兆瓦级风力发电机高速轴制动器设计分解.docx
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兆瓦级风力发电机高速轴制动器设计分解
本科生毕业设计(论文)
3兆瓦级风机组用高速轴制动器的设计
系另IJ机械交通学院
班级机制102
姓名黄维
学号103731212
答辩时间2014年5月
新疆农业大学机械交通学院
1制动系统的技术要求3
2总体设计要求3
2.1制动系统的工作条件4
2.2本设计主要研究内容4
3本课题的研究方向5
4高速轴制动器的选择与设计5
4.1结构形式选择与确定5
4.2制动器结构的选择5
4.3本次设计相关数据6
4.4制动器主要部件的结构6
4.4.1制动盘的结构6
4.4.2制动钳的结构7
4.4.3摩擦材料8
4.4.4制动器间隙的调整方法8
4.5制动器的工作原理及安装位置9
5制动器静载荷接触分析10
5.1制动任务10
5.2制动力矩计算10
5.2.1建立理论数学模型10
5.3计算制动盘尺寸15
5.4计算最大制动力矩和卡钳夹紧力16
5.4.1计算制动转矩17
5.4.2计算卡钳夹紧力18
6其它零件选用及相关设计18
6.1主动钳内径计算18
6.2阶梯活塞设计19
6.3其它零件的设计19
7制动器驱动机构的结构形式介绍19
7.1制动源的分类19
7.2制动器的液压控制21
7.2.1动力元件21
7.2.2控制元件21
7.2.3执行元件22
7.2.4辅助元件22
7.2.5液压油22
8结论23
致谢24
参考文献25
3兆瓦级风机组用高速轴制动器的设计
黄维指导教师:
岳勇
摘要:
风电制动器是风力发电机制动系统的重要组成部分,制动器的制动稳定性直接影响到风力发电机的安全运行,本文归纳了液压钳盘式高速制动器在风力发电应用方面的内容,概括了制动器的作用、工作原理等方面的观点,总结在如今风电行业里液压钳盘式制动器的研究成果,指出了制动器在风机刹车、在其有限的工作比率下维护或者停车的研究需求,且多用钳盘式制动器。
本文以钳盘式制动器为对象,对制动器结构及其在风电中存在的问题进行分析。
关键词:
风力发电,制动器,液压钳盘式
TheSituationandDevelopmentTendencyofthe
ApplicationofHigh-speedBrakeUnitwithMultiple
MegawattAirBlowerSet
HuangWeiTutor:
YueYong
Abstract:
Brakeisanimportantpartofwindturbinebrakingsystem,brakethebrakingstabilitydirectlyaffectthesafeoperationofthewindturbine,thispapersummarizesthehigh-speedhydrauliccaliperdiscbrakeinwindpowerapplication,summedupthebrakefunction,workingprincipleofpointofview,andsummarizedintoday'swindpowerindustryintheresearchachievementsofhydrauliccaliperdiscbrake,pointsoutthebrakesbrakebyfan,underthelimitedworkratiomaintenanceorparkingresearchneeds,andmulti-purposepliersdiscbrake.Thusthisarticlefocusesonthesubjectofthebrake,thebrakestructureandtheanalysisofexistingproblemsinthewind.
