风力发电机电动叶轮锁

王浩羽 乔金梦 孙仲秋 许文豪 王树强

（沈阳化工大学 机械工程学院，沈阳 110142）

风力发电机叶轮锁是风力发电机制动系统的一部分，在叶轮组装及后期对叶轮中的各种装置进行维修保养时起着重要的作用。现在我国制造的叶轮锁分为手动式和电液式。手动式操作烦琐，安全性低。电液式占用空间大，维护困难。本研究在于设计一款全新的叶轮锁，以解决现有叶轮锁存在的问题。

1 整体结构设计

电动叶轮锁结构如图1所示。

图1 电动叶轮锁结构

风力发电机电动叶轮装置包括法兰基座、驱动机构、连接件、锁销、锁定螺钉。法兰基座作为整个装置的载体，整个机构靠基座的法兰安装到风力发电机机舱基座上，封闭的结构防止驱动机构和锁销暴露在外。基座一侧设有面板安装孔。驱动机构控制锁销的运动状态。连接件避免锁销的振动或安装偏差造成驱动机构受阻。锁定螺钉起到防止锁杆脱落的保护作用。电气部分实现的功能包括电机的正反控制、锁销位置检测、锁定螺钉开启和锁杆脱落报警。

2 机械结构设计

2.1 驱动机构

作为电动叶轮锁的关键结构，12V小型直流电机产生的驱动力通过三级减速器和丝杠螺母结构传送至锁销，使得锁销在电机的控制下前进或后退。为提高装置的空间利用率，将电机、减速器和丝杠螺母结合在一起，使得驱动部件结构紧凑。其三级减速器采用三组标准齿轮，依照速度的递减顺序，划分为一级、二级、三级。一级齿轮组材料使用40Cr（调质后淬火），二级和三级齿轮组材料采用45Cr（调质后表面淬火）。丝杆螺母结构分别采用45钢和青铜材料，受空间限制，丝杆导程S=2mm、直径d=10mm。电机的输出额定转速为4000r/min，输出额定功率为60W，减速器的传动比为26.25，则减速器输出转速约为150r/min，丝杆螺母结构的输出转速为5mm/s。根据减速器和丝杆螺母的效率计算，驱动机构输出最大推力可稳定达到3000N。驱动机构剖视图如图2所示。

图2 驱动机构剖视图

2.2 连接件

连接件共两个，采用45钢作为材料。与驱动机构的连接采用销轴连接，与法兰和锁销采用螺纹连接。由于锁销的振动和摩擦，采用粗牙螺纹，以提高连接强度和产品互换性。

2.3 锁销

锁销设有导向锥头和防脱槽。导向锥头在锁销运动时具有导向作用，避免锁销发生卡位的现象。在锁销的开锁状态时，锁定螺钉下压，锁定锁销，防止因震动产生脱落。

3 电气控制设计分

本装置的电气部分由按钮开关、12V小型直流电机和驱动机构中限位开关组成。在锁销处于开锁状态下，前进按钮（SB1）按下后，电机正向运转，锁销前进。当到达驱动机构中的限位开关时，锁销完成上锁状态，电机主电路切断，电机停止。锁定状态下，后退按钮按下后，电机反向运转，锁销后退。当到达驱动机构中的限位开关时，锁销完成开锁状态，电机主电路切断，电机停止。推杆的行程即为锁销两状态下的位置距离，电路原理如图3所示。

4 测试数据与结果分析

设计完成后，用制造出来的实物与传统的手动式叶轮锁进行测试比较。在同一安装环境、同一锁销孔直径下进行多次测试。计算装置的空间占用率，记录锁销的上锁时间、开锁时间，验证电动叶轮锁的便捷度和稳定性。

图3 电路原理

空间占用率：手动式叶轮锁结构简单，与电动叶轮锁相比，占用率相当。手动式叶轮锁的手柄在狭小的空间里无法正常使用。与此对比，电动叶轮锁不存在这个问题。

上锁时间和开锁时间：电动叶轮锁在上锁时间和开锁时间稳定在60s左右，同时操作人员无需工具。手动叶轮锁上锁时间和开锁时间受操作人员的影响，操作工具需要手柄或者扳手。

对以上结果进行分析后，笔者得出以下结论：电动叶轮锁在占用同样的空间上，紧凑的结构实现了基本叶轮锁的功能；电动叶轮锁拥有极高的简便性，对操作人员的要求低；缺少大量的测试次数，没有得到电动叶轮锁的故障率，安全性有待大量的数据验证。

针对结论，笔者提出以下改进电动叶轮锁的措施：为保障电动叶轮锁的安全性，在原电动叶轮锁装置法兰的内部增加手动机构，保证电气部分失效后，能使用手动部分进行锁定。新机构目前还处于设计调试中。

4 结论

风力发电机电动叶轮锁能实现电气化操作和锁销的精准锁定，解决了目前手动叶轮锁费时费力、安全性低的问题。在结构上，其具有较高的紧凑性，便于安装拆卸，同时在控制系统上，拥有机械互锁功能，有利于风机后期的电气自动化。在应用范围上，该电动叶轮锁能够适用各种型号规格的风力发电机。目前，许多风机企业急需此类自动化产品，因此该电动叶轮锁具有很高的市场竞争力和存活力，具有十分可观的发展前景。