1.引言：刹车系统是现代风力发电技术的重要组成部分，制动盘在制动时，由于制动过程中机械能向热能迅速转变，导致制动过程中温度急剧变化。该过程既受热传导的影响，又涉及到结构力学和流体动力学等多物理场的耦合作用。准确地预测与分析刹车盘瞬态温升，对了解刹车盘热应力分布规律，预防热疲劳破坏，优化刹车系统散热设计具有重要意义。近年来，随着数值仿真技术的飞速发展，对复杂工程问题进行多场耦合分析，将为风电机组的安全运行与维修提供理论基础，为当前相关行业的热议课题。

2.研究背景

2.1风电机组在现代能源体系中的重要性

随着世界能源结构向低碳化和清洁化方向发展，风电机组在世界范围内的地位越来越重要。传统化石能源的大量使用，不仅面临着资源枯竭的问题，而且释放大量的温室气体及污染物，加剧全球变暖和环境污染问题。风能作为一种可再生的清洁能源，在世界范围内分布广泛，发展潜力巨大。风力发电可有效降低对传统化石能源的依赖，减少碳排放，对“双碳”目标的实现具有重要意义。从能源供给角度看，风电机组可作为分布式能源的重要补充，可有效弥补偏远、海岛等传统电网供电不足的问题^[1]。同时，大规模风电场的建设可以丰富电力系统能源供给的多样性，提高能源供给的稳定与安全。在部分风力资源丰富的地区，风力发电已成为当地经济可持续发展的主要能源。且风力发电行业也带动相关产业链的升级，包括风机设计、制造、材料、控制等方面的技术革新，对促进当地就业与经济增长具有重要意义。

2.2兆瓦级风电机组刹车盘温升问题对机组安全性和可靠性的影响

兆瓦级风电机组具有大容量、长叶片和大转动惯性等特点，需要较大的制动力矩才能实现停/减速^[2]。刹车盘是刹车系统的核心部件，制动过程中刹车片与制动盘摩擦产生大量热量，导致制动盘温度在短期内急剧上升，即瞬态温升。这种瞬态温度升高严重威胁着机组的安全运行，当刹车盘温度过高时，刹车盘的强度和硬度都会降低，磨损率也会降低。制动器在持续的制动压力下，可能发生变形、开裂，甚至断裂等事故。当制动盘发生故障时，风电机组将不能正常制动，可能导致风机叶片超速旋转，机组倒塌等重大安全事故。同时，瞬态温度升高对机组可靠性有很大的影响，刹车盘长期处于高温环境中，容易造成刹车盘材料的热疲劳损伤，从而缩短刹车盘的使用寿命，同时也增加刹车盘的维修更换次数，增加刹车盘的费用。此外，高温还会对制动系统其它部件如刹车片、液压管路等产生不良影响，进而影响整个制动系统的性能，从而影响车辆的正常使用。对于兆瓦级的风电机组，运行环境恶劣，设备维修困难，成本高。如果刹车盘温度过高，将导致机组可靠性下降，运行压力增大，从而影响风电项目经济效益。

3.研究意义

3.研究的重要性

多场耦合分析是解决复杂工程问题的重要手段，很多工程问题并不是单一物理场共同作用的结果，而是热-力-电-磁多场耦合作用的结果。单一物理场分析方法往往只考虑某一方面，不能全面准确地反映实际情况，导致分析结果偏离实际，难以有效地指导工程实践。

多物理场耦合分析能把多物理场有机地结合在一起，考虑各物理场间的相互作用及相互作用机理，更符合工程实际。针对兆瓦级风电机组制动盘的瞬态温升问题，涉及到温度场与应力场的耦合效应^[3]。刹车过程中摩擦所产生的热量形成温度场，进而导致制动盘温变，从而形成热应力（力场），此外，制动压力等力场的变化也会影响摩擦生热率与分布，进而对温度场产生影响。

