CN112303157A - 一种风机偏航制动系统的状态监测装置及监测方法 - Google Patents

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李萌
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Abstract

本发明公开了一种风机偏航制动系统的状态监测装置及监测方法，属于风力发电机组技术领域。本发明通过超声波探头的设置，获取超声波从发出到接收的时间差，计算制动片的实时厚度和制动片的实时磨损量，基于制动片的实时磨损量和制动片‑制动盘的相对耐磨性曲线，计算出制动盘的实时磨损量；能够实时获取制动盘的磨损量，以此判断偏航制动系统的运行状况，便于合理评估和安排运维工作，减少停机时间和发电量损失；另一方面，对于不同材质的制动盘、制动片，只需在单片机MCU程序中选择相应型号、材质，即可获取对应材质的制动盘的磨损量，本发明结构简单、通用化程度高。

Description

一种风机偏航制动系统的状态监测装置及监测方法
技术领域
本发明属于风力发电机组技术领域，尤其是一种风机偏航制动系统的状态监测装置及监测方法。
背景技术
风力发电机在正常运行中，需要根据风向的变化及时调整风轮的朝向，以保证正面对向来风方向，实现此功能的是风力发电机的对风装置或者偏航系统。偏航系统在调整机舱朝向正对来风方向后，要及时制动，并在风机正常运行中保证偏航系统稳定，制动盘与制动片要保持足够的摩擦力。
但在长期运行中，由于两者之间的磨损会造成制动盘、制动片减薄，减薄达到一定程度后，可能发生制动过程中的压紧力不足，在风机运行中发生偏航系统滑动，风机偏航系统对风方向不准确等，从而影响风机正常运行并可能造成风机设备损坏等重大设备安全隐患。而进行风机停机检查会造成电量损伤，且部分风机由于结构原因，对制动盘及制动片进行直接测量较为困难，运行人员难易及时了解到偏航制动系统的健康状况。
发明内容
本发明的目的在于克服风机运行过程中，对制动盘及制动片进行测量较为困难，难易实时获取偏航制动系统的运行状况的缺点，提供一种风机偏航制动系统的状态监测装置及监测方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种风机偏航制动系统的状态监测装置，包括两个制动卡钳，两个制动卡钳均通过液压管路连接有液压站；
两个制动卡钳上分别设有制动片，两个制动片之间设有制动盘，制动卡钳上贯穿有面向制动片的超声波探头；
超声波探头通过信号传输线与信号采集处理模块相连，信号采集处理模块与单片机相连；
所述单片机的FLASH中存储有制动片-制动盘的相对耐磨性曲线；
所述单片机用于根据超声波从发出到接收的时间差，计算出制动片的实时厚度和制动片的实时磨损量，基于制动片的实时磨损量和制动片-制动盘的相对耐磨性曲线，计算出制动盘的实时磨损量；
所述制动卡钳用于通过制动片对制动盘施加压力，从而形成摩擦制动力矩，进行风机的偏航制动；
当信号采集处理模块发出高频信号时，超声波探头能够产生超声波，超声波经制动片与制动盘的介面反射后被超声波探头的压电晶片接收，压电晶片产生电信号经信号经采集处理模块的放大调理后进入单片机。
进一步的，超声波探头与制动片之间填充有柔性材料。
进一步的，所述液压站的出口处设有压力传感器。
进一步的，所述压力传感器通过信号传输线与信号采集处理模块相连。
进一步的，制动卡钳上设有用于测量制动片温度的测温传感器。
进一步的，所述测温传感器通过信号传输线与信号采集处理模块相连。
进一步的，所述单片机的FLASH中存储有多个型号的制动片的波速-温度曲线；
所述单片机用于根据制动片的实时温度，对应波速-温度曲线，得到对应的波速。
本发明的监测方法，包括以下操作：
信号采集处理模块发出高频信号，超声波探头产生超声波，超声波经制动片与制动盘的介面反射后被超声波探头的压电晶片接收，压电晶片产生电信号经信号经采集处理模块的放大调理后进入单片机；
所述单片机根据超声波从发出到接收的时间差，计算出制动片的实时厚度和制动片的实时磨损量，基于制动片的实时磨损量和制动片-制动盘的相对耐磨性曲线，计算出制动盘的实时磨损量。
进一步的，单片机根据制动片的实时温度，基于波速-温度曲线，计算对应的波速；