Keywords:
Windpowergeneration;brake;hydrauliccaliperdisc
1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。
2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,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2-1o
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。
阶梯形加载方式
图2-1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)锁定装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。
(7)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。
2.1制动系统的工作条件
(1)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。
(2)对制动系统零部件的要求:
a.适用温度条件应与风力发电机组的使用温度条件一致;
b.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;
c.尺寸应与风力发电机组相应部分的设计尺寸相匹配;
d.安装方式应符合风力发电机组的设计要求。
2.2本设计主要研究内容
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)对高速轴制动器的选型提出意见,介绍了高速轴制动器的结构与选型,并对高速轴制动器做了说明
(4)针制动器的液压控制,提出机械制动装置的液压方案,便于以后风发电机
组制动系统的研究提供了好的建议。
3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。
高速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,因此本文研究的是高速轴制动器。
4高速轴制动器的选择与设计
4.1结构形式选择与确定
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动、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。
常闭固定钳式制动器的工作原理:
在制动盘的两侧对称布置两个相同的制动缸,制动缸固定在基架上。
蝶形弹簧有预压的弹簧力,活塞在蝶形弹簧的压缩弹力下推动顶杆使制动衬垫压制动盘而紧闸。
风机运行时,对制动缸通入液压油,活塞在液压力作用下克服碟形弹簧的弹力而松闸。
常闭固定钳式制动器是一种失效保护装置。
当由于风机出现的故障时,使风机先处于制动状态。
弹簧张力可以通过改变垫片的厚度进行微调。
这种制动器的动作灵敏,体积小,而且通过调整整油压可改变制动转矩。
4.2制动器结构的选择
钳盘式制动器与其它制动器相比,有以下优点:
一般无摩擦助势作用,
因而制动器效能受摩擦系数的影响较小,即效能较稳定;浸水后效能降低
较少,而且只须经一两次制动即可恢复正常;在输出制动力矩相同的情况
下,尺寸和重量一般较小;较容易实现间隙自动调整,调整液压系统的压
力即可调整制动力大小,保养维修也较简便。
因为制动盘外露,还有散热良好的优点。
散热快,重量轻,构造简单,调整方便。
特别是负载大时耐高温性能好,制动效果稳定。
综上所述,本次风力发电机组的高速轴制动器采用液压钳盘式制动器。
4.3本次设计相关数据
在这里先给出3兆瓦变速恒频风电机组的主要技术参数:
发电机的选用:
选用三相永磁发电机,发电机体积小,重量轻,发电效率高叶片材质:
增强玻璃钢材料,三叶片形式,具有高强度、高精度、耐酸碱、不变形等特点,可以达到强度好、重量轻的目的。
