Технические науки / 3. Отраслевое машиностроение

Дудников В.С.

Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара, Украина

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИВОД СИСТЕМЫ ТОРМОЖЕНИЯ ВЕТРОКОЛЕСА

Исследования работы ВЭУ большой мощности показали, что при сильных ветрах свыше 13-15 м/с могут возникать аварийные ситуации при саморазгоне ветроколеса. Систему управления ВЭУ настраивают на превышение угловой скорости над номинальной, например на . При по команде системы управления ВЭУ производится перевод лопастей ветроколеса во флюгерное положение [1]. Однако, в ряде случаев, например при неисправности механизма поворота лопастей, отказе гидросистемы, поломке тяг, других неисправностях, а также при недостатке мощности привода, например, при низких температурах и возросшем трении, возможен невыход лопастей ветроколеса во флюгерное положение. В результате этого ветроколесо, продолжая отбирать мощность от ветропотока, начинает саморазгоняться. При превышении угловой скорости ветроколеса на номинальной величины нарушается работа синхронного генератора с сетью, в результате чего генератор может сгореть от перегрузки. Ветроколесо при потере отбора от него мощности продолжает разгон. В результате скорость вращения может достигать 2-х, 3-х и более кратной номинальной. Мощность, отбираемая от ветропотока, нарастает и аварийная ситуация становится неизбежной.

Поэтому на ВЭУ мощностью выше 4 кВт должны быть предусмотрены как минимум две независимые системы торможения – рабочая и аварийная [2,3]. Система торможения должна быть способна привести ветроколесо в состояние холостого хода или его полной остановки из любого рабочего состояния. Тормоз после приведения его в действие должен быть способен удерживать ветроколесо в состоянии полной остановки при заданных параметрах ветра не менее 1 ч. На периоды более длительных отключений от сети должна быть предусмотрена возможность приведения тормоза в действие как с помощью резервного источника питания, так и вручную.

Тормозное устройство может быть выполнено в виде ленточного, дискового или колодочного (барабанного) тормоза с электромагнитным приводом, гидравлического тормоза с регулируемым дросселем, электромагнитного тормоза вихревого или порошкового типа [4].

Заслуживают внимания предохранительные тормоза для ветроэнергетических установок, разработанные фирмой MAYR для приводов поворота лопастей и гондолы, способные работать при температуре минус [5].

Система торможения ветроустановки [6] содержит основной тормоз, снабженный приводом со штоком, блок управления с логическим элементом, связанный с генератором, ручной тормоз и пульт управления. Шток снабжен роликом, ручной тормоз выполнен в виде барабана с канатом, огибающим ролик и снабженным упругим элементом (пружиной). Привод выполнен электромеханическим и связан с блоком управления, а основной тормоз соединен с дополнительным барабаном через канат. Основной тормоз снабжен датчиком эффективности торможения. В автоматическом режиме при возрастании напряжения на обмотках генератора выше допустимого логический элемент блока управления подает напряжение на привод, который перемещает ролик вниз, что приводит к срабатыванию основного тормоза. При достижении достаточного тормозного момента срабатывает датчик и подает сигнал на блок управления, который выключает привод. В полуавтоматическом режиме сигнал о торможении поступает на логический элемент с пульта управления. Ручное торможение осуществляется поворотом дополнительного барабана, наматывающего канат.

В одной из конструкций ВЭУ, разработанных конструкторским бюро «Южное», для торможения ветроколеса использован закрытый дисковый тормоз с сервоусилением, получивший широкое применение в тракторах [7]. Тормоз представляет собой два тормозных диска с фрикционными накладками, установленные на шлицах вращающегося тормозного вала с возможностью передвижения в осевом направлении. Между ними находятся два нажимных диска, соединенные двумя серьгами и тягой с тормозной педалью. Между нажимными дисками в их лунках со скосами установлены разжимные шарики. Нажимные диски прижаты друг к другу пружинами. При нажатии на педаль тормоза тяга через серьги стремится повернуть нажимные диски навстречу друг другу. В результате разжимные шарики выкатываются из лунок и заставляют перемещаться нажимные диски вдоль оси тормозного вала, прижимая тормозные диски к неподвижным упорным дискам, соединенным с корпусом тормоза. Тормоз полностью уравновешен и не нагружает подшипники тормозного вала. Он при малом усилии на педали управления обеспечивает высокую эффективность торможения.

Нами в качестве «педали» разработан специальный электромеханический привод тормоза ветроколеса.

Принцип работы привода тормоза ветроколеса рассматривается согласно принципиальной кинематической схеме (рис.).

Вращение от электродвигателя 1 через двухступенчатый зубчатый редуктор 2, 3, 4, 5 передается выходному валу 6, в котором закреплена гайка 7. Гайка 7 навинчивается на ходовой винт 8, соединенный со стаканом 9. Стакан 9 через шарики 10 соединен с серьгой 11 и зафиксирован от вращения винтом 12. Серьга 11 присоединяется к подвижной части тормоза через рычажную передачу. Вал 6 установлен на двух подшипниках 13 с возможностью вращения и проскальзывания относительно вала-корпуса 14. Для этого на валу 14 между подшипниками 13 установлены две втулки 15 и пружина 16. Усилие пружины 16 через втулки 15, подшипники 13 замыкается на упорах 17, 18 и 19, 20, выполненных соответственно на валу-корпусе 14 и выходном валу 6. На валу-корпусе 14 закреплена вторая серьга 21, с помощью которой привод тормоза присоединяется к неподвижной части (корпусной) тормоза.

