基本信息
- 项目名称：
- 风力发电机刹车元件摩擦系数测量装置
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 能源问题是全球普遍关注的焦点，新能源日渐受到人们更多的关注。风能作为一种环保能源，在新能源领域的地位也越来越突出，风力发电技术也随之发展起来。 风力发电机的安全稳定运行对电力系统的稳定、国民经济的发展具有重要意义。风力发电机中机械刹车装置已成为风力发电机安全运行的瓶颈。在进行机械刹车装置的设计时，最主要的参数是刹车元件的滑动摩擦系数。但在我国目前还没有完善的资料供设计人员参考。为解决此问题，本课题依据国内相关标准，设计制作了“风力发电机刹车元件摩擦系数测量装置”。测量装置通过直流调速电机和滑枕丝杠结构，模拟风力发电机高速轴刹车时高速重载的复杂工况；利用光电传感器采集主轴的转速信号，利用压力传感器测量压紧力和摩擦力信号，并通过数据采集卡将采集的信号传送至电脑；开发了数据采集分析软件对数据进行处理、计算，得到材料摩擦系数f与压紧力F、相对滑动速度V、时间t之间的关系。 测量装置为基于虚拟仪器思想开发的光机电一体化系统，能够得到不同工况下风力发电机刹车元件的摩擦系数。装置运行稳定、数据一致性好，具有广阔的应用和推广前景。
- 详细介绍：
- 风能发电是目前国际研究的热点，更是我国可再生能源的重要发展领域。风力发电机刹车装置是风力发电机重要部件，研究其刹车元件的摩擦系数和摩擦性能对于风力发电机的设计维护有重要的意义。 据查新报告显示，在风力发电这一领域，有关风力发电机刹车元件摩擦系数的测量研究尚属空白。国内针对风力发电机刹车元件摩擦系数测量的研究少之又少。一些文献涉及到风力发电机刹车系统或刹车装置的研究，未提及对刹车元件摩擦系数的测量；还有一些专利文献是关于摩擦系数测试装置的研究，但没有针对风力发电机专用刹车材料的摩擦系数的测量。目前，我国风力发电机的设计参数不完善，工作人员一般参考国外资料来查取刹车元件的摩擦系数，按经验估算风力发电机中刹车元件的寿命。而国内摩擦系数测量装置大都只用于低速轻载的场合，并不适用于风力发电机刹车装置的特殊工况，不能为风力发电机的设计提供可靠的参数。为解决此问题，本课题依据国内相关标准，设计制作了“风力发电机刹车元件摩擦系数测量装置”。 本套装置主要分为机械结构、数据采集硬件和数据采集分析软件三大部分。机械结构主要由直流调速电机、传动轴系、滑枕及轴系、摩擦盘体及触头、丝杠加载系统和底座六部分组成；数据采集硬件由数据采集卡、光电传感器和压力传感器构成；数据采集分析软件基于虚拟仪器技术采用LabVIEW软件开发。本装置通过直流调速电机和机械结构进行加载、驱动，并由传感器和数据采集卡对压紧力、转速信号进行采集和传输，数据采集分析软件对信号进行处理和分析，绘制出摩擦系数f与相对滑动速度V、压紧力F和摩擦时间T之间的关系曲线。实验结果的分析报告将为风力发电机的设计人员提供风机刹车装置的设计参数，估算刹车元件的使用寿命，保证风力发电机的及时维修与安全运行。 教育部科技查新工作站(G03)的查新结果表明，该产品为国内首创。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 基本思路：能源问题是全球普遍关注的焦点，风力发电日益受到人们更多的关注。风力发电机的安全稳定运行对电力稳定和国民经济发展具有重要意义，而风力发电机中机械刹车装置已成为限制风力发电机安全与稳定运行的瓶颈。在进行机械刹车装置的设计时，最主要的参数是刹车元件的滑动摩擦系数。在我国还没有完善的资料供设计人员参考。为解决此问题，本课题依据国外、国内相关标准，设计制作了“风力发电机刹车元件摩擦系数的测量装置”。 测量风力发电机刹车元件在实际刹车工况下的摩擦系数，为风力发电机机械刹车装置的设计提供可靠依据。 创新点：1.本课题旨在测量风力发电机刹车元件摩擦系数并对其进行研究。一方面充实我国相关领域的设计参数，另一方面为风力发电机的设计提供指导。 2.本装置能模拟风力发电机中机械刹车元件高速重载的特殊工况，数据具有很好的针对性和实用性。 3.本装置能绘制摩擦系数在各种工况下的变化曲线，为风力发电机机械刹车装置的设计提供依据。 技术关键：1、模拟风力发电机机械刹车时的工况； 2、准确测量各个数据，并分析计算得到高精度的滑动摩擦系数。 技术指标：1、压紧力最大可达到6000N； 2、相对滑动速度最大可达到92.6m/s； 3、摩擦力矩最大可达到143.25Nm； 4、光电传感器的测量范围可以达到10000转/分； 5、压力传感器的测量范围可以得到750Kg。
