进行载荷接触模拟以及制动系统在制动开始阶段和最大温度情况下进行模拟，并分析模拟结果。使作用在传动部件上零部件行程冲量缓解，实

19、现风机平稳停机。1.2.3 制动系统的技术要求根据国家标准风力发电机组的安全性要求，风力发电机组的保护系统应有一个或多个能使风轮由任意工作状态转入停止或空转状态的装置（机械的、电动的或气动的）。它们之中至少应有一个必须作用在低速轴上或风轮上。必须提供使风轮在小于参考（安全）风速的任意风速下，由危险的空转状态转为完全静止的方法。（一）、总体设计要求1、风力发电机组的制动系统设计时应考虑载荷情况与制动引起的制动力矩的组合。制动系统的额定静态制动力矩应大于风力发电机组的所需最小静态制动力矩，所需最小静态制动力矩的确定应以极限工况为准。制动系统的额定动态制动力矩应大于风力发电机组的所需最小动态制动力矩

20、，并小于风力发电机组的最大许用制动力矩。制动过程中由于制动而产生的制动力矩应不会导致部件（尤其是风轮叶片、风轮轴、风轮叶片连接件、轮毂）产生过大的应力。紧急制动应保证制动系统及其主要部件不产生不可修复的破坏。2、制动系统的制动力矩在正常工作方式下应采用，也可以采用半刚性或阶梯形加载方式。不同制动方式制动力矩曲线如图1-1。柔性加载方式是在制动系统的制动力矩增加过程中，没有制动力矩增长加速度突变的加载方式。半刚性载方式是在制动系统的制动力矩增加过程中，没有制动力矩增长速度突变的加载方式。阶梯形加载方式是在制动系统的制动力矩增加过程中，存在制动力矩突变的加载方式。 柔性加载方式 半刚性加载方式 阶

21、梯形加载方式图1-1 不同制动方式制动力矩曲线3、如果机械制动装置的刹车材料过度磨损，则应提供磨损指示器对衬料磨损程度进行监测以保证风机能正常关机。若机械制动装置采用弹簧操作，则应设有能自动调节弹簧最小弹性力的设备。在制动系统有多个摩擦副的情况下，同一级制动装置各个摩擦副之间的最大静态制动力矩的差值不应大于10；同一级制动装置各个摩擦副之间的最大动态制动力矩的差值不应大于5。4、就制动系统的压力而言，即使没有动力供给，机械制动装置也能刹住风轮五天以上。刹车材料应便于维护和更换。5、安全系统被触发后，不经许可，风力发电机组不应自动重新起动。6、偏航系统制动装置应按控制系统要求进行设计。7、锁定装

22、置必须设计成正操纵，并且保证传动装置和偏航系统具有良好的可达性和维护性。我们日常生活中的插销就是一种锁定装置，正操纵为进入锁定，可达性即容易实现。8、制动表面应用盖子、防护板或类似物进行保护，以使其免受润滑油污垢等不利的影响。（二）、制动系统的工作条件1、采用电气驱动的制动系统，工作电源应与风力发电机组的电源系统相匹配。2、采用液压驱动的制动系统，工作压力应与风力发电机组的液压系统相匹配。3、对制动系统零部件的要求：适用温度条件应与风力发电机组的使用温度条件一致；表面处理和防护性能应适应风力发电机组的工作环境条件；尺寸应与风力发电机组相应部分的设计尺寸相匹配；安装方式应符合风力发电机组的设计要

23、求。1.3 本文主要研究内容 针对当前风力发电机组机械制动系统存在的实际问题的基础上，对制动系统进行分析和研究。本文主要研究内容如下:(1)对当前国内外风力发电机组机械制动系统的研究现状和存在的主要问题进行了分析。介绍了制动系统的结构组成，工作原理以及机械制动的主要参数。(2) 选择制动工况。在选定的制动工况下，对建立的制动系统理论数学模型进行受力分析。根据制动过程中制动力矩的变化，利用当前计算制动力矩的方法进行制动力矩最大值的计算。 (3) 对主轴制动器的选型提出了意见，介绍了主轴制动器的结构与选型，并对偏航制动器做了说明。（4）针制动器的液压控制，提出机械制动装置的液压方案，便于以后风力发

