2024年5月4日发(作者：)

龙源期刊网

偏航制动器有效制动半径的离散计算方法

作者：冯博 韩德海 史天宝

来源：《CAD/CAM与制造业信息化》2014年第05期

液压制动器是风电机组偏航系统普遍选用的制动部件，实际制动接触区域的形状和尺寸影

响有效制动半径的大小。复杂的实际结构导致难以使用解析法进行计算，本文使用Tcl语言对

HyperMesh进行二次开发，创新地提出了计算有效制动半径的离散计算方法。

一、引言

风电机组的偏航系统选用钳盘式液压制动器，制动摩擦力在制动接触面内均匀分布，制动

区域的具体形状和尺寸决定了有效制动半径的大小。偏航制动盘为直径达2～5m的环盘，而

偏航制动器设计为矩形结构，实际的制动接触区域既非理想的扇形也非完整的矩形。由于该区

域形状复杂，难以用解析法进行描述，因此无法计算有效制动半径。

图1的阴影填充部分是在三维装配模型中提取出的某型号风电机组每个偏航制动器摩擦片

的实际制动接触区域。该面域的边界包含了制动器摩擦片的倒角、排屑槽等结构，以及制动盘

边缘的投影。

为了获得准确的有效制动半径数值，本文借助CAD和有限元前处理的二次开发，将面域

进行离散化，提取相关数据，通过数值方法进行了计算。

二、有效制动半径的计算公式

根据一般工程计算的思想，偏航摩擦力矩由摩擦力和有效制动半径确定（公式1），摩擦

力决定于制动器的夹紧力和摩擦副的摩擦系数（公式2）。

M=Fbrade×Rclap（公式1）

Fbrake =Rclap×μ（公式2）

其中， M为偏航摩擦力矩； Fbrake为偏航摩擦力； Rclap为有效制动半径； Fbrade为制

动器夹紧力； μ为摩擦系数。

考虑各作用力的面分布特性，偏航摩擦力矩又可以表述为——制动微元产生的摩擦力与其

制动半径的乘积在制动接触面积内的积分，如公式3和图2所示。

若将制动接触面域划分为有限个面单元后，依次输出每个单元的面积 Ai、中心节点的

xi、yi坐标（图3），则可以按公式5计算有效制动半径值。

龙源期刊网

三、离散算法的实现

实际制动接触面域在CAD和有限元前处理软件中的坐标变换传递和网格划分的过程易于

理解，在此不加赘述。该算法实施的难度主要在于单元信息的输出，因为有限元软件中一般不

提供此类信息的批量输出和计算，需要通过二次开发来实现。本文使用Tcl语言在HyperMesh

中进行二次开发，实现上述算法。

脚本程序中主要用到以下命令和数据名称。

（1）赋值命令set，用于定义变量和给变量赋值。

（2）求值命令expr，用于引用变量进行数学运算。

（3）循环结构for，用于遍历单元，逐个读取面积、节点坐标等信息。

（4）元素添加命令lappend，用于将查询到的单元信息存入list变量。

（5）文件操作命令open和输出命令puts，用于将单元信息输出。

（6）HyperMeshQuery API函数hm_count，用于查询数据库中的单元数量。

（7）HyperMesh Query API函数hm_getentityvalue，用于查询单元信息。

（8）HyperMesh数据库访问专用Data Names：单元elements、单元面积area、单元中心

节点的 x坐标centerx、单元中心节点的y坐标centery。

含详细注释的脚本程序如下。

在HyperMesh中为制动接触面域划分好面网格后，需执行单元重编号（Renumber）命令

保证网格划分过程中无重复编号且单元编号从1开始，并需要为单元设置（Assign）材料和单

元属性以保证查询命令的有效执行。

网格模型满足条件后，通过运行上述脚本程序，可直接输出当前机组偏航系统的制动接触

面积和安装尺寸所对应的有效制动半径值。

四、某风电机组计算实例

使用上述算法对某风电机组的偏航系统进行了计算（表），有效制动半径计算数据表展示

了程序输出的部分数据，并描述了程序中各变量的关系。

龙源期刊网

通过减小单元尺寸，增加单元数量，可以获得更准确的有效制动半径值。本文实例机组的

计算结果收敛性如图4所示。可见当单元边长取为4mm时，计算结果已经有足够高的精度，

而网格数量仅为1400左右，具有最高的计算经济性。

工程计算中，往往将摩擦片宽度中心线到回转轴线的距离作为制动半径，从本例离散计算

的结果来看，实际有效制动半径稍大于工程简化方法所取的值。

五、结语

通过引入有限元的离散计算思想，可以将难以解析计算的积分问题转化为数值计算问题，

通过灵活运用有限元前处理软件和二次开发工具，此类问题可被方便地求解。通过三维装配获

取精确的制动接触区域，通过离散算法求得准确的有效制动半径，可提高制动力矩、磨耗寿命

等相关工程问题的计算精度。