淺析直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機臥式實驗翻轉(zhuǎn)平臺設(shè)計

周小進

（江蘇中車電機有限公司，江蘇 鹽城 224100）

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機一般直徑4 ～8m，重量40 ～160t，如要模擬風(fēng)場運行狀態(tài)，需將發(fā)電機由裝配時的平躺狀態(tài)翻轉(zhuǎn)拼裝成臥式狀態(tài)進行形式實驗，往往需要建設(shè)大型實驗臺，投入巨大，且實驗效率低，無法滿足批量產(chǎn)品實驗要求。目前，大部分電機生產(chǎn)廠商只能實現(xiàn)平躺狀態(tài)進行性能測試，無法模擬風(fēng)場真實運行狀態(tài)進行抽樣測試或批量測試。考慮到直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機高額運輸和吊裝費用，如裝機后調(diào)試出現(xiàn)異常故障需要拆裝返廠，每臺損失達(dá)百萬元以上，海上海外項目損失更大。

為了確保直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機裝機可靠性，提升發(fā)電機質(zhì)量保證能力，在考慮發(fā)電機整機裝配工廠場地的同時，以模擬風(fēng)場運行為目的因地制宜設(shè)計了發(fā)電機實驗翻轉(zhuǎn)平臺（簡稱實驗平臺），實現(xiàn)發(fā)電機臥式實驗要求。

1 整體方案

本實驗平臺主要用于實現(xiàn)發(fā)電機的自動旋轉(zhuǎn)及發(fā)電機實驗時的支撐固定。滿足發(fā)電機軸線與水平面呈+5°（仰角）狀態(tài)下的實驗需求。

本設(shè)備方案由主體部分、輔助部分組成。

主體部分包括翻轉(zhuǎn)平臺及控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)；輔助部分包括圍欄、梯子、齒輪防護板、試驗輔助支撐、液壓制動器、液壓插銷、過渡法蘭。

翻轉(zhuǎn)平臺由設(shè)備底座、支撐墻、工作平臺、旋轉(zhuǎn)擺臂、主軸、軸承及軸承座、齒輪及齒圈、電機減速機組成。

控制系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、角度編碼器、手持操作盒（有線式）、安全光柵等主要元器件組成。其他如繼電器、開關(guān)、按鈕等通用元件安裝在電器柜內(nèi)。

液壓系統(tǒng)由電機液壓泵、電磁溢流閥、電磁換向閥、電控單向閥、壓力繼電器、液壓缸、試驗輔助支撐等主要元件組成。其余如調(diào)速閥、液壓集成塊、進油回油過濾器、空氣過濾器、液位溫度計等通用元件安裝在油箱上。

2 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

環(huán)境溫度：-5 ～45℃；

設(shè)備噪音GB/T16769：≤70db(A)；設(shè)備額定承載：120t；

設(shè)備翻轉(zhuǎn)速度：0 ～0.5r/min 可調(diào)；

設(shè)備翻轉(zhuǎn)角度：0°～85°(發(fā)電機軸線：垂直～仰角5°)；

設(shè)備總功率：≤20kW；

設(shè)備中心高：≤3000mm。

3 主要結(jié)構(gòu)及設(shè)計

（1）工作臺設(shè)計。工作臺面由500 型工字鋼、鋼板焊接而成。鋼材全部采用高強度結(jié)構(gòu)鋼Q345A。焊接成形后進行整體去應(yīng)力退火。由于本設(shè)備兼做翻轉(zhuǎn)臺與試驗設(shè)備使用，因此，在設(shè)計過程中，主要考慮工作臺面的整體剛性要求。根據(jù)3D 模型的有限元受力分析，采用高強度結(jié)構(gòu)鋼具有明顯的剛性指標(biāo)，工作臺面承載后，其整體形變不超過3mm，結(jié)構(gòu)內(nèi)最高應(yīng)力不超過110MPa，滿足試驗設(shè)備的高剛性要求。工作臺面與擺臂通過高強度螺栓進行連接，連接時有定位銷對接定位。

（2）減速機設(shè)計。本設(shè)備的整體減速比為1：3200。采用雙驅(qū)動配置。在旋轉(zhuǎn)擺臂兩端均配置1 臺減速機。每臺減速機的輸出力矩足夠大。安裝發(fā)電機后，僅依靠1 臺電機減速機，就可以驅(qū)動工作平臺旋轉(zhuǎn)。（前提是，另1 臺減速機必需拆除）采用雙驅(qū)動配置，

其優(yōu)勢在于：①可以降低減速機的規(guī)格，選用機型更小的減速機。②降低主軸、聯(lián)軸器、軸承等元件的機型規(guī)格。③雙驅(qū)動配置可以有效地避免主軸的應(yīng)力變形。④雙驅(qū)動配置具有雙制動能力（因每個電機都帶有電磁制動器），使設(shè)備制動效果更明顯。⑤雙驅(qū)動配置可以顯著降低定子試驗過程中傳遞到設(shè)備試驗上的振動，對提高試驗精度、避免系統(tǒng)擾動有利。

（3）軸承、軸承座設(shè)計。采用φ300 雙列調(diào)心滾子軸承。相對于滑動軸承，其滾動阻力更小。軸承使用前注滿潤滑脂，5 年內(nèi)不需再次潤滑。軸承與軸承座配套使用，采用調(diào)心軸承有利于保證設(shè)備主軸的同軸度要求，能降低設(shè)備的安裝難度，有利于提高翻轉(zhuǎn)時的靈活性。軸承座為30#鑄鋼件。鑄造成型后熱處理調(diào)質(zhì)、進行機加工。軸承座兩件，安裝在支撐墻上，通過高強度螺栓進行連接。

