【文章內容簡介】 子 角 速 度 2( 1 0 . 7 / )r a d s?： 轉 子 角 加 速 度 2( 3 . 5 )mJ k g ?： 轉 子 轉 動 慣 量 ( 9 9 6 )AT K N M?： 氣 動 力 矩 ( 9 0 0 )BT K N M?： 剎 車 力 矩 ( 5 8 . 5 )FT K N M?： 摩 擦 力 矩 計算氣動力矩時，要用到風速。風速可以是定常的，也可以是時變的。 2 3 2 2 m11( , ) 1 .2 5 3 .1 4 0 .5 9 3 3 3 3 0 9 9 622ATT C V R KN? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 3. 2 k g / m?式 中 ： 空 氣 密 度 （ 15 ） ( , ) (0 . 5 9 3 )TC ?? ： 轉 矩 系 數(shù) : m /sV 風 速 （ 33 ） :mR 槳 葉 半 徑 （ 30 ） 0 1()n iTiiC a a?????? RV??? 式中： 0 1 na ,a,...,a 為多項式系數(shù)。通常是由風洞實驗得到轉矩曲線的某些具肯代表性的點，用 MATLAB 最小二乘曲線擬合程序對其進行擬合，得到式(3． 4)。 傳遞裝置的摩擦力矩為 213A CT C C ??? ? ? 式中： 1C , 2C , 3C 是常數(shù) 剎車機構最終作用在主動軸上。假定剎車力矩是剎車機構作用時間的函數(shù)。 開始時此力矩為最大，然后隨作用時間而線性的減少，當時間為 90s 時，變?yōu)槌?shù)，且為最大值的一半。這樣假設是考慮到剎車作用后的溫度效應。用來計 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 18 算該力矩的是一個分段函數(shù)： t2 902BTTT T??額 定額 定額 定 .2 模型分析 從上述結果可以得出以下結論； (1)時 間 延遲越長，轉子所達到的最大轉速越大，剎車時間相應也就越長。 (2)若通過剎車機構能使機組停 住 ，則剎車機構投入前的瞬 時 轉子轉速最大。 (3)當時間延遲大于一定值時，若沒有增加其它保護措施，則僅剎車機構不能使機組停下來，轉速將一直增加下去直至飛車損壞。 (4)風速越大，剎車時間相應也就越長；若到額定值以后，風速的大小與剎車時間的關系主要取決于機組的氣動設計。 誤差的存在是由于以下因素： (1)無論風速取的是風輪正前方 的值，還是風輪邊緣正前方均勻分布若干點的加權值，都不能代表實際的風速場。 (2)電機解列與剎車機構動作之間的延遲時間間隔不能準確測知。 (3)槳葉的氣動數(shù)據(jù)，如升力系數(shù)與阻力系數(shù)，也是誤差的來源之一。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 19 第四章 ABS 在風機機械剎車系統(tǒng)中的應用 ABS 簡介 ABS 技術在汽車工業(yè)中的應用已相當成熟，它縮短了剎車時間和剎車距離，減少了事故的發(fā)生。這種成熟的理論對于風力發(fā)電裝置中的剎車系統(tǒng)有一定的借鑒意義。汽車防抱死制動系統(tǒng) ABS(Anti— lock Braking System)可以在汽車制動過 程中 自動控制和調節(jié)制動力的大小。當車輪要抱死時降低制動力，而當車輪不會抱死時，又增加制動力，如此反復動作，防止車輪抱死，進而消除制動過程中的側滑、跑偏、喪失轉向能力等非穩(wěn)定狀態(tài)，以獲得良好的制動性能、操縱性能和穩(wěn)定性能。 ABS 的結構與工作原理 ABS 的基本工作原理是充分利用輪胎和地面的附著系數(shù)，主要采用控制制動力的方法，給各車輪施加最合適的制動力。 ABS 主要由輪速傳感器、電子控制 裝置 (ECU)和壓力調節(jié)器組成，除此之外，還有制動警告燈和防抱死警告燈等。 輪速傳感器 其作用是測出車輪的轉速，并 把速度信號送到電子計算機。輪速傳感器由傳 感頭和齒圈等組成。 電子控制裝置（ ECU） 電子控制裝置具有運算功能，接收輪速傳感器的交流信號，計算出車輪速 度、滑移率和車輪的加、減速度。把這些信號加以分析，對制動壓力發(fā)出控制 指令。電子控制裝置能控制壓力調節(jié)器，對其它部件還具有監(jiān)控功能。當這些 部件發(fā)生異常時，由指示燈或蜂鳴器給駕駛員報警，使整個系統(tǒng)停止工作，恢 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 20 復到常規(guī)制動方式。 