CN106979129B - 风电机组装配实训装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

一种风电机组装配实训装置，所述装配实训装置主要由主机、装配体位置调节系统、显示设备和电气系统构成；电气系统由人机交互、控制单元和执行单元三部分组成，人机交互单元和执行单元连接控制单元；装配体位置调节系统包括机架、吊车、滑轨和倾覆装置，吊车吊装在滑轨下方并能沿滑轨移动，滑轨设置在机架的顶端，吊车和倾覆装置的电机连接执行单元。该装置可以作为高校教学辅助使用，该装配实训装置结构外形完全从大型风力发电机组缩比而成，能够开展大型风力发电机组的装配顺序和装配精度的操作训练。

Description

风电机组装配实训装置及实验方法

技术领域

本发明涉及一种风电机组装配实训装置及实验方法。

背景技术

风力发电作为未来可取代传统能源的“绿色能源”之一，其发展的速度在诸如太阳能、生物质能和潮汐能等可再生能源中是最具有市场化规模及前景的。在一些国家，风能发电已能提供全国电能需求的10%~20%，有的甚至达到50%以上。虽然中国的风电事业起步比较晚，但在国家政策大力支持下，过去10年内的风力发电装机容量年均增长速度达到了55%以上，前景看好。

由于风电事业的蓬勃发展，风力发电机装机容量的逐年增长，风电机组装配就显得极为重要。但是目前还没有一种可以进行装配实验的装置来解决装配实训的问题。

发明内容

发明目的：本发明提供一种风电机组装配实训装置及实验方法，其目的是解决以往所解决的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种风电机组装配实训装置，其特征在于：所述装配实训装置主要由主机、装配体位置调节系统、显示设备和电气系统构成；电气系统由人机交互、控制单元和执行单元三部分组成，人机交互单元和执行单元连接控制单元；装配体位置调节系统包括机架、吊车、滑轨和倾覆装置，吊车吊装在滑轨下方并能沿滑轨移动，滑轨设置在机架的顶端，吊车和倾覆装置的电机连接执行单元。

人机交互单元包括人机界面操作按钮和指示灯；控制单元包括 PLC及与PLC连接的驱动单元；执行单元包括执行机构和信号检测单元；执行机构和信号检测单元连接PLC。

控制单元电气元件安装在机架的侧面。

在机架的操作平台上设置有装配实训装置主机，该主机完全按照大型风力发电机组单轴承齿轮箱三点支撑结构设计，该主机主要包括风轮、主轴、主轴承、齿轮箱、联轴器和发电机。

在机架的操作平台上还设置有偏航系统，主要包括偏航轴承、偏航电机、偏航减速机、偏航小齿轮和偏航制动器。

在机架的操作平台上还设置有可进行液压管路装配的实训操作的液压系统，液压系统连接至执行机构。

在机架的操作平台的侧面设置有三角支架，该三角支架包括横向底杆、斜撑杆和支撑顶杆，横向底杆、斜撑杆和支撑顶杆形成三角结构，横向底杆的一端和斜撑杆的一端之间通过第一转轴活动连接，使得横向底杆和斜撑杆之间的夹角能够调整大小，横向底杆的另一端通过第二转轴与支撑顶杆的一端活动连接，支撑顶杆的外侧使用时顶住墙壁或者操作平台的侧面，斜撑杆的另一端连接滑轮，滑轮与支撑顶杆的内侧活动顶触，滑轮使用时沿支撑顶杆的内侧上下移动；

横向底杆的中部设置有拉紧装置，该拉紧装置包括固定底筒和移动调整杆，移动调整杆为能相对固定底筒做上下移动的结构，移动调整杆的下端伸进固定底筒内，固定底筒的上端通过连接轴连接斜撑杆，移动调整杆外壁设置有外螺纹，固定底筒的上端设置有调整螺母，调整螺母为能相对固定底筒做相对转动的结构，调整螺母与固定底筒之间轴向方向相对固定，调整螺母设置有内螺纹，移动调整杆穿过调整螺母且与调整螺母的内螺纹配合，通过调整螺母的旋转控制动调整杆的升降。

支撑顶杆的外侧为弧形金属弹片结构。

利用上述的风电机组装配实训装置所实施的实验方法，其特征在于：利用装配体位置调节系统来调节装配体结构件的位置，结构件上方留有螺纹孔，将吊环螺栓安装在结构件上，使用吊车吊起结构件，实现结构件在上、下、前、后方向调节；该装配实训装置安装有测距传感器，通过测量装配关键结构件的定点距离，判断装配实训过程是否符合标准，并且作为装配实训课程的评分依据；