Для ограничения осевых перемещений винта 8 со стаканом 9, а также создаваемого усилия используются электромеханические концевые выключатели 22 и 23 соответственно. Концевой выключатель содержит микропереключатель 24 (типа МП1-1), ось 25, втулку 26, пружину 27, шток 28, жестко соединенный со втулкой 26. Под действием усилия пружины сжатия 27

шток 29 микропереключателя находится в утопленном состоянии.

Концевой выключатель 22 срабатывает при взаимодействии кольцевого выступа 30 стакана 9 со втулкой 26 при максимально допустимом выдвижении винта 8. При этом происходит сжатие пружины 27, перемещение втулки 26 вправо и освобождение штока 29 микропереключателя 24. При размыкании контактов микропереключателя 24 подается команда на отключение электродвигателя 1. Привод останавливается и его состояние соответствует максимально выдвинутому положению винта 8, при котором тормоз ветроколеса полностью расторможен.

Пружина 16 при сборке привода поджимается до усилия 735 H (75 кгс). При работе привода в режиме создания тормозного усилия винт 8 втягивается внутрь пустотелого вала 6. Создающееся осевое усилие через упор 20, левый подшипник 13, втулку 15, пружину 16, вторую втулку 15, правый подшипник 13, упор 17 вала-корпуса 14, серьгу 21 замыкается на корпусе тормоза. Если осевое усилие не превосходит усилия предварительного поджатия пружины 16, то в зацеплении зубчатых колес 4, 5 не происходит их осевого проскальзывания.

При возрастании усилия свыше 750 H начинает дополнительно поджиматься пружина 16, при этом колесо 5 смещается в осевом направлении относительно колеса 4. Вместе с колесом 5 смещается вал 6, на котором выполнен кольцевой выступ 31. При смещении выступа 31 на 5 мм пружина будет сжиматься усилием 835 H (85 кгс). В этот момент срабатывает концевой выключатель 23, ограничивающий величину тормозного усилия.

Устройство снабжено ручным дублером привода. В этом случае принудительное вращение винта 8 осуществляется при помощи поводков 32, жестко закрепленных на стакане 9, после удаления винта 12. Тогда стакан 9 вращается через шарики 10 относительно невращающейся серьги 11, а винт 8, жестко с ним соединенный, ввинчивается (или вывинчивается) в гайку 7, подтягивая к себе вал 6 и создавая осевое усилие.

Работа ручного дублера привода осуществляется до тех пор, пока не сработают визуальные сигнализаторы достижения предельных состояний (максимального выдвижения винта 8 и максимального тормозного усилия), установленные на концевых выключателях 22 и 23. Сигнализаторы выполнены в виде вращающихся шторок 33, подпружиненных пружиной растяжения 34 и опирающихся на выступающий из втулки 26 конец штока 28, который установлен относительно корпуса с зазором, не превышающим толщину шторки. Во взведенном состоянии внешняя часть шторки 33 возвышается над корпусом концевого выключателя. После контактирования втулок 26 с выступами 30 или 31 зазор между концом штока 28 и корпусом увеличивается и через него под действием пружины 34 проваливается язычок шторки 33, при этом ее внешняя часть опускается на корпус концевого выключателя, что визуально указывает на срабатывание того или иного концевого выключателя, а следовательно, и на достижение одного из предельных состояний. После этого работа ручного дублера привода приостанавливается.

Техническая характеристика привода тормоза:

- вид напряжения питания постоянное

- напряжение питания, В 27±3

- потребляемый ток, А 1,45±0,15

- пусковой ток, А 2,9±0,3

- вид создаваемой нагрузки осевое усилие

- наибольшее развиваемое усилие, Н (кгс) 835±80 (85±7,8)

- направление развиваемого усилия реверсивное

- рабочий ход, мм 75

- скорость перемещения штока, мм/с 7,2

- рабочее положение в пространстве любое

- режим работы повторно-кратковременный

Литература

1. Патент РФ №2075040, МПК F03D7/04. Способ управления ветроэнергетической установкой. Забегаев А.И., Горбунов Ю.Н., Клещенко В.Г., Новак Ю.И., Демкин В.В.. Заявитель и патентообладатель Товарищество с ограниченной ответственностью фирма «Общемаш-инжиниринг». - №95107095106. Подача заявки: 20.04.1995. Дата публикации: 20.03.1997.

2. ГОСТ Р 54418.1-2012 (МЭК 61400-1:2005) Возобновляемая энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Часть 1. Технические требования. Ссылка на электронный ресурс: http://docs.cntd.ru/document/1200104895.

3. ГОСТ Р 51991-2002. Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Общие технические требования. Ссылка на электронный ресурс: http://www.ohranatruda.ru/ot_biblio/normativ/data_normativ/40/40075/

4. Свидетельство на полезную модель 32206. Российская Федерация. МПК F03D7/00. Жестков Ю.Н.. Заявитель и патентообладатель Жестков Юрий Николаевич. - №2002131532/20. Подача заявки: 27.11.2002. Дата публикации: 10.09.2003.

5. Предохранительные тормоза для ветроэнергетических установок. Ссылка на электронный ресурс: http://www.wamex54.ru/documents/mayr/roba_stop_m_v2.pdf.

6. Патент №1580052 СССР. Система торможения ветроустановки. Коваленко В.И., Коханевич В.П., Шихайлов Н.А., Шевченко В.Ю.. - №44447949/25-06. Подача заявки: 27.06.1988. Дата публикации: 23.07.1990.

7. Тракторы. Конструкция: Учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению «Наземные транспортные системы» и специальности «Автомобиле- и тракторостроение» / И.П. Ксеневич, В.М. Шарипов, Л.Х. Арустамов и др.; Под общ. ред. И.П. Ксеневича, В.М. Шарипова. – М.: МГТУ «МАМИ», 2001. – 821 с.