壓力調節(jié)囂 壓力調節(jié)器的形式很多，有真空式、液壓式、機械式、空氣式、空氣液壓加 力式等。液壓式壓力調節(jié)器安裝在主缸 (總泵 )和輪缸 (分泵 )之間，主要任務是轉換 ECU的指令，并獨立于駕駛員執(zhí)行 ECU的命令。它接到 ECU的指令后，通過電磁閥的工作直接或間接地實現(xiàn)車輪制動器中壓力的調節(jié)。直接控制制動壓力的形式稱為循環(huán)式，間接控制制動壓力的形式稱為可變容積式。循環(huán)式壓力調節(jié)器的工作過程如下： 這種形式是在汽車原有制動管路中串聯(lián)進電磁閥直接控制制動壓力的增減。 (1)常規(guī)制動過程 常規(guī)制動時電磁閥不通電，主缸和輪缸是相通的，主缸隨時控制制動壓力的風力發(fā)電裝置剎車系統(tǒng)及偏航系統(tǒng)智能控制研究增減，這時液壓泵不需要工作。 (2)減壓過程 當電磁 閥通入較大電流時．主缸和輪缸的通路被截斷，輪缸和液壓油箱相通， 輪缸的制動液流入液壓油箱，制動壓力降低。與此同時驅動電動機啟動，帶動液 壓泵工作，把流回液壓油箱的制動液加壓后輸送到主缸，為下一個制動周期作好 準備，這種液壓泵叫再循環(huán)泵。它的作用是把減壓過程中輪缸流出的制動液送回 高壓端，這樣可以防止 ABS 工作時制動踏板行程發(fā)生變化。因此，在 ABS 工作過程中液壓泵必需常開。 (3)保壓過程 給電磁閥通入較小的電流時，所有的通路都被截斷，所以能保持制動壓力。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 21 (4)增壓過程 電磁閥斷電后，主缸和輪缸再次相遇，主 缸端的高壓制動液 (包括液壓泵輸出的制動 液 )再次進入輪缸，增加了制動壓力，增壓和減壓速度可以通過電磁 閥的進出油 口來 控制。 ABS 的型式 按照傳感器數(shù)量和控制通道數(shù)可將 ABS 系統(tǒng)分為如下幾種型式： 四傳感器四通道式 根據(jù)兩個傳感器信號分別控制汽車兩前輪，后輪可采用兩種方式進行控制。一是分別控制方式，另一個是將后輪的兩個傳感器的信號加以綜合處理后同時進 行控制的同步控制方式。 三傳感器三通道式 采用兩個傳感器分別控制汽車兩前輪，用一個傳感器 (裝于差速器上 )、同一 條液壓管路控制后輪 四傳感 器三通道式 采用兩個傳感器分別控制汽車兩前輪，把后輪的兩個傳感器信號加以綜合處 理后，用同一條液壓管路控制兩后輪。 四傳感器二通道式 采用兩個傳感器分別控制汽車兩前輪，根據(jù)后輪的兩個傳感器信號計算出基 準速度，利用對角前輪的制動液壓力控制后輪。 二傳感器二通道式 摩托車采用這種方式，因為摩托車前后輪具有獨立的液壓系統(tǒng)。這種方式?jīng)]有電子控制器，屬于機械式 ABS。 本文中在高低速軸上各裝了一個轉速傳感器，所以選用二傳感器二通道式。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 22 ABS 在剎車系統(tǒng)中的應用 前面介紹過風力發(fā)電機剎車系統(tǒng)主要有空氣 動力剎車與機械剎車組成，機械 剎車主要安裝在高速軸或低速軸上，一般在高速軸上。安裝在高速軸上的機械剎 車比空氣動力剎車更為重要。風機在停機狀態(tài)時，閘體在彈簧力作用下閘墊與圓 閘盤接觸，由于摩擦力作用在閘墊與圓閘盤上，使風機不能啟動；在無故障且風 速達到啟動風速時，液壓泵工作，當液壓壓力大于彈簧力時，上下閘體分別與圓 閘盤分離，風機自由旋轉。 高速軸設置剎車閘的最大弊端是：齒輪箱經(jīng)常過載，由于風輪制動時葉片不 連貫停頓。動態(tài)載荷使齒輪箱內齒與齒來回碰撞，從而使齒牙長期受彎曲應力， 造成齒輪箱的損壞。在冬季，風 速一般較高，經(jīng)常超出風機所能承受的風速范圍。 這樣需要風機經(jīng)常進行緊急剎車，從而產生巨大的慣性沖量，對齒輪箱、葉片及 剎車系統(tǒng)有“致命”的危害。 為大大減小齒輪箱所受的沖擊，避免齒輪箱受沖擊載荷損壞，可將剎車閘安 裝在低速軸上。但這樣就需要較大的剎車力矩，較大的剎車力矩又需要剎車閘的 尺寸大。較大的剎車閘尺寸會在安裝上有困難，較大的剎車力矩又對液壓系統(tǒng)的 密封性能提出了更高的要求。還有一可行的辦法是在液壓系統(tǒng)中添加阻尼管，使 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 23 剎車達到“柔性接觸”。添加阻尼管后，液壓缸反應時間延長，剎車片受到剎車彈簧的推力也 隨著液壓的減小而逐漸增大，這時剎車片的運動是一種變速運動。 