0. 引言

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

風(fēng)電制動系統(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,同時有效保障操作人員和周圍環(huán)境的安全。目前,廣泛使用的制動系統(tǒng)主要分為空氣制動系統(tǒng)和機(jī)械制動系統(tǒng)兩類,一般會同時采用這兩類制動系統(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,難以滿足緊急迅速停機(jī)的要求,此時機(jī)械制動系統(tǒng)的不可替代性便凸顯出來。機(jī)械制動系統(tǒng)分布在主軸、偏航及變槳系統(tǒng)中,主軸和偏航兩處制動器通常由安裝在高速軸和偏航系統(tǒng)上的圓盤與布置在四周固定有制動片的制動夾鉗構(gòu)成。通常情況下,制動夾鉗不動,制動圓盤隨軸旋轉(zhuǎn),當(dāng)需要停機(jī)時執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過液壓或電動機(jī)構(gòu)使制動片壓緊制動盤,制動片的磨損通常遠(yuǎn)大于制動盤面。

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風(fēng)電機(jī)組制動片研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,重點(diǎn)總結(jié)了制動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)組制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工況

1.1 風(fēng)電機(jī)組制動系統(tǒng)的作用與要求

風(fēng)電機(jī)組制動系統(tǒng)除了在風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時使其停止運(yùn)行,以便維修外,其高速軸制動器可以在風(fēng)速異常增大時有效減緩風(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],因此高速軸制動力矩大、速度高,摩擦材料多為金屬粉末冶金材料,特定場合也可用有機(jī)復(fù)合材料。偏航制動器力矩小、速度低,摩擦材料一般為有機(jī)復(fù)合材料。

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

風(fēng)電制動系統(tǒng)是確保機(jī)組正常運(yùn)行的關(guān)鍵部分,通過對制動摩擦材料的選擇優(yōu)化、材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化和制造工藝的過程優(yōu)化,能夠有效提升制動系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性并延長其服役壽命,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)組制動系統(tǒng)的典型工況

我國風(fēng)電場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)計和選擇風(fēng)電機(jī)組時必須充分考慮到風(fēng)機(jī)將面臨的特定環(huán)境[4]。

我國西北地區(qū)常常受到沙塵暴的侵襲,沙顆粒會磨損和腐蝕風(fēng)機(jī)葉片,對制動系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響,加劇其磨損消耗[5]。為了應(yīng)對這種情況,制動系統(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片/盤摩擦磨損,延長制動系統(tǒng)壽命。海洋環(huán)境具有高鹽、高濕等特點(diǎn),制動系統(tǒng)的設(shè)計應(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)入制動系統(tǒng)的可能性。

在夏季多風(fēng)天氣下長時間服役后,風(fēng)電制動系統(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)致制動不穩(wěn)定。因此,制動系統(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,低溫使得制動材料更加脆硬,摩擦性能和制動效果降低,因此,在設(shè)計風(fēng)機(jī)制動系統(tǒng)時應(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)計和選擇風(fēng)電制動系統(tǒng)需要考慮其服役環(huán)境對風(fēng)機(jī)的特殊要求,通過合適的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計,提高制動系統(tǒng)的耐久性和穩(wěn)定性。

2. 制動片材料種類與制備方法的研究進(jìn)展

目前,國內(nèi)外風(fēng)電制動系統(tǒng)的制動片主要以金屬基摩擦材料為主,同時樹脂基復(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片會對制動盤造成較大損傷,一般用于高速軸制動。樹脂基摩擦材料硬度高、耐磨性好,能有效克服上述缺點(diǎn),在制動過程中更加穩(wěn)定,但易受濕度影響,在濕潤環(huán)境下摩擦因數(shù)大幅下降[8],一般用于偏航制動。

