0. 引言
與傳統化石能源（如石油、煤炭、天然氣等）相比,風能資源具有清潔無污染、可再生、分布廣泛等優點[1]。我國是世界上風力資源最多的國家之一[2],根據國家能源局公布的數據,從2018年到2023年我國風電系統的裝機總量逐年增長,從1.84×109kW增加至4.04×109kW,未來風電系統的裝機增長率將會迎來新的突破。
風電制動系統是維持風電機組正常工作的重要部分,主要作用是通過改變葉片角度以及降低風電機組的旋轉速度,確保風電機組安全穩定地緊急減速或停止運行,避免設備損壞,同時有效保障操作人員和周圍環境的安全。目前,廣泛使用的制動系統主要分為空氣制動系統和機械制動系統兩類,一般會同時采用這兩類制動系統以保證風機的日常運行和停機操作?？諝庵苿酉到y能夠降低風機葉片轉速,但不能使葉片完全停止轉動,難以滿足緊急迅速停機的要求,此時機械制動系統的不可替代性便凸顯出來。機械制動系統分布在主軸、偏航及變槳系統中,主軸和偏航兩處制動器通常由安裝在高速軸和偏航系統上的圓盤與布置在四周固定有制動片的制動夾鉗構成。通常情況下,制動夾鉗不動,制動圓盤隨軸旋轉,當需要停機時執行機構通過液壓或電動機構使制動片壓緊制動盤,制動片的磨損通常遠大于制動盤面。
為了給相關研究人員提供參考,作者主要從材料、工況、摩擦磨損性能等方面對風電機組制動片研究進展進行綜述,重點總結了制動片的材料體系和摩擦學性能的研究進展,介紹了有限元方法在制動片研究中的應用,在此基礎上分析并討論其今后的發展方向。
1. 風電機組制動系統的結構及工況
1.1 風電機組制動系統的作用與要求
風電機組制動系統除了在風機發生故障時使其停止運行,以便維修外,其高速軸制動器可以在風速異常增大時有效減緩風機旋轉,避免風機損壞,保障其在極端氣象環境中穩健運行,偏航制動器的作用則是確保風機葉片朝著風的方向,從而提高發電效率。大型風力發電機運行時葉片的轉速一般只有15r·min−1左右,但經齒輪箱加速傳遞到高速軸上往往可以達到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復合材料。偏航制動器力矩小、速度低,摩擦材料一般為有機復合材料。
風電制動系統在工作過程中會產生大量的熱,在熱應力作用下,制動片易磨損和變形,同時還可能發生“熱衰退”,造成摩擦因數降低,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致制動片/盤間的摩擦因數降低而引發制動失效,產生安全隱患。因此,制動器應滿足摩擦因數穩定、耐磨性和耐高溫性好等性能要求,此外,還應滿足低噪聲要求,以降低對環境的影響。
風電制動系統是確保機組正常運行的關鍵部分,通過對制動摩擦材料的選擇優化、材料結構的設計優化和制造工藝的過程優化,能夠有效提升制動系統的可靠性和穩定性并延長其服役壽命,使得風電機組在各種復雜工況下正常運行。
1.2 風電機組制動系統的典型工況
我國風電場主要分布在西北地區、東部沿海地區和東北地區等地區,氣候條件多樣,在設計和選擇風電機組時必須充分考慮到風機將面臨的特定環境[4]。
我國西北地區常常受到沙塵暴的侵襲,沙顆粒會磨損和腐蝕風機葉片,對制動系統產生不利影響,加劇其磨損消耗[5]。為了應對這種情況,制動系統常采用密封結構以隔離沙粒,使用耐磨材料以降低制動片/盤摩擦磨損,延長制動系統壽命。海洋環境具有高鹽、高濕等特點,制動系統的設計應考慮采用耐腐蝕材料,并提高風機密封性,以降低海水進入制動系統的可能性。
在夏季多風天氣下長時間服役后,風電制動系統摩擦產熱且熱量積累較多,材料受高溫影響易發生軟化導致制動不穩定。因此,制動系統應采用耐高溫材料,以提高耐久性和穩定性。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,在設計風機制動系統時應考慮材料低溫極寒工況下的力學及耐磨性能等[6-7]。
綜上,設計和選擇風電制動系統需要考慮其服役環境對風機的特殊要求,通過合適的材料選擇和結構設計,提高制動系統的耐久性和穩定性。
2. 制動片材料種類與制備方法的研究進展
目前,國內外風電制動系統的制動片主要以金屬基摩擦材料為主,同時樹脂基復合摩擦材料也得到快速發展。金屬基摩擦材料具有穩定的摩擦因數,基本不受濕度、溫度和壓力等因素影響,表現出良好的耐磨性和導熱性,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,在制動過程中更加穩定,但易受濕度影響,在濕潤環境下摩擦因數大幅下降[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熱系數、高摩擦因數和低磨損率以及優異的力學性能等優點,在風力發電制動系統所有摩擦材料中一直占據主導地位。