Experimental Analysis on Friction Characteristics of MW Wind Turbine Generator Yaw Braking System

风力发电作为可持续发展的清洁能源之一，近10年在我国得到了快速的发展^[1-2]。风电使用盘式制动器是从工业制动器演变而来，在前期的应用中出现了漏油、缸体开裂等各种问题^[3-4]。随着技术的发展，国内外液压制动器的可靠性均得到了极大的提升，但风电制动器具有高压锚定和低压偏航的运行工况，且制动性能与各制动器之间匹配、环境温湿度及对偶面工况等有较大关联，偏航制动过程中容易出现偏航噪声等问题，风电刹车的性能是未来制动系统主要研究及需要解决的问题。

制动是一个复杂的耦合系统，有众多研究人员从各角度分析了偏航系统的问题。文献[5-6]通过噪声产生的机理原因和偏航系统常见故障分析了偏航制动异响。文献[7-9]通过建立偏航系统扭振或摩擦制动系统模型等方式分析了失稳振动。文献[10-11]通过有限元方法分析得到了摩擦片接触面等效米塞斯阴历和温度分布曲线，得出了延长偏航制动器摩擦片使用寿命的方法。文献[12]研究了沟槽型表面织构尺寸及分布对摩擦噪声的影响。文献[13-15]研究了金属组元和有机负荷组元对刹车片摩擦性能的影响。

盘式制动器在汽车和工程领域都得到了较为广泛的应用，因此对盘式制动器刹车片也有较多的研究。文献[16]提出质量与刚度对摩擦噪声有较大影响，并研究了刹车片不同背板结构和摩擦材料对刹车噪声的影响。文献[17]通过试验方法，研究了不同速度和加速度下4种新旧刹车片材料的粘滞滑动特性和振动噪声之间的关系。文献[18]通过有限元和试验的方法验证了，相比于制动速度，制动时的接触角度对于噪声的产生起主要作用。文献[19]通过建立多自由度方程计算了摩擦力对制动机构自激振动的影响，为制动力与摩擦噪声之间的关系提出了新的计算模型。

但是，关于水平布置的盘式制动器摩擦性能与不同工况之间关系的研究文献较少，针对当前研究不足，文章展开了大量的制动试验，探究刹车片在不同工况下摩擦特性，通过试验结果的分析，从摩擦学角度揭示了风电刹车摩擦性能的主要影响因素及其规律。

本文采用风力发电机偏航刹车片试验机模拟真实制动工况，如图1所示。该试验台运用稳定的液压驱动技术和现代测量测控技术可完成不同速度（5～19 mm/s）、不同压力（1～20 MPa）的动摩擦系数、静摩擦系数、摩擦盘温度和摩擦制动力矩等项目的测试。其中液压驱动采用CHBT-60T型压力传感器，精度满足1.0级；温度检测采用K型热电偶，准确度为二等；声音采集使用GM1351型声级计，满足二级精度要求；振动测量采用TM63B型测振仪，精度误差为±5%。

Figure 1.  Disc brake friction test bench

风电偏航刹车片的实际应用工况复杂，刹车材料本身就有瞬时性的特点，且单次制动具有偶然性、随机性，因此，多次连续制动的可靠性参考价值更大^[20]。本文试验中，会采用丙酮擦拭摩擦对偶件表面，保证对偶件表面无油污、杂质；按照一般偏航工况要求进行磨合试验，使摩擦片与对偶面贴合面达到80%以上。考虑到实验场所存在试验台电机、液压机及其他噪声，为保证得到准确的制动噪声数据，需要去除环境噪声影响。