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。在制動器工作過程中,顆粒脫落會導(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。為解決該問題并提高制動器性能,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)體的銅基金屬復(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]對比了質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%石墨增強(qiáng)銅基復(fù)合材料制動片和酚醛樹脂制動片的摩擦學(xué)性能,結(jié)果表明,銅基復(fù)合材料制動片相比酚醛樹脂制動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,在國外已成功應(yīng)用于制動片制造[14–16]。其中,梯度功能鐵和銅基復(fù)合材料制動片因具有較高的導(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,通過銷-盤試驗發(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)時材料沒有發(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%,這是因為硬度較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足制動片使用要求,但會對制動盤造成較大的損傷；金屬件之間的摩擦也會產(chǎn)生極大的噪聲,還易導(dǎo)致制動不穩(wěn)定,從而影響風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率；此外,制動過程中產(chǎn)生的銅顆粒等磨屑還會對環(huán)境和人體造成影響。

2.2 樹脂基摩擦材料

樹脂基摩擦材料由樹脂基聚合物、纖維增強(qiáng)體、無機(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,樹脂基聚合物為黏結(jié)劑,可分為熱固性樹脂（如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂等）和熱塑性樹脂（如聚酰胺樹脂、聚酰亞胺樹脂等）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)氧樹脂制動片,當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時,材料硬度最高,在腐蝕磨損時表現(xiàn)出良好的耐磨性能。TAO等[21]將線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改性酚醛樹脂基復(fù)合材料,在0.5MPa制動壓力和2000r·min−1制動轉(zhuǎn)速下,改性后酚醛樹脂復(fù)合材料的摩擦因數(shù)與未改性時相比顯著上升,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脂基復(fù)合材料的強(qiáng)化和增韌過程中發(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,且呈現(xiàn)波動性下降趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。礦物纖維增強(qiáng)樹脂基復(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)樹脂基復(fù)合材料的摩擦因數(shù)在0.3~0.5間并隨制動負(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,二者復(fù)合增強(qiáng)的樹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。

樹脂基摩擦材料應(yīng)用于風(fēng)電制動器方面,不僅滿足性能方面需求,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,樹脂基制動片具備良好的適應(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)組偏航制動片普遍采用樹脂基摩擦材料[27]。

3. 制動片摩擦磨損性能的研究進(jìn)展

3.1 材料成分和工況對制動片性能的影響

制動片性能對風(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,以確保較好的制動效果；同時還需要保證低磨損率,以減小停機(jī)更換制動片的頻率,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)在使用過程中會受到風(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)電制動系統(tǒng)中,制動片/盤摩擦副表面會產(chǎn)生微小的金屬顆粒或碎屑。黃琳等[5]通過銷-盤試驗,使用變質(zhì)油和第三體顆?；旌蟻砟M油液泄漏后在制動盤表面擴(kuò)散的情況,研究了風(fēng)電制動過程中沙、鐵、銅等第三體顆粒對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)較低而制動力不足,制動時間延長,同時銅對環(huán)境也有危害；沙顆粒會導(dǎo)致摩擦因數(shù)產(chǎn)生較大波動,鐵顆粒會使摩擦副表面產(chǎn)生較大的犁溝,兩者都會加速摩擦副達(dá)到劇烈磨損階段。第三體顆粒對風(fēng)電制動系統(tǒng)存在很多不利影響,應(yīng)采取相應(yīng)措施來降低其影響。SAI等[28]研發(fā)了一種酚醛樹脂基復(fù)合材料制動片,制動時摩擦因數(shù)的波動相比商用制動片更小,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]在制動片和制動鉗之間采用純銅接觸,制動片和制動盤之間采用復(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)樹脂基復(fù)合材料制動片的摩擦磨損性能,發(fā)現(xiàn)其體積磨損率相比商用風(fēng)電機(jī)組制動片最高降低了84%。

3.1.2 外部工況的影響

風(fēng)電制動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[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,制動片的摩擦因數(shù)增大。張長坤等[34]研究發(fā)現(xiàn)：隨著載荷增加,制動片的摩擦因數(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)向會不斷改變,風(fēng)電機(jī)組工作過程中經(jīng)常遇到制動系統(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)境會對風(fēng)機(jī)制動系統(tǒng)性能產(chǎn)生重大影響,并對風(fēng)機(jī)安全性產(chǎn)生潛在威脅,但目前有關(guān)外部工況對制動系統(tǒng)影響的研究較少。在未來的研究中,應(yīng)關(guān)注這類特殊環(huán)境對制動系統(tǒng)的影響。