该装配实训装置设计有上位机软件用来监测和考评学生实验过程的，也是人机交互的窗口。

所述方法的具体过程如下：

该风电机组装配实训装置外形设计完全按照大型风力发电机组缩比而成，能够完成的功能实验如下：

(1) 主轴装配试验

主轴传动结构与大型三点支撑机型具有相同的结构，进行主轴三点支撑装配训练；

(2) 齿轮箱装配试验

齿轮箱配有减震装置，进行三点支撑装配训练；

(3) 发电机装配试验

进行发电机安装时轴线对中装配训练；

(4) 偏航驱动装配试验

该实训系统偏航驱动与大型风电机组相同，具有偏航驱动和偏航轴承结构，进行偏航齿隙调整装配训练；

(5) 机械制动装配试验

齿轮箱与发电机之间装配有制动装置，进行制动装置调平装配训练；

(6) 偏航制动装配试验

偏航系统装配有制动装置，进行制动装置与刹车片间隙调整装配训练；

(7) 液压管路装配试验

大型风电机组的液压站主要给偏航制动器、风轮制动和主轴刹车提供动力，在该风电机组装配实训装置进行液压站管路连接装配训练；

(8) 电气系统装配试验

进行电气线路连接装配训练。

优点及效果：

本发明提供一种风电机组装配实训装置及实验方法，该装置可以作为高校教学辅助使用，该装配实训装置结构外形完全从大型风力发电机组缩比而成，能够开展大型风力发电机组的装配顺序和装配精度的操作训练。

附图说明：

图1是本发明的操作台的俯视图；

图2为图1的立体图；

图3为整体示意图；

图4为另一个角度的整体示意图；

图5为电气系统组成框图；

图6为三角支架的结构示意图。

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的描述：

如图1所示，本发明提供一种风电机组装配实训装置，所述装配实训装置主要由主机、装配体位置调节系统、显示设备和电气系统构成；电气系统由人机交互、控制单元和执行单元三部分组成，人机交互单元和执行单元连接控制单元；装配体位置调节系统包括机架1、吊车2、滑轨3和倾覆装置，吊车吊装在滑轨3下方并能沿滑轨3移动，滑轨3设置在机架1的顶端，吊车2和倾覆装置的电机连接执行单元。

人机交互单元包括人机界面4、操作按钮和指示灯；控制单元包括 PLC及与PLC连接的驱动单元；执行单元包括执行机构电机、泵类 和信号检测单元；执行机构和信号检测单元连接PLC。

控制单元电气元件安装在机架1的侧面。方便与装配实训装置主机部分连接，实现系统主传动链的电气控制。同时与显示设备连接，实现显示实时监控数据反馈。

在机架1的操作平台5上设置有装配实训装置主机，该主机完全按照大型风力发电机组单轴承齿轮箱三点支撑结构设计，该主机主要包括风轮、主轴、主轴承、齿轮箱、联轴器和发电机等部分。

在机架1的操作平台5上还设置有偏航系统，主要包括偏航轴承、偏航电机、偏航减速机、偏航小齿轮和偏航制动器等。

在机架1的操作平台5上还设置有可进行液压管路装配的实训操作的液压系统，液压系统连接至执行机构。

该装配实训装置安装有位置调节系统，包括有吊车、滑轨和倾覆装置。主要用来调节装配体结构件的位置。结构件上方留有螺纹孔，将吊环螺栓安装在结构件上，使用吊车吊起结构件，可以实现结构件在上、下、前、后方向调节。

所有的控制系统电气元件安装在支架的侧面。方便与装配实训装置主机部分连接，实现系统主传动链的电气控制。同时与显示设备连接，实现显示实时监控数据反馈。

在机架1的操作平台5的侧面设置有三角支架，该三角支架包括横向底杆6、斜撑杆7和支撑顶杆8，横向底杆6、斜撑杆7和支撑顶杆8形成三角结构，横向底杆6的一端和斜撑杆7的一端之间通过第一转轴9活动连接，使得横向底杆6和斜撑杆7之间的夹角能够调整大小，横向底杆6的另一端通过第二转轴10与支撑顶杆8的一端活动连接，支撑顶杆8的外侧使用时顶住墙壁或者操作平台5的侧面，斜撑杆7的另一端连接滑轮11，滑轮11与支撑顶杆8的内侧活动顶触，滑轮11使用时沿支撑顶杆8的内侧上下移动；

横向底杆6的中部设置有拉紧装置，该拉紧装置包括固定底筒12和移动调整杆13，移动调整杆13为能相对固定底筒12做上下移动的结构，移动调整杆13的下端伸进固定底筒12内，固定底筒12的上端通过连接轴连接斜撑杆7，移动调整杆13外壁设置有外螺纹，固定底筒12的上端设置有调整螺母14，调整螺母14为能相对固定底筒12做相对转动的结构，调整螺母14与固定底筒12之间轴向方向相对固定，调整螺母14设置有内螺纹，移动调整杆13穿过调整螺母14且与调整螺母14的内螺纹配合，通过调整螺母14的旋转控制动调整杆13的升降。