本文通过噪声减法公式计算得到更为精确的A声级^[21]，计算公式如下：

式中：

L_PS ——被测噪声声级（dB）；

L_P0 ——本地噪声声级（dB）；

L_P ——噪声等效连续A声级（dB）。

通过多次测量和试验，得出背景噪声为56.7 dB。

1）不同材料对偶件摩擦特性试验方案

刹车片对偶件材料其自身理化和机械特性的区别，致使在相同粗糙度、平面度和硬度的情况下，同种刹车片同种试验条件下会有不同的摩擦特性。本文选取Q355NE、QT400和42CrMo 3种制动盘进行有机复合材料摩擦特性试验研究，主要研究同种刹车片在不同对偶材料上的动、静摩擦系数、噪声和振动。试验制动声音时，将声级计的拾音头置于被测制动器正上方0.5 m处，如图2所示，每隔1 h连续测量10个制动周期，并记录每次最大值；进行震颤测试时，将振动仪置于被测制动器平面处，记录试验台颤振值，滑动后，每隔1 h连续测量10个制动周期，并记录每次最大值；静摩擦试验时，按静摩擦系数试验要求设定管路压力，使制动管路压力达到额定值，启动推力系统并逐渐增加推动力，制动20次，记录制动器被推动瞬间摩擦力最大值；动摩擦试验时，按动摩擦系数试验要求设定管路压力、滑动速度、试验次数。

Figure 2.  Schematic diagram of friction noise test

2）同种对偶件的刹车材料擦特性试验方案

不同厂家风力发电机组偏航制动器运行压力一般为1～21 MPa，运行速度为9～18 mm/s，需探究同种对偶件材料下，不同制动压力及速度的摩擦特性，本文从实际工况出发研究了同种机复合材料刹车片在Q355NE制动盘上进行拖磨时的摩擦特性。在完成刹车片磨合保证80%以上的贴合度后，制动压力分别维持在2.5 MPa、6 MPa、16 MPa和18 MPa下进行9 mm/s速度的摩擦特性研究。为研究不同速度时不同摩擦特性，使制动压力维持在2.5 MPa，分别采用9 mm/s、12 mm/s、15 mm/s和18 mm/s的拖磨速度进行研究。

3）不同温度条件下刹车材料擦特性试验方案刹车片长时间在对偶件上带压摩擦时会产生热量，致使对偶件温度升高影响刹车片摩擦特性。为研究不同温度下刹车片摩擦特性的变化特性，设计特殊的Q355NE制动盘：在制动盘中间打孔，在两端管路中可通入/流出冷却液体，达到冷却制动盘的目的，如图3所示。

Figure 3.  Schematic diagram of temperature control test bench for dual components

实验时，控制拖磨速度为9 mm/s，分别测试制动压力为2.5 MPa、6 MPa、16 MPa和18 MPa时的摩擦特性，并且每个压力下做2组实验，一组实验不通冷却液进行拖磨，一组实验通入循环冷却液使制动盘保持常温进行拖磨实验。

在同样的制动工况下，在相同的表面参数要求下，不同材料对偶件本身的特性会影响摩擦性能的表现。本文从风力发电机组实际应用出发，选用了常用的Q355NE、QT400和42CrMo 3种制动盘进行同种尺寸和同批次有机复合材料摩擦特性试验研究。其中所有制动盘表面平面度为0.15，表面粗糙度为3.2～6.4。在室温下，测定了18 MPa下静摩擦系数；测定了在2.5 MPa、9 mm/s速度下，不少于5 000次拖磨的动摩擦系数、噪声和振动，获得结果如图4所示。

Figure 4.  Friction characteristics of different dual materials

从图4(a)可以看出，在同等工况条件下，无论哪种材料制动盘，初始时的动摩擦系数较小，需要运行到2 000～3 000次摩擦系数才能趋于稳定，这是由于前期摩擦片与制动盘贴合度不达标引起的，因此在新机组运行时，制动系统需要经过一个磨合阶段才能到达相应的制动力矩要求。

根据图4(a)和图4(b)稳定后摩擦系数表现，可以发现QT400制动盘的动、静摩擦系数均比其他两种材料大。摩擦因数的大小由微观摩擦面积、黏着效应和犁削效应等情况决定，QT400相对较其他两种材料较软，刹车片与制动盘接触的微观摩擦面积最大，摩擦系数较大；而42CrMo相对表面组织最细密，对偶件之间不易形成较大接触面，致使摩擦系数相对较小。

