風(fēng)力發(fā)電機(jī)電動(dòng)葉輪鎖

王浩羽 喬金夢(mèng) 孫仲秋 許文豪 王樹強(qiáng)

（沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110142）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪鎖是風(fēng)力發(fā)電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的一部分，在葉輪組裝及后期對(duì)葉輪中的各種裝置進(jìn)行維修保養(yǎng)時(shí)起著重要的作用?，F(xiàn)在我國(guó)制造的葉輪鎖分為手動(dòng)式和電液式。手動(dòng)式操作煩瑣，安全性低。電液式占用空間大，維護(hù)困難。本研究在于設(shè)計(jì)一款全新的葉輪鎖，以解決現(xiàn)有葉輪鎖存在的問(wèn)題。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)葉輪鎖結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電動(dòng)葉輪鎖結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)電動(dòng)葉輪裝置包括法蘭基座、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、連接件、鎖銷、鎖定螺釘。法蘭基座作為整個(gè)裝置的載體，整個(gè)機(jī)構(gòu)靠基座的法蘭安裝到風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙基座上，封閉的結(jié)構(gòu)防止驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和鎖銷暴露在外。基座一側(cè)設(shè)有面板安裝孔。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制鎖銷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。連接件避免鎖銷的振動(dòng)或安裝偏差造成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)受阻。鎖定螺釘起到防止鎖桿脫落的保護(hù)作用。電氣部分實(shí)現(xiàn)的功能包括電機(jī)的正反控制、鎖銷位置檢測(cè)、鎖定螺釘開啟和鎖桿脫落報(bào)警。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

作為電動(dòng)葉輪鎖的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，12V小型直流電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力通過(guò)三級(jí)減速器和絲杠螺母結(jié)構(gòu)傳送至鎖銷，使得鎖銷在電機(jī)的控制下前進(jìn)或后退。為提高裝置的空間利用率，將電機(jī)、減速器和絲杠螺母結(jié)合在一起，使得驅(qū)動(dòng)部件結(jié)構(gòu)緊湊。其三級(jí)減速器采用三組標(biāo)準(zhǔn)齒輪，依照速度的遞減順序，劃分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)。一級(jí)齒輪組材料使用40Cr（調(diào)質(zhì)后淬火），二級(jí)和三級(jí)齒輪組材料采用45Cr（調(diào)質(zhì)后表面淬火）。絲桿螺母結(jié)構(gòu)分別采用45鋼和青銅材料，受空間限制，絲桿導(dǎo)程S=2mm、直徑d=10mm。電機(jī)的輸出額定轉(zhuǎn)速為4000r/min，輸出額定功率為60W，減速器的傳動(dòng)比為26.25，則減速器輸出轉(zhuǎn)速約為150r/min，絲桿螺母結(jié)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速為5mm/s。根據(jù)減速器和絲桿螺母的效率計(jì)算，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出最大推力可穩(wěn)定達(dá)到3000N。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)剖視圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)剖視圖

2.2 連接件

連接件共兩個(gè)，采用45鋼作為材料。與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接采用銷軸連接，與法蘭和鎖銷采用螺紋連接。由于鎖銷的振動(dòng)和摩擦，采用粗牙螺紋，以提高連接強(qiáng)度和產(chǎn)品互換性。

2.3 鎖銷

鎖銷設(shè)有導(dǎo)向錐頭和防脫槽。導(dǎo)向錐頭在鎖銷運(yùn)動(dòng)時(shí)具有導(dǎo)向作用，避免鎖銷發(fā)生卡位的現(xiàn)象。在鎖銷的開鎖狀態(tài)時(shí)，鎖定螺釘下壓，鎖定鎖銷，防止因震動(dòng)產(chǎn)生脫落。

3 電氣控制設(shè)計(jì)分

本裝置的電氣部分由按鈕開關(guān)、12V小型直流電機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中限位開關(guān)組成。在鎖銷處于開鎖狀態(tài)下，前進(jìn)按鈕（SB1）按下后，電機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)，鎖銷前進(jìn)。當(dāng)?shù)竭_(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的限位開關(guān)時(shí)，鎖銷完成上鎖狀態(tài)，電機(jī)主電路切斷，電機(jī)停止。鎖定狀態(tài)下，后退按鈕按下后，電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，鎖銷后退。當(dāng)?shù)竭_(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的限位開關(guān)時(shí)，鎖銷完成開鎖狀態(tài)，電機(jī)主電路切斷，電機(jī)停止。推桿的行程即為鎖銷兩狀態(tài)下的位置距離，電路原理如圖3所示。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

設(shè)計(jì)完成后，用制造出來(lái)的實(shí)物與傳統(tǒng)的手動(dòng)式葉輪鎖進(jìn)行測(cè)試比較。在同一安裝環(huán)境、同一鎖銷孔直徑下進(jìn)行多次測(cè)試。計(jì)算裝置的空間占用率，記錄鎖銷的上鎖時(shí)間、開鎖時(shí)間，驗(yàn)證電動(dòng)葉輪鎖的便捷度和穩(wěn)定性。

圖3 電路原理

空間占用率：手動(dòng)式葉輪鎖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與電動(dòng)葉輪鎖相比，占用率相當(dāng)。手動(dòng)式葉輪鎖的手柄在狹小的空間里無(wú)法正常使用。與此對(duì)比，電動(dòng)葉輪鎖不存在這個(gè)問(wèn)題。

上鎖時(shí)間和開鎖時(shí)間：電動(dòng)葉輪鎖在上鎖時(shí)間和開鎖時(shí)間穩(wěn)定在60s左右，同時(shí)操作人員無(wú)需工具。手動(dòng)葉輪鎖上鎖時(shí)間和開鎖時(shí)間受操作人員的影響，操作工具需要手柄或者扳手。

對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行分析后，筆者得出以下結(jié)論：電動(dòng)葉輪鎖在占用同樣的空間上，緊湊的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了基本葉輪鎖的功能；電動(dòng)葉輪鎖擁有極高的簡(jiǎn)便性，對(duì)操作人員的要求低；缺少大量的測(cè)試次數(shù)，沒有得到電動(dòng)葉輪鎖的故障率，安全性有待大量的數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

針對(duì)結(jié)論，筆者提出以下改進(jìn)電動(dòng)葉輪鎖的措施：為保障電動(dòng)葉輪鎖的安全性，在原電動(dòng)葉輪鎖裝置法蘭的內(nèi)部增加手動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證電氣部分失效后，能使用手動(dòng)部分進(jìn)行鎖定。新機(jī)構(gòu)目前還處于設(shè)計(jì)調(diào)試中。

4 結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電機(jī)電動(dòng)葉輪鎖能實(shí)現(xiàn)電氣化操作和鎖銷的精準(zhǔn)鎖定，解決了目前手動(dòng)葉輪鎖費(fèi)時(shí)費(fèi)力、安全性低的問(wèn)題。在結(jié)構(gòu)上，其具有較高的緊湊性，便于安裝拆卸，同時(shí)在控制系統(tǒng)上，擁有機(jī)械互鎖功能，有利于風(fēng)機(jī)后期的電氣自動(dòng)化。在應(yīng)用范圍上，該電動(dòng)葉輪鎖能夠適用各種型號(hào)規(guī)格的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。目前，許多風(fēng)機(jī)企業(yè)急需此類自動(dòng)化產(chǎn)品，因此該電動(dòng)葉輪鎖具有很高的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和存活力，具有十分可觀的發(fā)展前景。