24、电机组制动系统的研究提供了好的建议。第二章 风力发电机制动系统2.1 风力发电机主要结构的介绍风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。该机组通过风力推动叶轮旋转，再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电，有效的将风能转化成电能。风力发电机组结构示意图如2-1所示。1、叶片 2、变浆轴承 3、主轴 4、机舱吊 5、齿轮箱 6、高速轴制动器 7、发电机 8、轴流风机 9、机座 10、滑环 11、偏航轴承 12、偏航驱动 13、轮毂系统图2-1 发电机结构示意图各主要组成部分功能简述如下（1）叶片 叶片是吸收风能的单

25、元，用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。叶轮的转动是风作用在叶片上产生的升力导致。由叶片、轮毂、变桨系统组成。每个叶片有一套独立的变桨机构，主动对叶片进行调节。叶片配备雷电保护系统。风机维护时，叶轮可通过锁定销进行锁定。（2）变浆系统 变浆系统通过改变叶片的桨距角，使叶片在不同风速时处于最佳的吸收风能的状态，当风速超过切出风速时，使叶片顺桨刹车。（3）齿轮箱 齿轮箱是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，并使其得到相应的转速。（4）发电机 发电机是将叶轮转动的机械动能转换为电能的部件。（5）偏航系统 偏航系统采用主动对风齿轮驱动形式，与控制系统相配合，使叶轮始终处于迎风状态，充分利用

26、风能，提高发电效率。同时提供必要的锁紧力矩，以保障机组安全运行。（6）轮毂系统 轮毂的作用是将叶片固定在一起，并且承受叶片上传递的各种载荷，然后传递到发电机转动轴上。轮毂结构是3个放射形喇叭口拟合在一起的。（7）底座总成 底座总成主要有底座、下平台总成、内平台总成、机舱梯子等组成。通过偏航轴承与塔架相连，并通过偏航系统带动机舱总成、发电机总成、变浆系统总成。本论文主要研究的是风力发电机制动系统的主轴制动器。2.2 制动系统的组成制动系统是风力发电机极为重要的组成部件。在风速过大或维修期间，制动系统负责使风机风轮处于制动状态，从而维护风机机组的安全。风机制动系统是由空气制动机构和机械制动机构组成

27、。这两者在风机机组中的安装位置由图 2-2 所示。定桨距风力发电机组的空气制动是通过叶尖的扰流器来实现的，而变桨距风力发电机组是通过改变桨距角的大小来实现的。对于机械制动，制动闸通常设置在高速轴或低速轴上，由上、下两套闸体构成。低速轴闸安装在齿轮箱前面的主轴上；而高速轴闸安装在齿轮箱后面，发电机前面的传动轴上。大、中型风力发电机组的机械制动机构一般为高速轴制动。图 2-2 所示的机械制动为高速轴制动机构。无论空气制动机构还是机械制动机构，制动力矩都是由液压马达的来提供的。1.空气制动动机构 2.齿轮箱 3.机械制动机构 4. 发电机图2-2 制动系统组成及安装位置图2.2.1 空气制动机构空气

28、制动机构在风机机组的停机制动中起着重要的作用。正常停机情况下，空气制动先于机械制动启动。下文中介绍空气制动机构的工作原理。现在生产和使用的风力发电机机组般分为定桨距风力发电机组和变桨距风力发电机组。定桨距风力发电机组的空气制动是通过叶尖的扰流器来实现的。通过不锈钢丝绳将位于叶尖的扰流器与位于叶片根部的液压油缸的活塞杆相联接构成空气制动机构。在风力发电机组正常运行状态下，液压油缸的液压力使叶尖扰流器与叶片主体部分精密地合为一体，组成完整的叶片，如图 2-3-a 所示。而在风力发电机组需要脱网停机时，叶尖扰流器会失去液压油缸的压力，在离心力的作用下释放并旋转80至 90 ，形成阻尼板，如图2-3-