3.2 制動片摩擦磨損性能有限元仿真

有限元仿真是一種用于評估和預(yù)測材料、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)在實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）,每個單元都由一組方程來描述行為,并與相鄰單元相互連接。通過求解方程,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、優(yōu)化和驗證過程中起著重要的作用。試驗雖然可以獲得制動片在實際工況下的摩擦因數(shù)、磨損率等性能指標(biāo),但對于一些實際難以測試的參數(shù),如內(nèi)部應(yīng)力分布和溫度分布等,則可以通過有限元仿真預(yù)測。

3.2.1 制動溫度

溫度是影響制動片制動效果的一個關(guān)鍵因素。風(fēng)電制動系統(tǒng)在工作過程中,制動片/盤之間摩擦產(chǎn)生的高溫會影響制動片的力學(xué)性能和化學(xué)性質(zhì)等,溫度超過材料可承受范圍還可能導(dǎo)致制動片的制動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制動過程中的溫度場開展了大量研究。尚振國等[36]基于多載荷步和熱流密度的方法對國內(nèi)某1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)用盤式制動器進(jìn)行了有限元分析,研究發(fā)現(xiàn)：制動力矩對溫度影響顯著,當(dāng)制動力矩達(dá)到110%額定制動力矩時,制動片的最高溫度可能超過燒結(jié)金屬的許用溫度,達(dá)到1026℃；而當(dāng)制動力矩為85%額定制動力矩時,制動片最高溫度僅為852℃。SOLOMIN等[37]研究了制動模式對工作溫度的影響,發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組每運(yùn)行15min,制動片釋放約123kJ的熱量；通過對風(fēng)電制動系統(tǒng)幾種模式的仿真,確定了最優(yōu)運(yùn)行方式為風(fēng)機(jī)制動并保持30s,然后每4次制動后進(jìn)一步保持風(fēng)機(jī)制動300s,摩擦材料的溫度將不超過350℃。SIROTKIN等[38]分析了緊急制動的重要性,提出了一款可靠性高且方便集成到現(xiàn)有風(fēng)電系統(tǒng)中的電動機(jī)械裝置,通過熱分析發(fā)現(xiàn),制動600s后制動器最高溫度只有150℃左右,遠(yuǎn)低于金屬基摩擦副的400~600℃,使用壽命長,可維護(hù)性好。制動壓力也是影響制動溫度的重要因素之一。王保安等[39]通過熱力耦合法模擬了偏航制動片在制動工況下的等效應(yīng)力和溫度變化特性,通過直觀分析與方差分析研究了偏航壓力、偏航速度、摩擦因數(shù)對制動片等效應(yīng)力和溫度的影響,結(jié)果表明：偏航壓力對制動片最高溫度影響最大,最高溫度隨偏航壓力的增大而增大；制動片的磨損主要集中在溫度更高的進(jìn)口處,制動過程中制動片/盤之間產(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)實際制動過程中制動盤的溫度場和其結(jié)構(gòu)緊密相關(guān),當(dāng)制動盤材料承受超過其屈服極限的熱應(yīng)力和溫度耦合時,可能會出現(xiàn)熱裂紋而導(dǎo)致制動盤失效；制動片的極限溫度和應(yīng)力往往比制動盤低,因此在制動過程中更容易受到磨損而損壞。ZHANG等[3]采用位移梯度循環(huán)法解決了制動盤因徑向/周向摩擦效應(yīng)差異導(dǎo)致耦合結(jié)果偏差的問題,并對制動過程中摩擦副進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,研究發(fā)現(xiàn),非均勻溫度場產(chǎn)生的熱應(yīng)力對制動盤應(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)致制動盤失效。

