風力發電機電動葉輪鎖

王浩羽 喬金夢 孫仲秋 許文豪 王樹強

（沈陽化工大學 機械工程學院，沈陽 110142）

風力發電機葉輪鎖是風力發電機制動系統的一部分，在葉輪組裝及后期對葉輪中的各種裝置進行維修保養時起著重要的作用?，F在我國制造的葉輪鎖分為手動式和電液式。手動式操作煩瑣，安全性低。電液式占用空間大，維護困難。本研究在于設計一款全新的葉輪鎖，以解決現有葉輪鎖存在的問題。

1 整體結構設計

電動葉輪鎖結構如圖1所示。

圖1 電動葉輪鎖結構

風力發電機電動葉輪裝置包括法蘭基座、驅動機構、連接件、鎖銷、鎖定螺釘。法蘭基座作為整個裝置的載體，整個機構靠基座的法蘭安裝到風力發電機機艙基座上，封閉的結構防止驅動機構和鎖銷暴露在外?；粋仍O有面板安裝孔。驅動機構控制鎖銷的運動狀態。連接件避免鎖銷的振動或安裝偏差造成驅動機構受阻。鎖定螺釘起到防止鎖桿脫落的保護作用。電氣部分實現的功能包括電機的正反控制、鎖銷位置檢測、鎖定螺釘開啟和鎖桿脫落報警。

2 機械結構設計

2.1 驅動機構

作為電動葉輪鎖的關鍵結構，12V小型直流電機產生的驅動力通過三級減速器和絲杠螺母結構傳送至鎖銷，使得鎖銷在電機的控制下前進或后退。為提高裝置的空間利用率，將電機、減速器和絲杠螺母結合在一起，使得驅動部件結構緊湊。其三級減速器采用三組標準齒輪，依照速度的遞減順序，劃分為一級、二級、三級。一級齒輪組材料使用40Cr（調質后淬火），二級和三級齒輪組材料采用45Cr（調質后表面淬火）。絲桿螺母結構分別采用45鋼和青銅材料，受空間限制，絲桿導程S=2mm、直徑d=10mm。電機的輸出額定轉速為4000r/min，輸出額定功率為60W，減速器的傳動比為26.25，則減速器輸出轉速約為150r/min，絲桿螺母結構的輸出轉速為5mm/s。根據減速器和絲桿螺母的效率計算，驅動機構輸出最大推力可穩定達到3000N。驅動機構剖視圖如圖2所示。

圖2 驅動機構剖視圖

2.2 連接件

連接件共兩個，采用45鋼作為材料。與驅動機構的連接采用銷軸連接，與法蘭和鎖銷采用螺紋連接。由于鎖銷的振動和摩擦，采用粗牙螺紋，以提高連接強度和產品互換性。

2.3 鎖銷

鎖銷設有導向錐頭和防脫槽。導向錐頭在鎖銷運動時具有導向作用，避免鎖銷發生卡位的現象。在鎖銷的開鎖狀態時，鎖定螺釘下壓，鎖定鎖銷，防止因震動產生脫落。

3 電氣控制設計分

本裝置的電氣部分由按鈕開關、12V小型直流電機和驅動機構中限位開關組成。在鎖銷處于開鎖狀態下，前進按鈕（SB1）按下后，電機正向運轉，鎖銷前進。當到達驅動機構中的限位開關時，鎖銷完成上鎖狀態，電機主電路切斷，電機停止。鎖定狀態下，后退按鈕按下后，電機反向運轉，鎖銷后退。當到達驅動機構中的限位開關時，鎖銷完成開鎖狀態，電機主電路切斷，電機停止。推桿的行程即為鎖銷兩狀態下的位置距離，電路原理如圖3所示。

4 測試數據與結果分析

設計完成后，用制造出來的實物與傳統的手動式葉輪鎖進行測試比較。在同一安裝環境、同一鎖銷孔直徑下進行多次測試。計算裝置的空間占用率，記錄鎖銷的上鎖時間、開鎖時間，驗證電動葉輪鎖的便捷度和穩定性。

圖3 電路原理

空間占用率：手動式葉輪鎖結構簡單，與電動葉輪鎖相比，占用率相當。手動式葉輪鎖的手柄在狹小的空間里無法正常使用。與此對比，電動葉輪鎖不存在這個問題。

上鎖時間和開鎖時間：電動葉輪鎖在上鎖時間和開鎖時間穩定在60s左右，同時操作人員無需工具。手動葉輪鎖上鎖時間和開鎖時間受操作人員的影響，操作工具需要手柄或者扳手。

對以上結果進行分析后，筆者得出以下結論：電動葉輪鎖在占用同樣的空間上，緊湊的結構實現了基本葉輪鎖的功能；電動葉輪鎖擁有極高的簡便性，對操作人員的要求低；缺少大量的測試次數，沒有得到電動葉輪鎖的故障率，安全性有待大量的數據驗證。

針對結論，筆者提出以下改進電動葉輪鎖的措施：為保障電動葉輪鎖的安全性，在原電動葉輪鎖裝置法蘭的內部增加手動機構，保證電氣部分失效后，能使用手動部分進行鎖定。新機構目前還處于設計調試中。

4 結論

風力發電機電動葉輪鎖能實現電氣化操作和鎖銷的精準鎖定，解決了目前手動葉輪鎖費時費力、安全性低的問題。在結構上，其具有較高的緊湊性，便于安裝拆卸，同時在控制系統上，擁有機械互鎖功能，有利于風機后期的電氣自動化。在應用范圍上，該電動葉輪鎖能夠適用各種型號規格的風力發電機。目前，許多風機企業急需此類自動化產品，因此該電動葉輪鎖具有很高的市場競爭力和存活力，具有十分可觀的發展前景。