29、b 所示。将整个叶片视为一个以叶片根部为支点的长杠杆，叶尖部分是距离支点最远的点，这使得叶尖扰流器产生的气动阻力相当高，足以使风电机组迅速减速，且几乎没有任何磨损，这一过程即为叶尖扰流器的空气制动。 图2-3 扰流控制器为了保证制动系统具有较高的可靠性，一般定桨距风力发电机组的空气制动机构采用失效保护装置。在叶轮旋转时，由于弹簧力和离心力的作用，叶尖扰流器会力图转动到制动位置，而脱离叶片主体。因此，不论是由于液压系统的故障，还是由于控制系统的正常指令引起的液压力的释放，都将导致叶尖扰流器的展开而进行空气制动。图 2-4 叶片变桨距机构变桨矩风机机组的空气制动是通过改变风力发电机叶片的角度来控制

30、输出功率，如图 2-4 所示。当叶片转速大于额定转速时，通过控制系统出连接在每个叶片上控制锤的离心力的作用使叶片的桨距角加大，从而避开风力，起到空气阻力的作用，以控制输出功率。如图 2-4-a 所示。在正常运行时，叶片在弹簧力的作用下，使叶片的桨距角减小，叶片起到空气动力的作用，如图 2-4-b 所示。一般变桨距风力发电机组的空气制动机构也采用失效保护装置。2.2.2 机械制动机构因为空气动力制动不能使风机停车，所以每台风力发电机必须配备机械制动系统。机械制动器在风力发电机上普遍采用钳盘式制动器，有关内容我们将在下一节中详细介绍。机械刹车机构由安装在低速轴或高速轴上的刹车圆盘与布置在四周的液压

31、夹钳构成。液压夹钳固定，刹车圆盘随轴一起转动。刹车夹钳有一个预压的弹簧制动力，液压力通过油缸中的活塞将制动夹钳打开。机械刹车的预压弹簧制动力，一般要求在额定负载下脱网时能够保证风力发电机组安全停机。但在正常停机的情况下，液压力并不是完全释放，即在制动过程中只作用了一部分弹簧力。为此，在液压系统中设置了一个特殊的减压阀和蓄能器，以保证在制动过程中不完全提供弹簧的制动力。为了监视机械刹车机构的内部状态，刹车夹钳内部装有温度传感器和指示刹车片厚度的传感器。2.2.3 风力发电机组的制动形式（一）、对于定浆距风力发电机组，制动系统可以采用；传动系统中的低速轴机械制动联合高速轴机械制动；或叶尖制动联合传

32、动系统中的低速轴机械制动。实践证明叶尖制动联合传动系统中的高速轴机械制动形式比较好。（二）、对于变浆距风力发电机组，制动系统采用顺浆制动联合传动系统中的高速轴机械制动；顺浆制动联合传动系统中的低速轴机械制动。实践证明顺浆制动联合传动系统中的高速轴机械制动形式最好，优先推荐采用。制动系统的示意图如2-5所示。1-轮毂 2-低速轴 3-刹车块 4-低速轴刹车盘 5-变速箱 6-高速轴 7-高速轴刹车盘 8-刹车块 9-发电机组 10-偏航机架 11-安装桨叶出图2-5制动系统示意图（三）、风力发电机组制动系统的组成形式，应符合下列组成原则：1、按正常工作方式下的投入顺序分为一级制动、二级制动等；对

33、应以上要求，制动系统至少应设计有一级制动装置和二级制动装置。空气动力制动（叶尖制动或顺浆制动）联合机械制动的制动系统，空气动力制动装置应作为风力发电机组的一级制动装置，机械制动装置作为二级制动装置。低速轴机械制动联合高速轴机械制动的制动系统，低速轴机械制动装置应作为一级制动装置，高速轴机械制动装置作为二级制动装置。2、各级制动装置既可独立工作，又要在切入时间或切入速度上协调动作；3、至少应有其中的某一级为具有失效保护功能的机械制动装置；4、属于同一级的应既可独立工作，又要在切入时间或切入速度上协调动作；5、除制动装置外，在适当位置应设有风轮的锁定装置。2.3 制动器介绍2.3.1 主轴制动器风