LI等[9]采用濕法造粒技術和冷壓燒結方法制備了銅基摩擦材料,結果顯示,造粒技術可以通過控制顆粒粒徑大小改善材料的摩擦學性能,粒徑為5~8mm時表現出最低的摩擦因數,比粉末制備材料降低了22.49%,此外,造粒技術還能提高摩擦因數穩定性。在制動器工作過程中,顆粒脫落會導致磨損機理由黏著磨損轉變為磨粒磨損,從而增加磨損率。為解決該問題并提高制動器性能,研究具有高強度和相容性的連續纖維增強銅基復合材料成為需求。RAMALINGAM等[10]采用鑄造工藝成功制備了以SS304鋼纖維為增強體的銅基金屬復合材料,在30N載荷下該材料的摩擦因數在0.4~0.6間變化,比傳統制動片摩擦材料具有更好的耐磨性,磨損機理表現為黏著磨損和磨粒磨損的復合。KESHAV等[11]通過粉末冶金制備了短切不銹鋼纖維和連續碳纖維增強的銅基摩擦材料,結果表明,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注。WEI等[12]研究發現,質量分數10%、尺寸300~600μm石墨改性的粉末冶金銅基摩擦材料表現出穩定的摩擦因數,摩擦表面僅出現輕微的犁溝,具有最佳的摩擦磨損性能。ESSWEIN等[13]對比了質量分數10%石墨增強銅基復合材料制動片和酚醛樹脂制動片的摩擦學性能,結果表明,銅基復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。
梯度功能金屬基摩擦材料是一種新型復合材料,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合材料的組成和結構呈連續變化的材料。梯度功能金屬基摩擦材料在內外部溫差較大的情況下的內應力較小,擁有優于常規材料的耐磨性,在國外已成功應用于制動片制造[14–16]。其中,梯度功能鐵和銅基復合材料制動片因具有較高的導熱率和良好的耐磨損性能而受到廣泛的關注。GOVINDARAJU等[16]采用熱成型法制備了梯度功能鐵基材料,該材料的磨損機理為磨粒磨損,其磨損率和摩擦因數遠遠小于常規材料。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-盤試驗發現,在載荷增加的情況下,其磨損率減小,磨擦因數增大,其主要磨損機理為磨粒磨損。KANNAN等[18]還進一步采用液相燒結技術制備了梯度功能材料,利用銅作為液相燒結劑高效燒結粉煤灰,在氬氣中燒結時材料沒有發現空隙、裂紋和孔隙等缺陷,最大硬度為830.18HV,遠大于在普通空氣中燒結材料的硬度（777.15HV）,但其磨損率卻比空氣燒結材料高出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,磨損機制由初始的黏著磨損轉變為磨粒磨損。
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生極大的噪聲,還易導致制動不穩定,從而影響風電機組發電效率；此外,制動過程中產生的銅顆粒等磨屑還會對環境和人體造成影響。
2.2 樹脂基摩擦材料
樹脂基摩擦材料由樹脂基聚合物、纖維增強體、無機或有機填料以及穩定劑、增強劑、阻燃劑等改性劑組成,樹脂基聚合物為黏結劑,可分為熱固性樹脂（如環氧樹脂、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,增強體纖維主要有碳纖維、有機纖維和陶瓷纖維等[19],無機填料（氧化鋁、氫氧化鋁等）和有機填料（碳黑、硅橡膠等）的作用是降低成本并改善材料的導熱性、耐磨性、阻燃性,添加改性劑是為了調節材料的摩擦因數,提高耐磨性能。
MULLAIKODI等[20]制備了不同含量天然碳纖維增強環氧樹脂制動片,當碳纖維質量分數為40%時,材料硬度最高,在腐蝕磨損時表現出良好的耐磨性能。TAO等[21]將線性圓筒狀碳纖維增強室溫硫化硅橡膠（Cf@RTVSR）芯鞘彈性體作為高性能添加劑來改性酚醛樹脂基復合材料,在0.5MPa制動壓力和2000r·min−1制動轉速下,改性后酚醛樹脂復合材料的摩擦因數與未改性時相比顯著上升,磨損率下降了84.8%,且在摩擦表面出現裂紋偏轉現象,圓筒狀Cf@RTVSR芯鞘彈性體在酚醛樹脂基復合材料的強化和增韌過程中發揮了重要作用,并在一定程度上有利于材料表面的應力松弛,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環氧樹脂材料,該材料的拉伸強度高達4.9MPa,最大斷裂載荷達到0.4kN。李輝等[23]制備了2.5D碳纖維織物增強樹脂基摩擦復合材料,結果顯示,材料的摩擦因數在0.12~0.26間波動,且呈現波動性下降趨于穩定的現象。礦物纖維增強樹脂基復合材料經兩次水洗除渣循環后的高溫摩擦因數提高了約22.22%[24]。腰果殼油增強樹脂基復合材料的摩擦因數在0.3~0.5間并隨制動負荷和速度的增加而降低[25]。劉浪等[26]研究發現,當玄武巖纖維和鋼纖維質量比為1∶1時,二者復合增強的樹脂基摩擦材料摩擦因數穩定且大小適宜,磨損質量損失最小。
