刘明LIU Ming；阳雪兵YANG Xue-bing；张学文ZHANG Xue-wen；黄振荣HUANG Zhen-rong

（哈电风能有限公司，湘潭 411102）

0 引言

近年来，在“双碳”目标指引下，我国基本形成全球最具竞争力的风电产业体系和产品服务，并呈现大型化、智能、综合利用等发展趋势。截止2021 年，我国已累计装机超过17 万台，容量超3.4 亿千瓦。在如此巨量的装机情况下，对产品部件的可靠性同时也提出了更高的要求。针对部件的设计和选型应根据实际情况，合理的选择材料及性能，同时需进行严格的测试和运行情况跟踪，形成设计反馈闭环以达到优化原始设计的目的，使各部件能满足风机长期运行的苛刻要求。

偏航制动系统中液压制动器作为刹车部件，对偏航系统和整个风机的安全起着重要的作用[1-2]。偏航刹车片作为制动器中的关键部件，需要有良好的耐磨性、稳定的摩擦系数和低噪声等特点[3-5]。目前，偏航刹车片材料一般采用有机复合材料刹车片，摩擦材料是一种多元复合材料，是有粘接剂（树脂与橡胶）、增强纤维和摩擦性能调节剂三大类主要组分及其他配合剂经一系列制造加工工艺制成[6-8]。在应用中发现，摩擦材料在磨损后出现较多刹车片粉末，粉末堆积在制动器侧面或掉落到塔筒顶部平台，造成一种摩擦材料在短时间磨损较多需要更换刹车现象。本文通过对比对刹车片使用工况、实验室检测和检验实际厚度情况，对此刹车片进行了分析研究。

1 磨耗分析

磨损率定义为单位长度内单位载荷下所磨损的体积，即：

其中，

δ——磨损率；

ΔV——磨损体积；

H——线性总磨损量；

A——表观面积；

∑W——累计摩擦功。

在偏航制动系统中，累计摩擦做功为：

其中，

Tbrake——制动力矩；

S——制动距离。

偏航制动器制动力矩为：

其中，

R——制动半径；

Pc——卡钳制动压力；

Ap——卡钳活塞面积；

μ——摩擦系数。

根据上述式子，公式（1）可化为：

由式（4）可知，在风力发电机组偏航制动系统中，当制动器及刹车片外形尺寸确定的情况下，摩擦材料的磨耗主要由制动器压力、运行距离等情况决定。

2 制动压力分析

2.1 压力控制策略

风力发电机组偏航制动器主要有两种应用工况，一是在风机发电时，液压站为制动器提供高压制动，通过刹车片提供的摩擦力使得与制动器相连接的机舱能与固定的对偶件达到相对静止，此时叶轮能最大限度的捕获风力，保证风力发电机组的发电效率；此时摩擦片与制动盘之间主要是静摩擦的作用。二是当风向发生变化，风机需要偏航重新迎风时，制动器会从高压切换至低压状态，风机的机舱通过偏航轴承在偏航减速机的驱动下进行对风，此时制动器提供一个25±5bar 的背压，保证机舱在转动的过程中不会因为突然的阵风对轴承和减速机等大部件造成冲击，同时提供的背压还能减少偏航完成时制动器切换到高压制动时的缓冲时间。

低压偏航控制策略是同类风机的控制方案，运行情况良好。而且，低压偏航控制策略是风电行业内绝大多数主机厂均在使用的控制策略，是一种得到了广泛认可的能有效保护偏航轴承齿圈和偏航减速机的控制方法。

在偏航制动系统的研究开发过程中，对制动器及其部件进行了严格的测试。刹车片作为核心的组成部件，主机厂依据制动器的使用工况，对刹车片各种机械和理化性能进行了相关测试，特别针对风机存在的高压锚定和低压偏航工况，进行了摩擦系数、磨损率和噪声等重点性能的测试，使产品能达到标准才允许进行使用。

2.2 偏航压力

此风场偏航设定压力为25±5bar，根据该风场数据调查情况，多数风机设定压力为20bar，符合参数设定要求。同时调查其他风电主机厂偏航余压，情况见表1 所示。

表1 各主机厂偏航余压

本厂偏航余压设定为25bar，高压为160～180bar，余压占比为：25/160=15.63%。其他主机厂家偏航制动器高压普遍是140～160bar，各主机厂余压占比对比见表2。

表2 余压占比值百分比

根据表1 和表2 数据可以知，行业内主流偏航余压设定值在15～40bar 之间，且风机发电时的锚定压力在140～180bar 之间，风电行业内液压制动器参数设定基本趋于一致。在风机无特殊故障时，高压状态下的刹车片与制动盘保持相对静止，此时认为刹车片无磨损；仅风机在低压偏航时存在刹车片磨损情况，因此主要对比偏航低压状态情况。

此风场设定的偏航背压与其他主机厂压力值相近，25bar 压力值处于15～40bar 的中位，因此偏航余压相较于其他主机厂来说并不存在过高的问题；且偏航余压百分比15.6%相较于10.7%-17.8%的范围也不存在超出的情况。该风场各机组部件运行正常，在偏航系统部件无异常情况下，偏航压力不会致使偏航刹车片过度磨损。