34、力发电机组的主轴分为高速轴与低速轴，在风力发电机组需要制动时起着关键的作用。高速轴制动器风力发电机的高速轴为齿轮箱的输出轴，此处转动力矩较低速轴小几十倍，高速轴制动器的体积比较小。制动盘自己安装在高速轴上，制动钳安装在齿轮箱体的安装面上，用高强度螺栓固定。低速轴制动器大型风机一般采用变浆距系统，不必在低速轴上使用制动器。定浆距风机则必须在低速轴上使用制动器。由于风力发电机的低速轴转矩非常大，所以制动盘的直径比较大，有安装在主轴上的，也有将制动盘制成与联轴器一体的；制动钳一般至少使用两个，直接安装在风机底盘的支架上。2.3.2 偏航制动器偏航制动器制动盘是以塔架上的法兰盘作为制动盘，由于风力发电

35、机的机舱和风轮总共有几十吨，所以转动起来转动惯量很大。为保证可靠制动一台风力发电机上至少需要八个偏航制动钳，除制动功能外还要有阻尼功能以使偏航稳定。制动钳安装在底盘的安装支架上，用高强度螺栓固定。采用齿轮驱动的偏航系统时，为避免振荡的风向变化，引起偏航轮齿产生交变负荷，应采用偏航制动器（或称偏航阻尼器）来吸收微小自由偏转振荡，防止偏航齿轮的交变应力引起轮齿过早损伤。偏航制动器的结构简图如2-6所示。1-弹簧 2-制动钳体 3-活塞 4-活塞杆 5-制动盘 6-制动衬块 7-接头 8-螺栓图 2-6 偏航制动器结构简图2.4 本课题的研究方向风力发电机组是一种重型装备,工作在极其恶劣的条件下，因

36、此对它安全性有着极高的要求。除风力变化的不可预测性外，机件常年重载工作随时有损坏的可能性，在这些情况下风力发电机必须紧急停车，避免对风力发电机造成损害或故障扩大。在进行正常维修时，也要求能进行停机检修。风力发电机必须设计有制动系统，以实现对风力发电机进行保护。主轴制动器在风力发电制动的过程中起着关键的作用，对风轮以及电机都起着保护作用，因此本文研究的是主轴制动器。第三章 主轴制动系统的研究3.1 制动器的结构形式选择 机械制动在工作中是一种减慢旋转负载的制动装置。通常使用的机械制动器的分类如下。根据作用方式可以将机械制动分为气功、液压、电液、电磁和手动等形式。按工作状态制动器又可分为常闭式和常

37、开式。常开式制动器只有在施加外力时 才能改变其松闸状态，使其紧闸。与此相反，常闭式制动器靠弹簧力的作用经常处于紧闸状态，运行时，需要再施加外力使制动器松闸。为保证安全制动，风机机组一般选常闭式制动器。摩擦式制动器按其摩擦副的几何形状可分为鼓式、盘式和带式，以鼓式、盘式制动器应用最广泛。鼓式、盘式制动器的分类如下所示。从蹄无支承领从蹄式从蹄有支承单向双领蹄式液压气动双领蹄式双向双领蹄式单向增力式双从蹄式增力式鼓 式 双向增力式 圆弧线凸轮凸轮渐开线凸轮气压驱动阿基米德凸轮制动器曲柄单 楔楔双 楔固定钳滑动钳盘式液压气动盘 式摆动浮动钳全盘式气压驱动3.1.1 鼓式制动器的结构形式鼓式制动器是最早

38、形式的汽车制动器，当盘式制动器还没有出现前，它已经广泛用干各类汽车上与风力发电组的主轴上制动。鼓式制动器又分为内张型鼓式制动器和外束型鼓式制动器两种结构型式。内张型鼓式制动器的摩擦元件是一对带有圆弧形摩擦蹄片的制动蹄，后者则安装在制动底板上，而制动底板则紧固在前桥的前梁或后桥桥壳半袖套管的凸缘上，其旋转的摩擦元件为制动鼓。车轮制动器的制动鼓均固定在轮鼓上。制动时，利用制动鼓的圆柱内表面与制动蹄摩擦路片的外表面作为一对摩擦表面在制动鼓上产生摩擦力矩，故又称为蹄式制动器。外束型鼓式制动器的固定摩擦元件是带有摩擦片且刚度较小的制动带，其旋转摩擦元件为制动鼓，并利用制动鼓的外因柱表面与制动带摩擦片的内