    可采用多物理场耦合分析方法，准确计算不同工况下刹车盘内部温度及应力分布，揭示刹车盘瞬态温升规律及热力耦合作用机理。将有助于深入认识刹车盘温升机理，并为刹车盘结构优化、材质选择和制动控制策略的制定提供科学依据。

4.研究现状

    国内外学者对风机制动盘温升问题进行大量的研究，取得一些成果。

国外对风电机组制动系统的研究起步较早。近年来，国内外多家科研单位及学者采用实验测试与数值模拟相结合的方法，对刹车盘温升特性进行了研究。如：利用有限元软件建立刹车盘温度场模型，模拟不同刹车状态下刹车盘温度场，分析刹车时间、刹车压力等参数对刹车盘温升的影响。同时，国外开展多物理场耦合分析的研究起步较早，已将热力耦合作用引入刹车盘温升分析中，并考虑温度变化对材料力学性能的影响及应力场对温度场的响应。

随着我国风电产业的迅速发展，刹车盘的温升问题受到越来越多的关注。国内学者结合国外的研究经验和国内风电机组的实际运行状况，进行大量的研究工作。有的学者利用实验平台测试刹车盘在实际制动过程中的温度变化，获得了大量的实验数据^[4]。同时，数值仿真技术在刹车盘温升分析中得到了广泛的应用，研究者们通过对模型参数的不断优化，提高了仿真的精度。对于多物理场耦合分析，国内学者也逐步深入，试图建立更为完善的耦合分析模型，探索热-力多场耦合机理。

5.研究目标与内容

研究目标：采用多物理场耦合分析方法，深入研究制动盘瞬态温升规律，明确不同工况下刹车盘温度场与热应力的分布特性，揭示热力耦合作用对刹车盘瞬态温升及应力的影响机理，为兆瓦级风机制动盘结构的优化设计、安全运行及故障预防提供理论基础与技术支撑。

   研究内容：

以大型风电机组制动系统为研究对象，对其结构特征与作用机理进行深入分析，明确制动过程中能量转化形式，并深入剖析作为主要热源的摩擦生热机理与传热途径。阐明多物理场耦合的基本概念与原理，着重掌握热-力耦合理论，包括热传导方程及边界条件的建立、热应力的产生机理等。此外，本项目还将对有限元软件的选择、建模、网格划分以及求解策略等进行深入的研究。在此基础上，构建兆瓦级风机制动盘多场耦合数值仿真模型。综合考虑制动盘的材质、几何、制动工况等因素，建立合理的初始条件与边界条件。采用数值仿真方法，模拟不同制动工况（急制动、正常制动等）下制动盘瞬态温升过程，获得瞬态温度场数据。对仿真结果进行分析，得到刹车盘温度场的分布情况，包括最高温度的位置和温度梯度的变化情况，同时，对热应力的分布规律进行分析，确定热应力的位置及大小。在前期研究基础上，采用数值模拟和数值模拟相结合的方法，深入分析刹车盘热力耦合作用机理，探索温度场和应力场的交互作用规律，量化分析多场耦合作用对刹车盘温升及应力的影响程度，揭示其耦合作用机理。

6.风电机组刹车系统与温升问题

6.1刹车系统概述

6.1.1刹车盘的结构与功能

兆瓦级风电机组制动系统一般由制动盘、制动片、制动钳、液压或气压传动等部件构成。兆瓦级风电机组刹车盘结构一般为圆盘状，其材质多为高强度合金铸铁或陶瓷复合材料等耐高温耐磨材料。在结构设计中要考虑到散热问题，在一些制动盘表面设置散热筋或者通风口，以提高散热效率。

制动盘的主要作用是在制动过程中与刹车片发生摩擦，产生制动力矩，从而实现对风电机组旋转部件（如轮毂、主轴等）的减速或制动。具体来说就是在机组需要刹车的时候，驱动装置将刹车片推向制动盘，两者间形成摩擦，把机组的转动动能转换成热能，实现刹车的目的。刹车盘结构的合理与否，不仅关系到刹车效果，还关系到刹车系统的散热性能和使用寿命。