樹脂基摩擦材料應用于風電制動器方面,不僅滿足性能方面需求,還具有低噪聲、環保等優點,符合風電行業可持續發展理念。此外,樹脂基制動片具備良好的適應性,能適應風電機組復雜的工況環境。目前,風電機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
制動片性能對風電機組的安全性和發電效率有著重要的影響。在正常工作條件下,風電制動片摩擦因數通常要求在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,以減小停機更換制動片的頻率,保障風力發電機的發電效率。此外,風力發電機在使用過程中會受到風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象,在風電制動系統中,制動片/盤摩擦副表面會產生微小的金屬顆?；蛩樾肌｜S琳等[5]通過銷-盤試驗,使用變質油和第三體顆粒混合來模擬油液泄漏后在制動盤表面擴散的情況,研究了風電制動過程中沙、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較低而制動力不足,制動時間延長,同時銅對環境也有危害；沙顆粒會導致摩擦因數產生較大波動,鐵顆粒會使摩擦副表面產生較大的犁溝,兩者都會加速摩擦副達到劇烈磨損階段。第三體顆粒對風電制動系統存在很多不利影響,應采取相應措施來降低其影響。SAI等[28]研發了一種酚醛樹脂基復合材料制動片,制動時摩擦因數的波動相比商用制動片更小,表現出更好的穩定性和耐磨性,而且成本降低了近40%,可回收性增強。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合材料接觸,研究了質量分數3.5%SiC和3.5%Y2O3增強樹脂基復合材料制動片的摩擦磨損性能,發現其體積磨損率相比商用風電機組制動片最高降低了84%。
3.1.2 外部工況的影響
風電制動片摩擦材料性能的優劣不僅取決于材料的成分與組織,還受到工況和環境的影響。制動片的摩擦因數受到載荷、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雜,并且存在一定的波動[30–32]。MOHAMED等[33]研究發現,隨著工作環境中沙礫尺寸增加或濕度降低,制動片的摩擦因數增大。張長坤等[34]研究發現：隨著載荷增加,制動片的摩擦因數幾乎不變,磨損率增大后趨于平穩；隨著轉速增加,摩擦因數迅速降低,磨損率不斷增大。由于風向會不斷改變,風電機組工作過程中經常遇到制動系統往復摩擦的情況。PENG等[35]采用熱壓成形法制備了酚醛樹脂復合材料,發現單向摩擦條件下材料的磨損質量損失是往復摩擦條件下的12~16倍,磨損機理主要為黏著磨損。
風沙暴雪等極端環境會對風機制動系統性能產生重大影響,并對風機安全性產生潛在威脅,但目前有關外部工況對制動系統影響的研究較少。在未來的研究中,應關注這類特殊環境對制動系統的影響。
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測材料、結構或系統在實際工作條件下行為的工程分析方法。該技術基于有限元法,將復雜的連續體劃分成許多單元（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,可以推導出結構在受力情況下的應力、應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,可以節省成本,幫助工程師更好地改進產品或系統的性能,在工程設計、優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、磨損率等性能指標,但對于一些實際難以測試的參數,如內部應力分布和溫度分布等,則可以通過有限元仿真預測。
3.2.1 制動溫度
溫度是影響制動片制動效果的一個關鍵因素。風電制動系統在工作過程中,制動片/盤之間摩擦產生的高溫會影響制動片的力學性能和化學性質等,溫度超過材料可承受范圍還可能導致制動片的制動性能降低甚至引起火災,產生安全隱患。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某1.5 MW風力發電機用盤式制動器進行了有限元分析,研究發現：制動力矩對溫度影響顯著,當制動力矩達到110%額定制動力矩時,制動片的最高溫度可能超過燒結金屬的許用溫度,達到1026℃；而當制動力矩為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,發現風電機組每運行15min,制動片釋放約123kJ的熱量；通過對風電制動系統幾種模式的仿真,確定了最優運行方式為風機制動并保持30s,然后每4次制動后進一步保持風機制動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有風電系統中的電動機械裝置,通過熱分析發現,制動600s后制動器最高溫度只有150℃左右,遠低于金屬基摩擦副的400~600℃,使用壽命長,可維護性好。