39、圆弧面作为一对摩擦表面，产生摩擦力矩作用于制动鼓，故又称为带式制动器。鼓式制动器按蹄的类型分为如下图3-1所示：图3-1 鼓式制动器简图（a）领从蹄式（用凸轮张开）；（b）领从蹄式（用制动轮缸张开）；（c）双领蹄式（非双向，平衡式）；（d）双向双领蹄式；（e）单向增力式；（f）双向增力式（1）领从蹄式制动器如图上图（a）(b)所示，若图上方的旋向箭头代表前进时制动鼓的旋转方向(制动鼓正向旋转)，则蹄1为领蹄，蹄2为从蹄。汽车倒车时制动鼓的旋转方向变为反向旋转，则相应地使领蹄与从蹄也就相互对调了。这种当制动鼓正、反方向旋转时总具有一个领蹄和一个从蹄的内张型鼓式制动器称为领从蹄式制动器。领蹄所受的

40、摩擦力使蹄压得更紧，即摩擦力矩具有“增势”作用，故又称为增势蹄；而从蹄所受的摩擦力使蹄有离开制动鼓的趋势，即摩擦力矩具有“减势”作用，故又称为减势蹄。“增势”作用使领蹄所受的法向反力增大，而“减势”作用使从蹄所受的法向反力减小。 （2）双领蹄式制动器若在前进时两制动蹄均为领蹄的制动器，则称为双领蹄式制动器。显然，当汽车倒车时这种制动器的两制动蹄又都变为从蹄故它又可称为单向双领蹄式制动器。如图(c)所示，两制动蹄各用一个单活塞制动轮缸推动，两套制动蹄、制动轮缸等机件在制动底板上是以制动底板中心作对称布置的，因此，两蹄对制动鼓作用的合力恰好相互平衡，故属于平衡式制动器。（3）双向双领蹄式制动器如图

41、（d）当制动鼓正向和反向旋转时，两制动助均为领蹄的制动器则称为双向双领蹄式制动器。它也属于平衡式制动器。由于双向双领蹄式制动器在汽车前进及倒车时的制动性能不变。（4）单向增力式制动器如图（e）单向增力式制动器如图所示两蹄下端以顶杆相连接，第二制动蹄支承在其上端制动底板上的支承销上。由于制动时两蹄的法向反力不能相互平衡，因此它居于一种非平衡式制动器。单向增力式制动器在汽车前进制动时的制动效能很高，且高于前述的各种制动器。如图（f）将单向增力式制动器的单活塞式制动轮缸换用双活塞式制动轮缸，其上端的支承销也作为两蹄共用的，则成为双向增力式制动器。对双向增力式制动器来说，不论汽车前进制动或倒退制动，该

42、制动器均为增力式制动器。3.1.2 盘式制动器的结构形式钳盘式制动器又称为碟式制动器，是因为其形状而得名。它由液压控制，主要零部件有制动盘、油缸、制动钳、油管等。制动盘用合金钢制造并固定在轮轴上，随轮轴转动。油缸固定在制动器的底板上固定不动。制动钳上的两个摩擦片分别装在制动盘的两侧。油缸的活塞受油管输送来的液压作用，推动摩擦片压向制动盘发生摩擦制动，动作起来就像用钳子钳住旋转中的盘子，迫使它停下来一样。钳盘式制动器摩擦副中的旋转元件是以端面工作的金属圆盘，称为制动盘。工作面积不大的摩擦块与其金属背板组成的制动块，每个制动器中有24个。这些制动块及其驱动装置都装在横跨制动盘两侧的夹钳形支架中，总