6.1.2刹车过程中的能量转换与热源分析

从本质上讲，制动过程是一种能量转化的过程，风机在正常工作状态下，风机叶片捕捉风能，并带动转子、主轴等旋转部件转动，并将其储存起来。制动过程中，制动片与制动盘接触并产生摩擦，转动件的动能在摩擦过程中转换成热能。

刹车片与制动盘间的滑动摩擦是产生热量的主要来源^[5]。摩擦所产生的热量，部分由热传导传递至制动盘内，导致制动盘温度上升；其中一部分由热对流传递给环境，另一部分由热辐射散失。制动时摩擦热的生成率与制动压强、摩擦系数和相对滑移率有很大关系。较高的制动压力，较高的摩擦系数，较高的相对滑动速度，会使单位时间内产生更多的摩擦热，使制动盘的温升更高。另外，制动盘和其它零件之间的接触热传导也会产生少量的热，但是相对于摩擦热来说是微不足道的。

6.2温升问题的重要性

6.2.1刹车盘瞬态温升对材料性能和结构完整性的影响

刹车盘的瞬态温升对刹车盘的材料性能有很大的影响，大部分刹车盘材料具有温度敏感性，其强度和硬度随温度升高而降低，同时还会降低耐磨性。如，金铸铁刹车盘在温度超过某一临界值后，可能发生退火现象，使刹车盘表面硬度急剧降低，从而加剧刹车盘的磨损。

同时，刹车盘的瞬态温升也会引起刹车盘内部温度分布不均，从而引起刹车盘的热变形。由于刹车盘各部位温度变化速度及幅值不同，各部位热膨胀程度也不同，因而产生了较大的热应力。刹车盘在热应力超过材料屈服极限时，可能发生塑性变形；如果刹车盘长期处于交变热应力环境中，可能出现热疲劳裂纹，严重破坏刹车盘结构完整性，影响刹车盘的正常使用。

6.2.2温升过快可能导致的安全隐患

刹车盘在紧急制动等情况下易发生温升过快，给刹车盘带来一系列的安全隐患。一方面，过快的温升会导致制动盘表面温度在短期内急剧上升，从而造成刹车片和制动盘间的“热衰退”^[6]。也就是说，高温会导致刹车片摩擦系数降低，制动力矩降低，制动效果下降，甚至会发生制动失效，不能及时停转，造成安全事故。

另一方面，过快的温升会引起制动盘内部产生较大的热冲击，从而导致制动盘在较短的时间内发生断裂、断裂等严重损伤。兆瓦级风电机组旋转部件具有较大的惯性，刹车盘一旦损坏将引起机组失控，导致叶片折断、塔架坍塌等灾难性后果，不仅造成重大经济损失，还可能危及人身安全。另外，过快升温引起的高温也会对制动系统其它部件产生影响，例如密封老化、液压油老化等，进而降低制动系统的可靠性。

7、数值模拟结果分析

7.1不同工况下的温升模拟

7.1.1紧急刹车工况

紧急刹车工况紧急刹车工况紧急刹车工况主要发生在风电机组遭遇突发故障（如电网断电、叶片异常）时，需在3-5秒内快速制动。模拟结果表明，该工况下制动盘温升呈现“骤升-缓降”的特点：在制动开始的1秒内，摩擦表面温度由周围环境温度（25℃）飙升到190℃，升温速率高达165℃/秒，由于制动片与刹车盘瞬间紧密接触，在很短的时间内，动能大量转化为摩擦热。在3秒制动过程中，制动温度最高可达410℃，热量集中于直径约200毫米的摩擦接触核心区，此时热传导至制动盘内约8毫米，而散热速率只有产热速率的1/5；刹车停止10秒后，温度逐渐下降到380℃，但仍然远远超过材料的安全极限（250℃）。这种急剧升温源于紧急制动时瞬间达到最大的能量转换效率，其累积速度远远超过了散热能力。