（4）電機設(shè)計。電機與減速機一體，采用7.5kW/4P 變頻制動電機兩臺進行驅(qū)動。單臺電機功率7.5kW。電機帶電磁制動器，可保證停止時有效的制動。電機帶制動器釋放手柄，必要時，可手動釋放制動器。其目的是在意外斷電或故障狀況下，可手動將工作平臺退回到水平狀態(tài)。

（5）旋轉(zhuǎn)擺臂設(shè)計。旋轉(zhuǎn)擺臂有兩件，分別與工作平臺的左右兩側(cè)聯(lián)接，三者共同組成一個同軸旋轉(zhuǎn)的整體構(gòu)件。旋轉(zhuǎn)擺臂由Q345A 鋼板焊接成型。焊后退火熱處理。旋轉(zhuǎn)擺臂上安裝有主軸，與主軸通過螺栓進行連接。旋轉(zhuǎn)擺臂與工作平臺通過螺栓連接。左右兩件旋轉(zhuǎn)擺臂上各安裝有一個齒圈。為保證齒圈在旋轉(zhuǎn)擺臂上的同軸度，齒圈在加工時采用專用工裝進行配對加工，齒圈在裝配過程中亦將采用專用工裝進行同軸度調(diào)整。

（6）支撐墻設(shè)計。支撐墻用于支撐起工作平臺，使工作平臺達(dá)到設(shè)計的旋轉(zhuǎn)中心高度。支撐墻由Q345A 鋼板焊接成型。支撐墻左右各1 件，安裝在設(shè)備底座上。支撐墻與設(shè)備底座之間通過高強度螺栓聯(lián)接。支撐墻采用梯形截面結(jié)構(gòu)，主要承受設(shè)備、工件的重量，以及發(fā)電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的側(cè)向力。支撐墻承載按200t 設(shè)計。

（7）設(shè)備底座設(shè)計。設(shè)備底座由Q235 型鋼及鋼板焊接而成。設(shè)備底座與地面通過M30 地腳螺栓聯(lián)接，廠房地面需按圖紙位置開地腳螺栓預(yù)埋孔。設(shè)備底座與地面接觸面積5.25 m2，設(shè)備與工件總質(zhì)量約200t 設(shè)，傳遞到地面的單位面積壓強僅為0.4MPa。因此，廠房混凝土地面只需滿足國標(biāo)C15 強度標(biāo)準(zhǔn)，不需另做強化處理。（國標(biāo)GB50010-2010/C15）

（8）液壓制動器設(shè)計。液壓制動器為安全部件。液壓制動器為失電保護式制動器。液壓制動器的作用，是在電機停止工作、或意外斷電后，由液壓制動器提供制動力矩，確保工作平臺無法轉(zhuǎn)動，并保持試驗臺位置始終不變。液壓制動器兩臺，為盤式夾塊結(jié)構(gòu)。為專用成品件，安全可靠。液壓制動器制動力矩足夠大。可以保證工作平臺在任意角度停止。制動后，電機可以完全脫離工作。即制動器制動后，可以將電機減速機拆卸下來，也不會影響工作平臺的角度狀態(tài)。制動器帶手動釋放手柄，可手動解除制動狀態(tài)。

（9）液壓系統(tǒng)設(shè)計。本設(shè)備配置一個小型液壓站，為試驗輔助支撐、液壓制動器提供工作動力。液壓系統(tǒng)電機功率2.2kW，額定工作壓力7MPa。液壓系統(tǒng)由電機液壓泵、電磁溢流閥、電磁換向閥、電控單向閥、壓力繼電器、液壓缸、試驗輔助支撐等主要元件組成。其余如調(diào)速閥、液壓集成塊、進油回油過濾器、空氣過濾器、液位溫度計等通用元件安裝在油箱上。

（10）機械限位設(shè)計。試驗臺設(shè)有兩組機械限位裝置，用于限制設(shè)備超角度(即不超過90°)旋轉(zhuǎn)。機械限位塊布置在左右支撐墻上，左右旋轉(zhuǎn)擺臂上各有一個隨動塊。當(dāng)隨動塊與機械限位塊碰撞時，設(shè)備旋轉(zhuǎn)角度被限制。

圖1

（11）液壓插銷設(shè)計。液壓插銷是安全銷，由液壓缸驅(qū)動。插銷頭端為錐狀（如圖1 所示），可插入鎖塊的錐孔內(nèi)。錐角為20°，便于定位。當(dāng)銷軸受徑向壓力時，因錐角大于摩擦自鎖角，銷軸在較小的液壓缸作用下很容易拔出錐孔，不會出現(xiàn)“咬死”導(dǎo)致無法退出的情況。液壓插銷有工作壓力，由壓力繼電器控制。為避免液壓插銷對其他機構(gòu)件產(chǎn)生破壞，在液壓插銷所在的油路中設(shè)置壓力繼電器，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時，控制系統(tǒng)自動停止供油。

4 結(jié)語

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機臥式實驗翻轉(zhuǎn)平臺可以直接對發(fā)電機進行安裝翻轉(zhuǎn)實驗，文中介紹的實驗平臺目前已投入使用，運行平穩(wěn)。相對于傳統(tǒng)實驗臺具備以下優(yōu)勢：（1）自動翻轉(zhuǎn)，不用起重翻轉(zhuǎn)拼裝，安全可靠；（2）配備通用轉(zhuǎn)接法蘭，不同機型可快速切換，作業(yè)效率高；（3）相對于傳統(tǒng)實驗臺，大大減少了基建設(shè)施投入，建設(shè)周期短，資金投入少。該實驗平臺可以滿足目前市場上大部分5MW 以下直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機常規(guī)實驗需求，同時能實現(xiàn)批量大型直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機出廠實驗，行業(yè)內(nèi)極具推廣使用價值。