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、摩擦因數對制動片等效應力和溫度的影響,結果表明：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口處,制動過程中制動片/盤之間產生的溫度變化引起的熱效應是導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,發現實際制動過程中制動盤的溫度場和其結構緊密相關,當制動盤材料承受超過其屈服極限的熱應力和溫度耦合時,可能會出現熱裂紋而導致制動盤失效；制動片的極限溫度和應力往往比制動盤低,因此在制動過程中更容易受到磨損而損壞。ZHANG等[3]采用位移梯度循環法解決了制動盤因徑向/周向摩擦效應差異導致耦合結果偏差的問題,并對制動過程中摩擦副進行了熱-結構耦合分析,研究發現,非均勻溫度場產生的熱應力對制動盤應力分布有顯著影響,而摩擦區域的應力差容易引起材料不均勻變形,導致制動盤失效。
目前,常通過多載荷步和熱流密度、熱力耦合、位移梯度循環等有限元仿真方法對力矩、制動模式、速度、壓力和摩擦因數等因素對制動過程中的溫度的影響進行研究。其中,力矩和壓力對溫度的影響最為顯著,當風機承受較大的制動力矩或較高的壓力操作時會產生較高的溫度；改變制動模式可以有效降低溫度,但同樣會導致制動時間的延長；引入制動輔助系統可以降低溫度并提高制動效率,但這會增加風機組件大小并增大成本。因此,在制動系統設計中,需要綜合考慮這些因素,在成本允許的條件下確保風機的工作溫度在可接受范圍內。
3.2.2 制動穩定性
為了確保制動系統安全穩定運行,制動器需要具備一定的穩定性。ZHANG等[41]通過多體動力學方法建立了包含制動彈簧、主動制動鉗、被動制動鉗和補償機構在內的兆瓦級風電盤式制動器整機機械裝配多體動力學模型,研究了兆瓦級風電機組制動器在緊急制動過程中的振動。楊書儀等[42]根據制動系統剛度矩陣不穩定復特征值和不穩定傾向系數,構建了偏航制動器制動模態耦合模型,分析了制動壓力、摩擦因數、偏航速度、彈性模量等因素對制動穩定性的影響,不穩定復特征值個數越多、不穩定傾向系數變化越大代表制動系統越不穩定。沙智華等[43]基于風電制動器剛柔耦合動力學模型仿真分析了不同初始制動轉速、制動力、摩擦因數下大功率風電制動器的振動特性,得出風電制動器制動穩定性判定方法。LIU等[44]通過建立風電盤式制動器剛柔耦合模型,模擬風電盤式制動器的實際工況,分析了制動補償機構對風電制動系統穩定性的影響。
目前,常通過建立多體動力學模型、模態耦合模型、剛柔耦合動力學模型等有限元模型研究轉速、制動壓力、摩擦因數和彈性模量對風機制動穩定性的影響。轉速是一個無法控制的因素,主要受到風速的影響。制動壓力是在安裝過程中預先設定的,可以根據具體需求調整。因此,為了增強風機制動穩定性,選擇合適的摩擦因數和彈性模量非常重要。摩擦因數決定了制動片/盤之間的摩擦特性,合適的摩擦因數可以提高制動穩定性。彈性模量則決定了制動系統的剛度和抗撓性,適當的彈性模量能夠提供恰當的制動性能和響應速度。在保證制動效果的前提下,綜合考慮摩擦因數和彈性模量的影響,以提高制動片的穩定性。此外,制動片的維護和更換也是保證其穩定性的重要措施,定期檢查和更換磨損嚴重的制動片可以有效避免因制動片失效而導致的安全事故。
4. 結束語
風電機組制動片的研究在過去幾年取得了顯著的進展,為提高風電機組的運行穩定性和安全性提供了重要技術支持。風電機組制動片的材料成分和工況條件對其摩擦學性能有著顯著影響,其材料主要為銅基復合材料和樹脂基復合材料等,其服役工況多變且復雜,普遍設立在風力資源豐富的東部沿海地區以及西部高原地區。通過試驗與有限元仿真結合,可以對摩擦因數、磨損率等指標測定和制動溫度、穩定性等參數進行模擬,綜合評估風機制動效果。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,環保型樹脂基復合材料的開發；（2）制動片在西部高原風沙環境和東北地區低溫環境等極端工作條件下性能的研究；（3）先進摩擦材料研究方法的開發；（4）通過機器學習神經網絡等技術來預測和優化材料結構、成分等,降低研究人員在時間、成本上的投入,提高新材料的發現效率。在風電機組制動片領域仍然存在挑戰和機遇,通過不斷創新和研究,開發和研制高性能風電機組制動片,為風電機組的運行可靠性和風電行業的可持續發展做出更大貢獻。
文章來源——材料與測試網