本文是在高速軸與低速軸上各加一套剎車閘，在低速軸上添加液壓閘可避免剎車過硬，使風機的制動過程趨于勻減速運動，減小齒輪箱受到的沖擊，減少閘墊得更換，降低維護費用。當然，這種方式不是簡單的在低速軸上添加一套剎車閘，而是在借鑒汽車工業(yè)上所用的 ABS 的原理基礎上添加一套剎車閘，并借鑒 ABS 的控制原理進行控制。 剎車閘不同安裝位置剎車時受力分析 風機的剎車過程從能量轉換的角度看，是將旋轉部分 (風輪、齒輪、軸等 )的動能轉換成其它能量 (如剎車片與剎車盤磨擦 所產生的熱 )的過程。 變形能的大小實際上體現(xiàn)了應變的水平，根據(jù)廣義胡克定律，應變與應力成正比。剎車過程中，如果傳動系統(tǒng)產生的變形能集中在某一環(huán)節(jié)，則會引起局部應力過大，這對傳動系統(tǒng)的壽命是非常不利的。因此分析剎車過程中傳動系統(tǒng)受力的變化，對于剎車系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設計是十分必要的。 首先，假設低速軸、高速軸、是剛性的，轉子和發(fā)電機只有一個旋轉自由度，高速軸和低速軸按定傳動比變化。由于風輪轉子的轉動慣量遠遠大于低速軸、齒輪箱的傳動軸與高速軸的轉動慣量，因此在計算時可以忽略不計（發(fā)電機的轉動慣量大約是齒輪箱的 30 倍）。下面就在風力發(fā)電機不同的剎車閘安裝位置在剎車時的受力進行分析。 (1)安裝在低速軸 ? ? ? ? mT 9 0 2 3 . 5 + 5 2 . 1 8 1 . 2 = 9 1 9 . 2 8A B L A GT J N J K N? ?? ? ? ? ? ? ? ? (2)安裝在高速軸 ? ? ? ? mT = + 3 . 5 + 5 2 . 1 8 2 . 2 + 3 6 5 1 9 7 . 2 8A A G B HJ N J T N K N? ?? ? ? ? ? ? ? ? (3)分別安裝在低速與高速軸 ? ? ? ? mT 9 0 2 3 . 5 + 5 2 . 1 8 2 . 2 + 3 6 5 1 0 9 9 . 2 8A B L A G B HT J N J T N K N? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?式中： T:A 氣動力矩 （ mKN? ） N：齒輪箱傳動比為 5 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 24 BLT ：低速軸剎車力矩 m902KN? :BHT 高速軸剎車力矩 m36KN? AJ ：槳葉轉動慣量 2kg m? GEJ ：齒輪箱轉動慣量 2kg m? :GJ 發(fā)電機轉動慣量 2kg m? :? 角加速度 通過對剎車過程的受力分析，可以得出以下結論 (1)剎車閘安裝在低速軸上時，需要較大剎車力矩。這就需要剎車閘的尺寸 較大。但是剎車閘安裝在低速軸時，齒輪箱所受扭矩就較小。 (2)剎車閘安裝在高速軸上時，需要較小剎車力矩。這樣剎車閘的尺寸較小。 但是剎車鬧安裝在高速軸時，齒輪箱所受扭矩就較大。 (3)低速軸與高速軸都安裝剎車閘時，剎車力矩由兩個剎車閘分攤，就可以 減小低速軸剎車閘的尺寸，同時也降低了齒輪箱所受的扭矩。 剎車閘的選擇 及計算 由于風力發(fā)電機用制動器安裝在十幾米、幾十米高的塔架上的隨風而動的機艙內，維修很困難，應具有質量輕、制動力矩大、經(jīng)久耐用、制動可靠等特點。 常用的制動器類型有塊式制動器、帶式制動器、盤式制動器、標準塊式制動器，現(xiàn)代風機一般選用盤式制動器。這是因為盤式制動器具有以下的優(yōu)點： (1)制動力矩大，可調 范圍大，制動平穩(wěn)可靠，動作靈敏，維修方便 (2)頻繁使用時無沖擊，性能穩(wěn)定，散熱性好，安全。 (3)除塵和除水的性能好，制動盤上灰塵與水等污物易被制動盤甩掉。 (4)制動盤沿厚度方向變形量比制動輪的徑向變形小得多，易實現(xiàn)間隙小和磨損后的自動補償。 (5)轉動慣量小，質量輕，保養(yǎng)方便。 但是它也有以下缺點：制動村塊的摩擦面積小，比壓大，需要材質較好的制 動襯塊，且徑向尺寸較大，價格稍貴。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 25 剎車盤直徑 D 輪輞直徑為 15 = 取 367mm 制動盤直徑為 70%～ 79%輪輞直徑 即： ～ 取 270mm 制動盤厚度 h 選擇通風式剎車盤 h=25 ㎜ 摩擦襯塊外半徑 R內半徑 R