7.1.2正常刹车工况

在正常制动状态下，正常制动用于机组日常停车或调节风速，制动周期为15~20秒，制动片压力为应急状态的三分之一。模拟结果表明：在初始5秒内，温度由25℃上升到55℃，升温速率约为6℃/s；在10秒内达到90℃，此时的产热和散热几乎达到平衡；经过20秒的制动后，摩擦面中心到边缘的温差只有25℃，最高温度保持在130℃左右。刹车完成后，经通风散热，温度可在5分钟内下降到低于60℃。与紧急情况相比，普通制动过程中的能量转换更加缓慢，有足够的时间将热量传递到空气中，从而大大降低温度。

8.2温度场与热应力分布规律

8.2.1温度场分布规律

接触区>非接触区，中心>边缘，但梯度差异较大。急刹过程中，摩擦面中央形成一个410℃的高温核，再往外延伸50毫米，温度下降80~100℃，到边缘温度下降到220℃，温度梯度达到3.6℃/mm；由于刹车盘上的通风孔周围的空气对流作用，使得刹车盘周围的温度比周围低30~40℃，形成一个局部的低温区域。正常制动工况下，摩擦面中心温度为130℃，边沿为105℃，梯度仅为0.5℃/mm，且通风结构对温度场影响微弱（温差小于10℃）。另外，制动盘和主轴相连的固定端温度总是保持在30℃左右，因为金属传递的热量通过主轴快速传递。

8.2.2热应力分布规律

热应力的分布规律热应力随温度梯度的变化而变化，并与结构约束有关。在紧急制动过程中，由于摩擦面中心受到材料内部材料的约束，产生超过材料屈服强度（300 MPa）的最大压应力（340 MPa)。在6mm范围内（410℃~200℃）温度骤降（410℃~200℃），产生120 MPa的拉伸应力，容易诱发疲劳裂纹。在正常制动状态下，最大应力只有80 MPa，且分布均匀，远低于材料的强度极限值。两种工况下（160 MPa应急工况和50 MPa工况）刹车盘散热筋根部均出现应力集中，且由于该区域截面突变，热膨胀约束更加强烈。

8.3耦合效应分析

8.3.1热 - 机耦合对刹车盘温升和应力的影响

一方面，摩擦产生热（热场），使制动盘温升增大，在结构约束下产生热应力（力场）。另一方面，热应力导致的小变形（紧急情况下最大变形0.25 mm）会改变制动盘/刹车片接触面积，导致局部压降10-15%，从而降低产热率并作用于温度场。在不考虑耦合效应的情况下，应急工况下的计算结果分别比正常情况下高7%和低9%，表明耦合效应是影响仿真结果精度的重要因素。

8.3.1耦合效应的定量分析

在紧急制动工况下，耦合效应使最高温升下降6.8%(410℃~383℃），热应力增加11.8%(340 MPa~380 MPa)，在正常制动条件下，耦合效应只有2.3%(130℃下降到127℃），而应力效应则是3.5%(80 MPa~83 MPa）。车辆制动时的耦合作用强度与制动强度呈正相关关系，在紧急情况下这种耦合效应更为明显，因此在仿真分析中不能忽视。

9.结论

综上所述，兆瓦级风电机组刹车盘瞬态温升多物理场耦合分析，不仅可以加深对兆瓦级风机制动盘瞬态温升规律的认识，也可为风机制动系统的优化设计与安全运行提供理论支撑。未来，随着计算技术的进步以及多物理场耦合理论的完善，有望实现对刹车盘瞬态温升的准确预测与控制。不仅可以促进我国风电技术的持续发展，也可为其它相关领域的多物理场耦合研究提供借鉴。

参考文献

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