自动卸压的液压阀集成单元

1 概述

本文“自动卸压的液压阀集成单元”是用于定桨矩风力发电机组的空气动力制动系统的液压系统中[1]。当风力发电机组失速时它可以使风力发电机组的转速降下来保证风机的安全。

对于定桨矩风力发电机组而言，其风轮的叶片由主体部分和叶尖部分组成，叶尖部分可以绕一纵向轴（叶尖轴）旋转90°，该旋转部分称为叶尖扰流器，它通过不锈钢丝绳与液压系统中的液压缸的活塞杆连接，当风电机组处于正常运行状态时，液压缸的活塞杆在油压的作用下通过不锈钢丝绳拉紧叶尖扰流器，使叶尖部分与叶片主体部分精密地组合为一体[2]，形成一个完整的叶片，当风机的风轮失速而需要紧急制动时，液压缸中的油压必须能够快速自动泄掉，使叶尖部分在其离心力和弹簧力的作用下迅速旋转90°形成一个阻尼板，以使风机快速减速，保证风机的安全。

当前国内很多定桨矩风电机组，其控制叶尖扰流器的液压系统中设置了一个超压爆破阀门，当驱动叶尖扰流器的液压缸中的油压自动迅速升高到使爆破阀门的金属膜片破裂时，液压缸中油压才能迅速泄掉，从而使叶尖扰流器阻尼板打开，则风机快速减速，确保安全[3]。然而这种阀的缺点是一次性不可重复使用的，此外，其爆破压力又是不可调节的，这种阀尚未见到有国产件。针对这种情况，作者设计研制了一个带有微型蓄能器的液压阀集成单元，它完全可替代上述的超压爆破阀门。

图1 液压阀集成单元外型图

2 液压阀集成单元的构成及工作原理

本单元由底块F、先导式卸荷阀A、微型蓄能器B、测压接头C和螺纹插装式截止阀D等构成，这些元件被安装在一个底块F上。图1表示了该单元的构成和外形。

图2为该液压阀集成单元的工作原理图。由图2可见，P口与驱动扰流器的液压缸的高压腔（图中未表）连通，高压油分成两路，一路经单向阀6，到卸荷阀A的柱塞7的左腔并进入蓄能器B中，另一路通过主阀芯1的阻尼孔2到先导阀3的左腔（也是柱塞7的右腔），当驱动叶尖扰流器的液压缸高压腔的油压升高，但尚未达到调压弹簧4设定的压力值时，此时先导阀3未开启，主阀芯1在复位弹簧力的作用下处在关闭状态，同时柱塞7的左右两端压力相等，它处在一个液压平衡状态，当液压缸高压腔的油压上升（风机失速时）达到高于调压弹簧4的调定压力值时，此时先导阀3开启，高压腔的油液经主阀芯1的阻尼孔2到先导阀3的阀口流回O腔，由于油液通过阻尼孔2的流动，则在主阀芯1上下两端产生了压力差，因此使主阀芯1开启，此时于柱塞7左右两端也产生了压力差且柱塞7的有效作用面积设计成大于先导阀3的有效作用面积，则柱塞7额外施力于先导阀3，其力又大于调压弹簧4的调定压力值，这样就加大了先导阀3的开口量，从而使主阀芯1的开口量增至最大，此时高压腔的油就在无压下泄流了。由于进入蓄能器B中的液压油被单向阀封死，它始终保持高压，则柱塞7额外的作用力也一直存在，因此主阀芯1的开口量保持最大，这样，就达到了液压缸高压腔油无压泄流的目的，从而使叶尖扰流器阻尼板打开，则风机快速减速，确保安全。

当打开截止阀D放掉充入蓄能器B中的油，则卸荷阀A复位。

图2 液压阀集成单元工作原理图

3 蓄能器的选取

本液压阀集成单元中的蓄能器作为一个辅助动力源[4]，其作用是给柱塞7左端提供大于调压弹簧的力，并要始终保持。在选取蓄能器容积时要在满足保压的要求情况下尽量的小，以减轻液压阀集成单元的重量。

这里蓄能器各参数选为：

蓄能器容积：V0=0.075L

最高工作压力：Pmax=25Mpa

充气压力：P0=10Mpa（绝对压力）

系统最高工作压力：P2=16Mpa（绝对压力）

系统最低工作压力：P1=14Mpa（绝对压力）

绝热指数：K=1.4

则蓄能器可利用的油液容积ΔV为：

5.5 ml的油液足够补充单向阀和柱塞可能的实际泄漏量，从而能保持柱塞7左端的压力。自动卸压的液压阀集成单元通过卸压将风机叶尖扰流器的阻尼板自动打开，使风机自动减速制动，叶尖部分与叶片主体部分精密地组合为一体，形成一个完整的叶片，当风机的风轮失速时能够实现紧急制动。本液压阀集成单元通过以上实验参数的计算[5]，根据实际需要可以实现多种型号的液压阀集成单元组合，本液压阀集成单元经现场多次实验证明工作安全可靠。

4 液压阀集成单元的试验

图3 试验的液压系统图

本液压阀集成单元是在高校液压实验室搭建的实验平台，查询了液压工程手册后为了能够更好的达到实验目的选取与实验台相匹配液压元件，其中包括液压泵、溢流阀、蓄能器以及插装阀等液压元件，为了能够更好的达到实验目的即使风机的转速快速地降低，试验中多次实验由泵5向液压缸充液，之后停泵，再用手动泵加压，直到卸荷阀打开，使液压缸高压腔卸压。实验参数最后确定蓄能器容积：V0=0.075L，最高工作压力Pmax=25Mpa，充气压力为P0=10Mpa（绝对压力），系统最高工作压力P2=16Mpa（绝对压力），系统最低工作压力P1=14Mpa（绝对压力），蓄能器可利用的油液容积ΔV为5.5mL。通过实际情况的不断改变和数据计算得出的试验结果表明自动卸压的液压阀集成单元能够快速卸压，卸压时间小于0.2秒，满足实际的需要。

5 结论

（1）本液压阀集成单元是一个自动安全保护装置，当风电机组的风轮超速或液压系统失压出现故障时，通过该装置的卸压将风机叶尖扰流器的阻尼板自动打开，使风机自动减速制动，经实验证明工作安全可靠。

（2）与超压爆破阀门相比，本液压阀集成单元能重复使用，且卸荷压力可以方便调节。

（3）本单元结构紧凑新颖，工作可靠，加工制造和安装容易，国内外尚属少见。

（4）本单元可以扩大应用范围，用于有压容器完全卸压的领域。