(1)机组:
机组额定功率:
3000kw
机组切入风速:
3.5m/s
机组切出风速:
25m/s
机组额定风速:
13.5m/s
(2)风轮:
叶轮直径:
100m
叶轮倾角:
70
叶片长度:
47.5m
叶片材质:
玻璃钢增强聚酯
(4)制动器:
高速轴刹车:
钳盘式制动器
形式:
主动式、液压制动
(5)塔架:
塔架型式:
四段管状锥形钢塔架
塔架高度:
85.7m
最大直径:
5000mm
(6)增速箱:
二级行星/一级平行轴圆柱斜齿轮传动
4.4制动器主要部件的结构
4.4.1制动盘的结构
制动盘即刹车盘,是一个金属圆盘,是用合金钢制造并固定在联轴器上,随主轴一起转动。
风力发电机在旋转的过程中刹车时制动卡钳夹住制动盘起到减速
或者停车的作用。
一般制动盘上有圆孔,其作用是减轻重量和增加摩擦力。
制动盘种类繁多,特点是壁薄,盘片及中心处由砂芯形成。
不同种类制动盘,在盘径、盘片厚度及两片间隙尺寸上存在差异,盘毂的厚度和高度也各不相同。
结构简图如图4-1所示。
图4-1制动盘结构简图
4.4.2制动钳的结构
钳盘式制动器是取其形状而得名。
由液压控制,主要零部件有制动衬垫、
分泵、油管等。
分泵固定在制动器的底板上固定不动,制动钳上的两个制动衬垫分别装在制动盘的两侧,分泵的活塞受油管输送来的液压作用,推动衬垫压向制
动盘发生摩擦制动,动作起来就好像用钳子钳住旋转中的盘子,迫使它停下来一
样。
钳盘式制动器散热快、重量轻、构造简单、调整方便。
特别是高负载时耐高温性能好,制动效果稳定,而且不怕泥水侵袭。
有些盘式制动器的制动盘上还开了许多小孔,以加速通风散热和提高制动效率。
盘式制动器沿制动盘向施力,制动轴不受弯矩,径向尺寸大小,制动性能稳定。
结构简图如下4-2所示。
图4-2制动钳结构简图
4.4.3摩擦材料
摩擦材料是一种应用在动力机械上,依靠摩擦作用来执行制动和传动功能的部件材料。
它主要包括制动器衬片(刹车片)和离合器面片(离合器片)。
刹车片用于制动,离合器片用于传动。
任何机械设备必须要有制动或传动装置。
摩擦材料是这种制动或传动装置上的关键性部件。
它最主要的功能是通过摩擦来吸收或传递动力。
如离合器片传递动力,制动片吸收动能。
它们使机械设备与各种
机动车辆能够安全可靠地工作。
所以说摩擦材料是一种应用广泛又甚关键地材料。
制动摩擦材料应具有高而稳定的摩擦系数,抗热衰退性能好,不能在温度升
到某一数值后摩擦系数突然急剧下降;材料的耐磨性好,吸水率低,有较高的耐
挤压和耐冲击性能;制动时不产生噪声和不良气味,应尽量采用少污染和对人体无害的摩擦材料。
摩擦材料的选择如下表4-1所示。
4.4.4制动器间隙的调整方法
盘式制动器的形式很多,从机构上说多是制动盘在中间,与动力装置成一体,盘
式制动器的制动板在制动盘的2边,中间有0.5-2mm左右的间隙(视制动器的大小而定)。
制动时,在制动器动力的作用下,制动板向中间夹紧,将制动盘夹住,机械装置停止运转。
制动器的动力有电磁式的,也有液压式的。
盘式制动器的间
隙的调节,一般是调节制动板的位置,根据说明书,调节相应的螺栓即可,但调
表4-1摩擦材料性能对比
材料
性能、、
有机类
无机类
制法
编制物
石棉模压
半金属模压
金属烧结
金属陶瓷烧结
硬度
软
硬
硬
极硬
极硬
密度
小
小
中
大
大
承受负荷
轻
中
中-重
中-重
重
摩擦系数
中-高
低-高
低-高
低-中
低-高
摩擦系数稳定性
差
良
良
良-优
优
常温下的耐磨性
良
良
良
中
中
高温下的耐磨性
差
良
良
良-优
优
机械强度
中-高
低-中
低-中
高
高
热传导率
低-中
低
中
高
高
抗振鸣
优
良
中-良
差
差
抗颤振
-
中-良
中
-
-
对偶性
优
良
中-良
差
差
价格
中-高
低-中
中-良
高
高
此次设计综合考虑各种材料,采用性能更好、环保效果更好的半金属材料
节时注意制动板不容许碰到制动盘,且两边间隙要相等。
制动器动作时,要夹紧,对上下运行的机构,必须做额定载荷吊重试验,并有相当的余量。
4.5制动器的工作原理及安装位置