3 偏航频次分析

风机发电时制动器锚定机舱，刹车片与其对偶件不存在相对位移，仅在偏航时摩擦材料存在磨损。在磨耗分析中可知，除压力外就是运行距离与磨耗有较强关联，风力发电机组中与运行距离主要相关的影响因素有风资源、偏航半径和偏航频次等。

该风场装有本厂及A 厂同兆瓦型机组，两种机组偏航制动半径误差不超过±3%；且机组处于同一区域，风资源误差较小，因此可以认为偏航频次为影响两厂刹车片磨耗的主要因素。为减小相关误差量影响，考虑单一变量原则，选取2 组12 个月数据对比两厂偏航运行次数，进行偏航距离对比分析。

第一组12 个月偏航次数对比数据见图1 所示。

第二组12 个月偏航次数对比数据见图2 所示。

根据图1 和图2 所知，本厂与A 厂每月偏航次数存在一定的偏差，相对偏航次数来说误差级别较小：在1 个自然年的不同月份中，两厂均是3～7 月偏航次数较多，此时应该是该区域的大风时段，在其他月份偏航频次均有所降低，总体来说两厂每月偏航频次数据变化趋势较为一致，可以使用两厂该数据变化特性进行情况分析。

根据上述数据，统计了本厂与A 厂总偏航次数，见表3。

表3 本厂与A 厂总偏航总次数

根据表3 中数据统计，组1 中两厂在1 个自然年内总偏航次数均为1.8 万次，误差为1.19%；组2 中两厂总偏航次数均为1.7 万次，误差仅为0.29%，两组数据中总偏航频次误差不超过1.5%。在较长时间的统计内，当无较长故障停机的基础上，可忽略机组特性及部分控制策略的差异，因此认为两厂偏航频次基本一致。

在偏航制动半径、风资源和偏航频次一致的基础上，刹车片运行距离相同，在刹车片实验室测定通过且满足标准要求时，其磨耗在实际运行中不会存在较大差异。

4 实验室测试

本厂有对随机选取的几台风机进行刹车片更换和抽查，针对刹车片本身机械和理化参数提出的疑问，本厂对风场拆卸下的偏航刹车片进行了重新实验和测试：在实验室采用偏航拖磨试验台，把拆解回的摩擦片重新安装进相应制动器中，在25bar 下进行拖磨试验以测定实际摩擦系数和磨耗参数。获得的结果如图3 所示，磨损率0.08cm3/Nm，标准要求为≤1cm3/Nm，满足标准要求。

针对拆解下来的刹车片，本厂采用游标卡尺对其剩余厚度进行了实际测量，随机选取了21 块刹车片进行测量，获得数据见表4 所示。

表4 刹车片剩余厚度测量值

本厂新刹车片总厚度为18mm，摩擦材料厚度为10mm。上述随机抽取刹车片平均厚度为15.02mm，剩余摩擦材料7.02mm，本厂风机实际运行年限约2 年，每年摩擦材料消耗1.49mm。按照上述计算结果，摩擦材料至少可以满足5 年以上的运行周期。

5 问题分析及应用总结

根据上述分析，该风场机组偏航控制策略、偏航压力数值和偏航距离与本厂及其他同类型风机基本一致，且实验室测试原刹车片磨耗符合技术参数要求，实际中“过度磨损”问题其实并不存在。根据后续调查得知，该风场出现较多粉末是由于摩擦材料中含有较大的颗粒组分，如胶粉等。此种组分选择主要为满足噪声要求，能有效减低偏航时可能出现的噪声。

风力发电机组偏航制动器刹车片磨耗作为首要技术控制参数需要从严控制，但设计人员需从组分控制出发，结合风机运行情况实际情况改良刹车片磨损及运用效果，可得出如下经验：

①刹车片生产厂家进行组分设计时应选取高强度粘接剂、高模量纤维，以保证摩擦材料较高的理化性能，同时采用耐高压的润滑材料，提高密度同时使产品具有良好的耐磨性，生产厂家在组分选取时需采用细目型组分，防止摩擦粉末污染风机内部。

②刹车片磨耗与机组特性有强相关性，作为风机生产厂家应关注偏航压力，在设计和选用刹车片时需保证摩擦材料与工作压力相匹配；且需从风向获取出发，采用正确的偏航控制顺序及逻辑，在不影响发电量的基础上控制偏航控制频次，偏航系统不应存在过多的滑动距离，致使偏航刹车片磨损过快或造成相关部件的疲劳磨损。

③刹车片设计需结合实际情况进行测试和验证，在实验中结合风机实际情况，选取正确的对偶件材料、表面参数和运行压力进行测试，得出最符合实际的磨损磨耗，从而为机组维护提出有效参考意见。并且设计人员应在产品的挂机测试中积极跟进运行效果，针对有问题的产品及时改进，以满足客户使用要求。

6 结语

偏航制动系统作为风机重要组成部分，其运行维护周期与风机有效发电量密切相关。特别是偏航制动器作为常闭式制动器，有高、低压工况，与以往盘式制动器工作状态存在明显差异，刹车片的研究和应用需根据实际情况进行分析研究，不仅满足磨耗、噪声等技术参数要求，还要避免给应用方造成卫生困扰等相关问题。