所述单片机基于所述波速计算超声波从发出到接收的时间差，计算出制动片的实时厚度和制动片的实时磨损量，基于制动片的实时磨损量和制动片-制动盘的相对耐磨性曲线，计算出制动盘的实时磨损量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的风机偏航制动系统的状态监测装置，通过超声波探头的设置，获取超声波从发出到接收的时间差，计算制动片的实时厚度和制动片的实时磨损量，基于制动片的实时磨损量和制动片-制动盘的相对耐磨性曲线，计算出制动盘的实时磨损量；能够实时获取制动盘的磨损量，以此判断偏航制动系统的运行状况，便于合理评估和安排运维工作，减少停机时间和发电量损失；另一方面，对于不同材质的制动盘、制动片，只需在单片机MCU程序中选择相应型号、材质，即可获取对应材质的制动盘的磨损量，本发明结构简单、通用化程度高。
进一步的，超声波探头与制动片之间填充有柔性材料，能够减少超声波通过超声波探头-制动片界面时的能量损失。
进一步的，压力传感器的设置能够实时监控液压站的出口处的压力。
进一步的，测温传感器的设置能够实时监控制动片的温度变化。
进一步的，单片机基于制动片的实时温度和制动片的波速-温度曲线，为制动片的波速变化进行补偿，减小因温度变化导致波速在制动片内变化带来的误差。
本发明的风机偏航制动系统的状态监测装置的监测方法，能够计算出制动盘的实时磨损量；能够实时获取制动盘的磨损量，以此判断偏航制动系统的运行状况。
进一步的，单片机还提供温度补偿的作用，减小因波速随温度波动带来的计算误差，使得计算结果更加精确。
附图说明
图1为本发明的装置的结构示意图。
其中，1-制动卡钳；2-超声波探头；3-制动片；4-制动盘；5-信号传输线；6-液压管路；7-压力传感器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，图1为本发明的结构示意图，本发明的风机偏航制动系统的状态监测装置，包括制动卡钳1、超声波探头2、制动片3、制动盘4、测温传感器、压力传感器7、信号采集处理模块和单片机。
偏航系统为主动式偏航制动，通过制动卡钳1上下两侧的制动片3对制动盘4施加压力，从而形成摩擦制动力矩，进行风机的偏航制动。
超声波探头2紧贴制动片3的背面安装，超声波探头2表面通过柔性材料与制动片3表面紧密无缝接触，以减少超声波通过超声波探头2-制动片3界面时的能量损失。超声波探头2和测温传感器通过信号传输线5接至信号采集处理模块。测温传感器用于实时监测制动片3的温度，根据制动片3温度可以实时补偿温度变化导致的超声波在制动片3中的波速变化。压力传感器7安装在液压管路上，用来测量制动卡钳液压压力并将信号发送到信号采集处理模块。
制动片3中的超声波的波速，与制动片3材料的弹性模量、密度、泊松比有关。随着温度的变化，这些参数都将发生变化。为了提高测量精度，有必要对温度引起的波速变化进行补偿。通过试验测定了不同温度下的常用型号制动片的波速，采用指数拟合后，最大相对误差和最大绝对误差值最小，将拟合曲线内置到单片机中，便于补偿计算。
信号采集处理模块包括超声波发射电路、接收放大调理电路，由发射电路发生高频信号激励探头，产生超声波，脉冲波经制动片3与制动盘4的介面反射后被超声波探头的压电晶片接收，产生电信号经接收放大调理电路处理后送入单片机；
单片机基于超声波从发出到接收的时间差，通过以下公式(1)测出制动片3的厚度：
D＝VT/2 (1)
式中，D为制动片厚度，V为制动片中的波速，T为超声波从发出到接收的时间差。
对于确定型号、材料的制动片-制动盘组合，两者相互摩擦造成的磨损量存在对应关系，称为相对耐磨性，相对耐磨性的为公式(2)，
εA＝WA/WB (2)
式中，WA为制动片的积磨损量，WB为制动盘的积磨损量。
通过试验将各种制动片-制动盘组合的相对耐磨性内置入单片机的FLASH中，可以根据制动片的磨损量计算得到制动盘的磨损量。
本发明的监测方法，包括以下操作：
信号采集处理模块发出高频信号，超声波探头产生超声波，超声波经制动片与制动盘的介面反射后被超声波探头的压电晶片接收，压电晶片产生电信号经信号经采集处理模块的放大调理后进入单片机；
所述单片机根据超声波从发出到接收的时间差，计算出制动片的实时厚度和制动片的实时磨损量，基于制动片的实时磨损量和制动片-制动盘的相对耐磨性曲线，计算出制动盘的实时磨损量。
进一步的，单片机根据制动片的实时温度，基于波速-温度曲线，计算对应的波速；