科学性、先进性
- 在风力发电这一领域，有关风力发电机刹车元件摩擦系数的测量研究尚属空白。为完善这一领域，本作品针对风力发电机常用刹车材料的摩擦系数进行一系列研究，如：测量风力发电机刹车元件在复杂刹车工况下的摩擦系数，并绘制摩擦系数在不同工况下的变化曲线，得到刹车元件的摩擦性能曲线，为风电机组的设计和维修提供可靠指导。 目前，一般通过手册查取刹车元件的摩擦系数或按经验估算风力发电机中刹车元件的寿命。而本套装置能测量出风力发电机专用刹车材料实际工况下的摩擦系数，其具有很好的实用性。国内摩擦系数测量装置大都只用于低速轻载的场合。而本装置能模拟风力发电机中机械刹车元件高速重载的工况，测得的数据具有很高的参考价值。
获奖情况及鉴定结果
- 1、“挑战杯”2009“动感地带”河北省大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。 2、在“风力机摩擦块的摩擦力测量”开放性、综合性实验中的应用证明。 3、教育部科技查新工作站(G03)的查新报告结果表明，国内针对风力发电机刹车元件摩擦系数测量的研究文献不多。一部分文献涉及到风力发电机刹车系统或刹车装置的研究，未提及对刹车元件摩擦系数的测量；还有一些专利文献是关于摩擦系数测试装置的研究，但没有针对风力发电机专用刹车材料的摩擦系数的测量。该产品为国内首创。
作品所处阶段
- 本装置已经完成产品试制阶段，正进行产品的推广应用。
技术转让方式
- 与国内外多家风力发电机制造商寻求合作。
作品可展示的形式
- 实物，图纸，现场演示，图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明:将风力机摩擦材料安装在装置上；利用电机带动摩擦材料，以模拟刹车元件间的相对滑动；转动丝杠施加压紧力；用数据采集分析软件采集转速、压力和摩擦力信号，得到材料的摩擦性能分析报告。 技术特点：1.装置应用了机械设计、测试技术、信号分析处理和光电技术等多门学科知识； 2．测试系统基于虚拟仪器思想开发，具有模块化、开放性和灵活性的特点。 优势：1.专用于测量风机刹车元件的摩擦系数，能模拟风机中刹车元件高速重载的工况，测得的数据具有很好的针对性和实用性。 2.能绘制摩擦系数在不同工况下的变化曲线，得到刹车材料的摩擦性能分析报告。 适用范围：1.测量风机刹车元件的摩擦系数； 2.测量其它在高速重载下工作的材料的摩擦系数。 推广前景：目前，国内对风力发电机刹车元件摩擦系数测量研究极少，还没有专用于风力发电机刹车元件摩擦系数的测试装置。所以，本装置在应用方面具有很大的潜力，市场前景广阔。
同类课题研究水平概述
- 关于摩擦系数的测量领域有如下特点： 从背景上说，有关摩擦系数的测量都是针对某一种应用。如：对海豚皮肤结构与海水的摩擦研究，一般只用作改进舰只设计；对地质学方面的摩擦研究，只用来预测火山爆发和地震等；对纸张间的摩擦研究通常只应用在打印机领域；对路面和轮胎间的摩擦研究通常只应用在交通领域；对塑料薄膜的摩擦研究通常只应用于薄膜包装领域。综上不难看出，摩擦系数的研究具有一定的局限性，各领域间的摩擦系数研究之间不具有通用性。而对已有的研究领域来说，有关风力发电机刹车元件摩擦系数的研究目前还较少。 从测量条件上说，目前关于摩擦系数的测量不具有连续性。两被测元件之间相对滑动速度较小，压紧力较小，滑动速度和压紧力的变化范围也较小，不能准确得出材料在不同工况下动摩擦系数的变化曲线。因此，不具备较高的参考价值。 国内外风力发电机组机械刹车元件摩擦系数的测量研究尚处于起步阶段，风力发电机组机械刹车元件的摩擦系数一般均通过手册直接查得，数据不是十分的准确，对风力发电设备的运行与维护有一定的影响。 国内针对风力发电机刹车元件摩擦系数测量的研究文献不多。其中一些文献涉及到风力发电机刹车系统或刹车装置的研究，未提及对刹车元件摩擦系数的测量；还有一些专利文献是关于摩擦系数测试装置的研究，但没有针对风力发电机专用刹车材料的摩擦系数的测量。