根据图4(c)和图4(d)显示结果，不同材料的振动与噪声值数值上有一定区别，但在趋于稳定状态后数值区别不大。这是由于振动和噪声主要由刹车片摩擦组分其重要决定作用，相对来说对偶件材料种类的影响因素较小，其中噪声在前期会比较大是因为摩擦片与对偶件尚处于磨合阶段，在运行稳定后噪声值基本处于一致水平。

在风力发力发电机偏航制动系统中，不同机型的制动参数设置上往往存在一定差异。在完成摩擦片磨合实验后，根据风力发电机组常用压力和滑动速度，对同等速度下不同压力的动摩擦系数和同等压力下不同滑动速度进行了动摩擦系数测定。

根据图5(a)可以看出，动摩擦系数受压力影响较大且压力越大动摩擦系数越小：在低压状态下动摩擦系数能保持在0.37～0.4，当达到高压状态时，动摩擦系数骤降至0.26～0.27。有机复合材料在微观层面上是多孔性质的，当压力增大时，压平了配合件之间的波峰、波谷，虽然增加了微观摩擦面积，但是降低了两者间的犁削效应致使了摩擦系数的降低。

Figure 5.  Dynamic friction coefficient under different pressures and velocities of the same dual component

根据图5(b)对比可知，拖磨速度对动摩擦系数的影响较小：速度最低时，动摩擦系数最高，随着速度的增加，动摩擦系数会存在一定的下降。在同等压力下是黏着效应起主要作用，在越高的速度下，对偶件之间相互“嵌入”更少，造成了摩擦系数的降低。

在风机运行中，当风向与机头存在较大偏差角度时，会存在长时间偏航工况，图6为研究低速、重载情况下刹车片的摩擦特性。根据数据显示，刹车片动摩擦系数有如下共性：

Figure 6.  Friction characteristics of brake pad materials at different temperatures

1）无论在何种压力下，随着对偶件之间温度升高，动摩擦系数均是呈下降趋势，而且温度越高摩擦系数降低幅度越大。

2）在保证对偶件温度处于室温状态时，能获得更高的动摩擦系数。

根据摩擦学理论，摩擦运行会造成动能转换成热能，摩擦副表面温度上升会使得黏着力下降起主导作用，摩擦因数减小。

但是根据图6(a)显示，在低压状态下需要相对较长时间运行才会达到温度的平衡，而且在不超过120 ℃时，摩擦副温度不会明显影响摩擦因数大小。

1）针对风电常用的制动盘材料中，不同材料制动盘和有机复合材料组成的摩擦副有不同的动、静摩擦系数，同等工况下有10%～20%的系数差别，在满足机组特性的基础上，风电机组设计人员应选择能提供更高制动力矩的制动盘材料。低压运行时的振动与噪声主要由刹车片材料决定，对偶件材料影响因子较小。

2）制动压力和拖磨速度对有机复合材料摩擦系数有较大影响，其中压力对摩擦系数影响较大且压力越大摩擦系数越小，所以实际应用中不能仅通过提高压力来提高制动力矩。在同等压力下，拖磨速度越大摩擦系数越小，机组设计人员应以整体思维考虑驱动和制动参数的匹配关系。

3）无论何种压力下摩擦副的温度对摩擦系数均有较大影响，并且压力越高温度的影响因素占比越大。因此，在偏航控制逻辑中应避免高压下的长时间滑动，不仅会造成制动力矩的降低，并且在高压、高温下刹车片表面更容易形成釉质层，出现噪声或摩擦系数的永久性损失。

偏航制动系统中的制动盘材质、高压制动压力、偏航压力、速度和时间均与制动力矩存在着相互影响和制约的关系，应结合有机复合材料与机组的特性，选择合适的参数以满足机组运行要求。

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