所述单片机基于所述波速计算超声波从发出到接收的时间差，计算出制动片的实时厚度和制动片的实时磨损量，基于制动片的实时磨损量和制动片-制动盘的相对耐磨性曲线，计算出制动盘的实时磨损量。
将单片机接入到计算机监控系统，可以实时监测制动片、制动盘磨损量、制动温度，并进行累计分析，根据磨损曲线，在磨损速率较为平稳的稳定磨损阶段设备状况通常较好；当磨损速率快速上升时，表面进入了剧烈磨损阶段，材料表面质量恶化，制动盘、制动片可能快速失效，本发明的装置均可以发出预警。当偏航制动时，制动卡钳液压压力值不能达到设定值或压力值超高，或在制动片的温度高于正常制动时温度值，均会发出报警信号。
本发明的装置结构简单、通用化程度高，对于不同材质的制动盘、制动盘或更换制动盘、片的情况，只需在单片机程序中选择相应型号、材质的磨损系数，即可满足不同机型的风力发电机组使用需求。通过在线实时测量，可以了解偏航制动系统的运行状况，合理评估和安排运维工作，减少停机时间和发电量损失。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种风机偏航制动系统的状态监测装置，其特征在于，包括两个制动卡钳(1)，两个制动卡钳(1)均通过液压管路(6)连接有液压站；
两个制动卡钳(1)上分别设有制动片(3)，两个制动片(3)之间设有制动盘(4)，制动卡钳(1)上贯穿有面向制动片(3)的超声波探头(2)；
超声波探头(2)通过信号传输线(5)与信号采集处理模块相连，信号采集处理模块与单片机相连；
所述单片机的FLASH中存储有制动片-制动盘的相对耐磨性曲线；
所述单片机用于根据超声波从发出到接收的时间差，计算出制动片(3)的实时厚度和制动片(3)的实时磨损量，基于制动片(3)的实时磨损量和制动片-制动盘的相对耐磨性曲线，计算出制动盘(4)的实时磨损量；
所述制动卡钳(1)用于通过制动片(3)对制动盘(4)施加压力，从而形成摩擦制动力矩，进行风机的偏航制动；
当信号采集处理模块发出高频信号时，超声波探头(2)能够产生超声波，超声波经制动片(3)与制动盘(4)的介面反射后被超声波探头(2)的压电晶片接收，压电晶片产生电信号经信号经采集处理模块的放大调理后进入单片机。
2.根据权利要求1所述的风机偏航制动系统的状态监测装置，其特征在于，超声波探头(2)与制动片(3)之间填充有柔性材料。
3.根据权利要求1所述的风机偏航制动系统的状态监测装置，其特征在于，所述液压站的出口处设有压力传感器(7)。
4.根据权利要求3所述的风机偏航制动系统的状态监测装置，其特征在于，所述压力传感器(7)通过信号传输线(5)与信号采集处理模块相连。
5.根据权利要求1所述的风机偏航制动系统的状态监测装置，其特征在于，制动卡钳(1)上设有用于测量制动片(3)温度的测温传感器。
6.根据权利要求5所述的风机偏航制动系统的状态监测装置，其特征在于，所述测温传感器通过信号传输线(5)与信号采集处理模块相连。
7.根据权利要求5所述的风机偏航制动系统的状态监测装置，其特征在于，所述单片机的FLASH中存储有多个型号的制动片(3)的波速-温度曲线；
所述单片机用于根据制动片(3)的实时温度，对应波速-温度曲线，得到对应的波速。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的风机偏航制动系统的状态监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下操作：
信号采集处理模块发出高频信号，超声波探头(2)产生超声波，超声波经制动片(3)与制动盘(4)的介面反射后被超声波探头(2)的压电晶片接收，压电晶片产生电信号经信号经采集处理模块的放大调理后进入单片机；
所述单片机根据超声波从发出到接收的时间差，计算出制动片(3)的实时厚度和制动片(3)的实时磨损量，基于制动片(3)的实时磨损量和制动片-制动盘的相对耐磨性曲线，计算出制动盘(4)的实时磨损量。
9.根据权利要求8所述的监测方法，其特征在于，单片机根据制动片(3)的实时温度，基于波速-温度曲线，计算对应的波速；
所述单片机基于所述波速计算超声波从发出到接收的时间差，计算出制动片(3)的实时厚度和制动片(3)的实时磨损量，基于制动片(3)的实时磨损量和制动片-制动盘的相对耐磨性曲线，计算出制动盘(4)的实时磨损量。
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