制动器的工作原理是,利用与机架相连的非旋转元件和与传动轴相连
的旋转元件之间的相互摩擦,来阻止轮轴的转动或转动的趋势。
在风力发电机组中,机械制动钳盘式制动闸通常设置在高速轴或低速轴上。
低速轴安装在齿轮箱前面的主轴上。
设置在低速轴上有以下优点:
制动力矩
较大,停机制动相对更可靠,而且制动过程中产生的制动载荷不会作用在齿轮箱上;但同时它也存在不足,所需制动力矩大,且对闸体材料要求较高。
高速轴闸安装在齿轮箱后面,发电机前面的传动轴上。
咼速轴机械制动有以下优点:
因为制动力矩与齿轮箱的传动比有关系,制动力矩较小。
但同时它也存在着弊端,在高速轴设置制动对齿轮箱有较大的危害,风轮叶片在制动时的不连贯停顿会产生动态载荷,使齿轮箱内齿与齿来回碰撞,导致齿牙长期受弯曲应力,使齿轮箱过载。
这是影响风机性能的一个重要原因。
大、中型风力发电机组的机械制动机构一般为高速轴机械制动。
5制动器静载荷接触分析
制动系统在制动过程中,主要受到制动力矩和温度两种因素的作用。
对制动系统在静载荷情况下,即忽略温度影响,仅考虑制动力矩作用的情况下,进行接触模拟分析。
5.1制动任务
机械制动可以完成多种任务。
正常的停机制动是对于机械制动系统最低的要求,为的是保证机组在维修时停机。
在大部分机组设计中,制动系统也需要用来在大风速时进行停机,并且和正常停机情况一样,负责将叶片制动到静止不转的状态。
制动开始时先利用空气动力来制动叶轮,因此机械制动转矩可以非常低。
最严重的紧急制动情况出现在发电电网突然掉电,并且风速大于额定风速的
情况下。
对于变桨距调节风电机组,最大超速发生在风速为额定风速时,这时随着转速的变化率下降空气动力转矩逐渐减小,并且在风速更高时变成负数。
相反的,如果变桨距装置失灵,更大的空气动力转矩随着叶轮的减速和攻角增加而上升了,制动情况在更大风速时变得更加严重。
机械制动系统的最基本的任务就是无论在任何紧急情况下,当对系统发出制
动指令时,制动机构都能完成停机制动任务,起到对风机安全保护的作用。
为了确保风机机组的安全和在任何工况下都能有效的制动,本文选择最严重的紧急制动情况进行研究。
即机械制动系统的制动任务是:
在风速大于额定风速情况下发电电网突然掉电,且空气制动系统完全失效时,要求机械制动也能够制动叶轮。
5.2制动力矩计算
水平轴风电机组在运行中,对其实施制动,使叶轮停止转动不是轻而易举的事因为除了风轮气功力矩的作用外,还要考虑到风电机组的风轮及传动系统具有很大的转动惯量。
且风电机组发电容量越大,其对应的风轮直径就越大,停机制动也就越困难。
制动系统的性能必须灵敏可靠,因为制动系统不但要满足机组开停机工作的需要,而且还起到安全保护作用。
5.2.1建立理论数学模型
根据大部分机组的实际情况,做以下假设:
(1)发电机前,风力机组己对准风向且正向电网输电。
(2)定义电机从电网解列的瞬时为初始时间。
因此,风机扭矩在此之后只用
来使叶轮加速。
(3)经过一定的时间延迟后.机械制动机构以一定的速度动作。
当然动作的方式及速率对不同的机组而言是不同的。
(4)制动机构一旦动作,制动力矩就发挥作用。
本模型考虑了以下因素:
风轮和传递装置的惯性、风轮的气动力矩、传递装置的摩擦力矩以及风轮的制动力矩,见图5-1所示。
1-风轮旋转平面2-制动力矩作用平面3-风轮轴线
图5-1风轮受力图
传递装置和风轮看做是一个转动惯量为J的整体大飞轮。
这个飞轮受到三
种力矩的作用,即:
(1)作用在风轮桨叶上的气动力矩;
(2)来自于制动机构的制动力矩;
(3)传递装置上的摩擦力矩。
因此运动方程为J;=Ta-Tb-Tf(5-1)
其中;
;-转子角加速度,rad/s
J-转子转动惯量,Kgm2
TA-气动力矩,Nm
TB-制动力矩,Nm
Tf-摩擦力矩,Nm
521.1转动惯量
2转动惯量J与质点质量m成正比,与mi的旋转半径斤成正比,即
2
J兀mij,J尤n。
风轮及传动系统的转动惯量J应是构成其各个质点的转动惯量的总和:
2
J=嘉m^,(5-2)式中,mj-旋转件上任意质点的质量;斤-该质点的旋转半径。
