Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

Дудников В.С.

Днепропетровский национальный университет, Украина

Методика выбора основных взаимосвязанных проектных параметров электромеханического устройства поворота лопастей ветроколеса

В большинстве ветроэнергетических установок (ВЭУ) с регулированием путем поворота лопастей ветроколеса используются электромеханические устройства с поступательным перемещением исполнительного штока. Эти устройства, в общем случае, содержащие электродвигатель, редуктор, винтовую передачу (трение скольжения или трения качения), электромагнитный управляемый тормоз (или фрикционную муфту сцепления), концевые выключатели и датчик линейных перемещений штока, пропорциональных углу поворота лопастей ветроколеса.

Составными частями методики выбора основных проектных параметров электромеханического устройства является кинематические, геометрические, прочностные, динамические расчеты основных частей устройства, их взаимное увязки и согласования параметров. При кинематическом расчета, исходя из заданной по условиям эксплуатации ВЭУ скорости поступательного перемещения штока и частоты вращения выбранного по мощности электродвигателя, определяется передаточная функция всего устройства в целом и, в частности, передаточная функция винтовой передачи и передаточное отношение редуктора. Выбор схемы редуктора производится при детальной проработке конструкции устройства после оптимизации совокупности параметров.

Предпочтение отдается использованию винтовых, шариковых передач и редукторов (мотор-редукторов), которые серийно изготавливаются. В этом случае решается задача увязки кинематических параметров составных частей. В результате силового и прочностного расчетов определяются геометрические параметры винтовой передачи, зубчатого редуктора, электромагнитного тормоза, реализующих заданную нагрузочную способность конструкции, долговечность и надежность. Рекомендуется использовать шариковые винтовые передачи, имеющих коэффициент полезного действия около 95%. Это позволяет в три раза уменьшить заказанную мощность двигателя.

Вследствие высокого коэффициента полезного действия шариковые винтовые передачи делают устройство несамотормозящимся на обратном ходу, а поэтому незаменимыми для ВЭУ, в которых для аварийного перевода лопастей ветроколеса во флюгерное положение используется усилие возвратных пружин.

При динамическом расчете строится динамическая модель регулятора как механизма с одной степенью свободы. Определяются приведенные инерционно-массовые и нагрузочные характеристики, решается дифференциальное уравнение движения, вычисляется время и путь торможения привода после отключения двигателя и тормоза, оценивается точность позиционирования.

Эффективность использования электромеханического устройства для поворота лопастей в значительной степени зависит от взаимной согласованности и увязки параметров составных частей устройства.

Проектные параметры составных частей должны быть согласованы между собой так, чтобы обеспечить одинаковую их долговечность (ресурс) работы в составе ВЭУ.

Применение методики покажем на примере выбора проектных параметров устройства поворота лопастей при следующих исходных данных (ВЭУ-500):

- максимальная осевая нагрузка ;

- скорость перемещения штока ;

- рабочий ход ;

- режим работы – перекладка лопастей с частотой один раз в 10 мин.

Выбор электродвигателя

Мощность на выходе (полезная)

(1)

Коэффициент полезного действия (КПД)

(2)

где = 0,84 – к.п.д. шариковой винтовой передачи;

= 0,98 – к.п.д. одной пары зубчатого зацепления;

= 0,98 – к.п.д. одной пары подшипников;

– число пар зубчатых зацеплений;

– число пар подшипников.

Заказанная мощность двигателя при установившемся режиме работы

(3)

Рассмотрим два варианта:

Вариант 1 - асинхронный трехфазный короткозамкнутый двигатель 4А80В4У3, у которого мощность асинхронная частота вращения об/мин, момент инерции массы ротора .

Вариант 2 - асинхронный трехфазный короткозамкнутый двигатель 4А80В2У3 (АИР80В2), у которого мощность  об/мин, .

Скорость перемещения штоков при максимальной нагрузке

; (4)

. (5)

Принимаем вариант 2, так как он обеспечивает заданные требования по быстродействию.

Крутящий момент на валу двигателя

. (6)

Максимальная нагрузка при

. (7)

Таким образом, при и имеется запас по максимальному усилию в 1,357 раза.

Выбор шариковой винтовой передачи

После анализа технических характеристик отечественных шариковых винтовых передач, серийно изготавливаемыми, принимаем передачу 80х20.

Частота вращения винта шариковой винтовой передачи

. (8)

Долговечность передачи

г. (9)

Согласно исходным данным электромеханический привод должен обеспечивать перекладку лопастей с частотой один раз в 10 мин. Время одной перекладки (поворот лопастей из одного крайнего положения в другое и обратно)

. (10)

Коэффициент использования во времени

. (11)

С учетом долговечность передачи составит

г. (12)

Фактическая долговечность будет выше, потому что расчет произведен при , а эксплуатационная нагрузка меняется от до .

Угол подъема винтовой линии

. (13)

Приведенный угол трения

, (14)

где - коэффициент трения качения;

- диаметр шарика;

- угол контакта шарика с дорожкой качения.

.

Коэффициент полезного действия шариковой винтовой передачи

. (15)

Значение к.п.д. превосходит ранее принятое предыдущее значение.

Максимальный движущий момент на винте

Максимальный удерживающий момент на винте

(17)

Выбор мотор-редуктора

Принимаем планетарный двухступенчатый мотор-редуктор ЗМП-40-90-225-310-УЗ, 380В, для которого:

– к.п.д. редукторный части – 0,97;

– к.п.д. мотор-редуктора – ;

– двигатель АИР 80В2 мощностью 2,2 кВт;

– передаточное отношение .

Мотор-редуктор допускает длительную работу (от 8 ч / д до 24 ч / д), реверсивный (вращения выходного вала в любую сторону), при работе на высоте над уровнем моря до 1000 м.

Полный девяностопроцентный ресурс зубчатых передач мотор-редуктора не менее 40000 часов.

Полный девяностопроцентный ресурс подшипников не менее 10000 час.

С учетом долговечность мотор-редуктора превосходит 20 лет.

Выбор электромагнитного тормоза

Тормозной момент, необходимый для удержания вала двигателя

, (18)

где – передаточное отношение мотор-редуктора;

– коэффициент полезного действия мультипликатора.

Для надежного торможения винта необходимо, чтобы момент на валу двигателя не превосходил номинального фиксирующего (безлюфтового) момента избранное тормоза. Выбираем электромагнитный тормоз НЗТБ11-10, для которого номинальный передан момент 16 Нм, номинальный фиксирующий (безлюфтовий) момент 8Нм, время включения не более 0,05 с.

Выбор подшипников винта

В качестве опорных подшипников винта шариковой винтовой передачи целесообразно использовать конические радиально-упорные роликоподшипники с большим углом конусности. Подшипники устанавливаются попарно «враспор» на одном конце винта. По конструктивным соображениям выбираем подшипник 27315, для которого внутренний диаметр 75 мм, внешний диаметр 160 мм, динамическая грузоподъемность С = 116620 Н (11900 кгс).

Расчетная долговечность подшипников при непрерывной работе при постоянной нагрузке

г., (19)

где – коэффициент осевой нагрузки.

С учетом и сменности нагрузки фактическая долговечность составит 41 год.