43、称为制动钳。这种由制动盘和制动钳组成的制动器称为钳盘式制动器。 钳盘式制动器的释放是制动器的制动覆面脱离制动轮表面，解除制动力矩的过程。在常闭型钳盘式制动器的加载是靠弹簧力，用调整弹簧压力调整制动力的大小。驱动油缸的工作行程，是在制动器释放过程中柱塞移动的距离。根据结构形式不同，常用的盘式制动器有全盘式、锥盘式及钳盘式三种。其中，钳盘式在风机机组中最为普遍。（1）钳盘式制动器的结构组成钳盘式制动器是由安装在高速轴或低速轴上的制动盘与布置在四周的制动卡钳所组成。如图 3-2 所示。制动盘随轴一起转动，而制动夹钳固定。有一个预压的弹簧制动力作用在制动夹钳上，通过油缸提供的液压力推动活塞将制动夹钳打

44、开。图3-2 钳盘式制动器全图一般而言，要求机械制动的预压弹簧制动力在额定负载下脱网时能够保证风力发电机组的安全停机。但在实际停机的制动过程中，液压力并不是完全释放，弹簧力也只作用了一部分。为了保证在制动过程中液压力并不是完全释放，在液压系统中设置了一个特殊的减压阀和蓄能器。为了监视机械制动机构的内部工作状态，制动夹钳内部装有指示制动衬垫厚度的传感器和温度传感器。钳盘式制动缸-般是成对布置，为的是避免使制动轴受到弯矩和径向力。在制动转矩较大情况下，可采用多对制动缸。大、中型风机机组一般有4 对制动卡钳，也有的为6 对，如图3-3所示。图中A，B 为液压油的通入口。为了防止液压油高温变质，还应采

45、取隔热措施以降低摩擦副温升，必要时可在制动盘中间开通风沟，其结构如图3-4所示。图3-3 多对制动缸组合装示意图 图3-4 带有通风沟的制动器（2）钳盘式制动器的分类按制动钳的结构形式区分，钳盘式制动器的结构形式有以下几种：图3-5 钳盘式制动器示意图( 1 )固定钳工飞，如图(3-5-a) 所示。制动盘两侧均有油缸。制动时制动钳在两侧油缸中的活塞驱动下作相向移动。(2) 浮动钳式，分为滑动钳式和摆动钳式两种。图 (3-5-b) 和 (3-5-c) 分别为滑动钳式制动器和摆动钳式制动器。滑动钳式，如图 3-5-b 所示。只在制动盘的一侧置有油缸，制动钳可以相对于制动盘作轴向滑动。其中一侧的制动

46、块固定在钳体上。在制动时，另一侧的活动制动块在液压力作用下靠压向制动盘，而制动钳体连同固定其上的制动块在反作用力下压向制动盘的另一侧，直到两侧的制动块受力均等为止。 摆动钳式，如图 3-5-c 所示。也只在制动盘的一侧置有油缸，制动钳体与固定支座饺接。制动过程中，钳体在与制动盘垂直的平面内摆动而不是滑动。为了使制动块能够全面均匀的磨损，设计时将制动衬垫预先做成棋形，一般将磨擦面做成和背面的倾斜角为 6 度左右。制动衬块在制动过程中渐渐磨损，在磨损过薄时， (一般为1mm左右)更换制动衬垫。钳盘式制动器的基本工作原理是制动衬垫压制动盘，靠摩擦力矩制动。风力发电机组中普遍使用的有常开固定钳盘式制动

47、器和常闭固定钳盘式制动器。常开固定钳盘式制动器的工作原理:风机运行时，制动衬垫的底板4 通过平衡杠杆组5 和销轴 6、1 固定在机架2 上， 制动器在弹簧8 的作用下常开。制动时，将液压油通入制动器的油缸 7，制动衬垫在活塞的推力下克服弹簧压力而紧闸。制动衬垫通过平等杆组5 与制动盘3 保持平行。如图3-6所示。1、6-销轴 2-机架 3-制动盘 4-制动衬垫的底板 5-平等杠杆组 7-制动器的油缸 8-弹簧图3-6 常开固定钳式制动器常闭固定钳式制动器的工作原理:在制动盘1 的两侧对称布置两个相同的制动缸，制动缸固定在基架上。蝶形弹簧6 有预压的弹簧力，活塞8 在蝶形弹簧6 的压缩弹力下推动顶杆7 使制动衬垫2 压制动盘1 而紧闸。风机运行时，对制动缸3