相对于风轮质量和旋转半径,传动系统各旋转件的质量及其旋转半径都远远小于它,为了简化设计和计算,传动系统的转动惯量可以忽略不计。
风轮由非金属和金属材料构成。
无法用数学表达式来描述其质量分布的不均匀状况,因此很难以直接计算求得其转动惯量。
但是,可用类比法在可能的条件下求得。
采用此法的条件是,类比件必须是结构相似,儿何相似,质量相近。
对于无可类比者,可用称量法或用摆动实验分别求得风轮叶片的质量及其质量中心后再计算求得。
在设计新机组时,则无法应用上述的方法,可以根据风轮材料、结构得到风轮理论旋转半径和其质量,计算转动惯量。
但这种方法可能与试制后的实物有误差,有时甚至误差较大,必要时可用有关方法加以修正。
但是无论是计算还是实验,实施起来都相当的复杂繁琐。
5.2.1.2气动力矩
计算气动力矩时,要用到风速。
风速可以是恒定的,也可以是随时间变化的采用Glauert旋涡理论计算,具体公式如下
(5-3)
(5-4)
132
ta=形PRv
cm=2:
mrd—
m0rR
2
2r
m=d+k)E2cotI
R2
qblcosI-;
8rcossin21
ciblsinI-;
4rsin21cos;
;二arctan%
c
I=ia
(5-5)
(5-6)
(5-7)
(5-8)
(5-9)
(5-10)
上述诸式中:
cm-力矩系数;
l-距转轴r处叶片的弦长;
b-机组叶片数;
q-升力系数;
cd-阻力系数;
I-气流角;
i-冲角;
a-安装角。
不同叶素处的安装角和冲角的不同,需要大量实际测量数据,计算过程也非常复杂。
5.2.1.3摩擦力矩
传递装置中的摩擦力矩取自于实验数据。
根据风力机组转子转速以及在这些转速下摩擦力矩所消耗的功率,求出此机组的摩擦力矩与转子转速的关系式。
这需要大量的实验数据。
而且对于不同风机机型和不同摩擦副材料需要进行重复实验,耗费人力、财力和时间。
且实验结果与实际仍有出入。
5.2.1.3制动转矩
由式(5-1)刚体定轴转动时,刚体对转轴的转动惯量与角加速度之积等于
作用在刚体上所有外力对转轴力矩的代数和。
即,
J=ta■tb■tf(5-11)
式中,;-角加速度。
作用在风轮主轴上的总制动力矩TB应是克服气动力矩Ta、摩擦力矩Tf与总的转动惯量之和,即
TB=TA-TF-J;(5-12)
制动过程中,风轮在时间t内,转速从nr/min制动到为转速零,t称之为d2申
制动时间,n为风轮的初始转速。
由物理方程,式中」为转角,可以
dt2
求得角加速度为制动时间的函数,即;二.ton和J为知。
代入微分方程,
即可得到制动力矩TB与制动时间t的关系式TB二.to对于风力发电机组而
言,其关系式为TB
K1,K为一常数与J,n有关。
t
线1-超转速工况线2-最大工况线3-额定工况
图5-2风力发电机组
TB-t制动过程中,制动力矩TB的值随制动时间t变化。
同时制动力矩TB又
与机组所处工况有关。
图5-2称为Tb-t关系曲线。
所示为风力发电机组分别在三种工况下的制动力矩Tb与制动时间t的关系。
由Tb-t曲线亦可知,当t<1或1.5秒时,Tb值急剧增大。
这将引起整个机组强烈振动,使得叶片根部和风轮轴将承受过大的突加载荷。
在丹麦样机现场测试实验过程中,得出制动时间t的缩短,将引起tb的增量厶tb的迅速增加,而增量Tb与风轮轴扭应变的增量:
:
有密切的相关性。
实验测试说明上述
理论与实际相一致。
当t・6-7秒后,Tb值开始缓慢下降t过大对Tb无实际意义。
由此可见,在制动系统的设计中,制动时间t亦是一个极其重要的工作参数之一,不能孤立的考虑Tb值。
Tb值的大小不但与制动系统有关,而且与叶片和风轮轴的强度设计有关,甚至影响到机组寿命。
由Tb-t曲线可知在超转速
工况下制动力矩最大。
虽然超转速工况并不经常出现,为了确保风机机组的安全和在任何工况下都能有效的制动,制动力矩
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- 兆瓦 风力发电机 高速 制动器 设计 分解