目前,常通過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力矩、制動模式、速度、壓力和摩擦因數(shù)等因素對制動過程中的溫度的影響進(jìn)行研究。其中,力矩和壓力對溫度的影響最為顯著,當(dāng)風(fēng)機(jī)承受較大的制動力矩或較高的壓力操作時會產(chǎn)生較高的溫度；改變制動模式可以有效降低溫度,但同樣會導(dǎo)致制動時間的延長；引入制動輔助系統(tǒng)可以降低溫度并提高制動效率,但這會增加風(fēng)機(jī)組件大小并增大成本。因此,在制動系統(tǒng)設(shè)計中,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 制動穩(wěn)定性

為了確保制動系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,制動器需要具備一定的穩(wěn)定性。ZHANG等[41]通過多體動力學(xué)方法建立了包含制動彈簧、主動制動鉗、被動制動鉗和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)在內(nèi)的兆瓦級風(fēng)電盤式制動器整機(jī)機(jī)械裝配多體動力學(xué)模型,研究了兆瓦級風(fēng)電機(jī)組制動器在緊急制動過程中的振動。楊書儀等[42]根據(jù)制動系統(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)建了偏航制動器制動模態(tài)耦合模型,分析了制動壓力、摩擦因數(shù)、偏航速度、彈性模量等因素對制動穩(wěn)定性的影響,不穩(wěn)定復(fù)特征值個數(shù)越多、不穩(wěn)定傾向系數(shù)變化越大代表制動系統(tǒng)越不穩(wěn)定。沙智華等[43]基于風(fēng)電制動器剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型仿真分析了不同初始制動轉(zhuǎn)速、制動力、摩擦因數(shù)下大功率風(fēng)電制動器的振動特性,得出風(fēng)電制動器制動穩(wěn)定性判定方法。LIU等[44]通過建立風(fēng)電盤式制動器剛?cè)狁詈夏Ｐ?模擬風(fēng)電盤式制動器的實際工況,分析了制動補(bǔ)償機(jī)構(gòu)對風(fēng)電制動系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

目前,常通過建立多體動力學(xué)模型、模態(tài)耦合模型、剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型等有限元模型研究轉(zhuǎn)速、制動壓力、摩擦因數(shù)和彈性模量對風(fēng)機(jī)制動穩(wěn)定性的影響。轉(zhuǎn)速是一個無法控制的因素,主要受到風(fēng)速的影響。制動壓力是在安裝過程中預(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)決定了制動片/盤之間的摩擦特性,合適的摩擦因數(shù)可以提高制動穩(wěn)定性。彈性模量則決定了制動系統(tǒng)的剛度和抗撓性,適當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ磕軌蛱峁┣‘?dāng)?shù)闹苿有阅芎晚憫?yīng)速度。在保證制動效果的前提下,綜合考慮摩擦因數(shù)和彈性模量的影響,以提高制動片的穩(wěn)定性。此外,制動片的維護(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)重的制動片可以有效避免因制動片失效而導(dǎo)致的安全事故。

4. 結(jié)束語

風(fēng)電機(jī)組制動片的研究在過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)組制動片的材料成分和工況條件對其摩擦學(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)。通過試驗與有限元仿真結(jié)合,可以對摩擦因數(shù)、磨損率等指標(biāo)測定和制動溫度、穩(wěn)定性等參數(shù)進(jìn)行模擬,綜合評估風(fēng)機(jī)制動效果。未來研究可以集中在以下幾個方面：（1）新型梯度金屬基材料的引入,環(huán)保型樹脂基復(fù)合材料的開發(fā)；（2）制動片在西部高原風(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發(fā)；（4）通過機(jī)器學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)來預(yù)測和優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)、成分等,降低研究人員在時間、成本上的投入,提高新材料的發(fā)現(xiàn)效率。在風(fēng)電機(jī)組制動片領(lǐng)域仍然存在挑戰(zhàn)和機(jī)遇,通過不斷創(chuàng)新和研究,開發(fā)和研制高性能風(fēng)電機(jī)組制動片,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)。

文章來源——材料與測試網(wǎng)