支撑顶杆8的外侧为弧形金属弹片结构。使用这种结构主要是防止硬性顶触对操作平台5造成损坏。

为方便旋拧，可以在调整螺母14上加个扶手杆。

该三角支架使用时，将第一转轴9的一端顶住墙体与地面之间的墙角，将支撑顶杆8的外侧顶住操作平台5,然后旋拧调整螺母14,使得调整杆13下移，将斜撑杆7下拉，滑轮11下移，进而使得横向底杆6与支撑顶杆8之间的夹角变大，使得支撑顶杆8顶紧操作平台5。这样就会在操作的时候防止操作平台5移动而影响实验效果。

下面对本发明做进一步的详细说明：

所述方法的具体功能组成如下：

该风电机组装配实训装置外形设计完全按照大型风力发电机组缩比而成，能够完成的功能实验如下：

(1) 主轴装配试验

主轴传动结构与大型三点支撑机型具有相同的结构，可以进行主轴三点支撑装配训练。

(2) 齿轮箱装配试验

齿轮箱配有减震装置，可以进行三点支撑装配训练。

(3) 发电机装配试验

可以进行发电机安装时轴线对中装配训练。

(4) 偏航驱动装配试验

该实训系统偏航驱动与大型风电机组相同，具有偏航驱动和偏航轴承结构，可以进行偏航齿隙调整装配训练。

(5) 机械制动装配试验

齿轮箱与发电机之间装配有制动装置，可以进行制动装置调平装配训练。

(6) 偏航制动装配试验

偏航系统装配有制动装置，可以进行制动装置与刹车片间隙调整装配训练。

(7) 液压管路装配试验

大型风电机组的液压站主要给偏航制动器、风轮制动和主轴刹车提供动力，在该风电机组装配实训装置可以进行液压站管路连接装配训练。

(8) 电气系统装配试验

可以进行电气线路连接装配训练。

风电机组装配实训装置总体结构，主要包括装配实训装置主机、装配体位置调节系统、显示器设备和电气系统4部分。电气系统由人机交互、控制单元、执行单元三部分组成：其中人机交互包括人机界面、操作按钮、指示灯类；控制单元包括 PLC及驱动单元；执行单元包括执行机构（电机、泵）类 、信号检测单元。

该风电机组装配实训装置主机结构按照风力发电机组单轴承齿轮箱三点支撑结构设计。

该风电机组装配实训装置主机包括风轮、主轴、主轴承、齿轮箱、联轴器和发电机等部分，按照大型风力发电机组单轴承齿轮箱三点支撑结构设计。风轮按照大型风电机组风轮设计，包括轮毂、导流罩、变桨系统和叶片，可以实现风电机组的变桨模拟实验。主轴安装在风轮和齿轮箱之间。主轴前端通过螺栓与轮毂刚性连接，后端与齿轮箱低速轴采用键连接方式连接。主轴承起支撑主轴的作用，采用调心滚子轴承，并通过轴承座固定安装在装配实训装置上，该装配实训装置的用来模拟风力发电机组的底盘。齿轮箱分为外部壳体和内部结构两部分，外部壳体外形按照大型风电机组齿轮箱外形设计，两侧采用扭力臂结构设计，齿轮箱的扭力臂安装在弹性减震器上，以便减小齿轮箱传递到底盘的振动。内部采取齿轮传动结构设计。在齿轮箱高速轴和发电机连接处设置联轴器，以弥补机组运行过程轴系的安装误差，解决传动链轴系的不对中问题。联轴器上安装有制动系统，可以实现制动器和摩擦盘的实训装配操作，结构上完全实现与大型风力发电机组的结构一致。

发电机分为外部壳体和内部结构两部分，外部壳体外形按照大型风力发电机外形设计。内部结构为步进电机，步进电机经过减速机减速后带动齿轮箱高速轴旋转，齿轮箱采用双轴承两点支撑结构，高速轴通过齿轮传动带动低速轴旋转，从而带动主轴旋转，进而实现轮毂旋转，实现传动链转动运行，考察传动链装配是否正确。发电机装配可以实现轴线对中装配实训操作。

偏航系统的结构设计包括偏航轴承、偏航电机、偏航减速机、偏航小齿轮和偏航制动器等。偏航轴承通过螺栓安装在装配实训装置上。偏航电机、偏航减速机和偏航小齿轮依次通过螺栓连接，组成偏航驱动机构。偏航驱动机构通过螺栓安装在装配实训装置上。同时实现齿轮齿隙的装配实训学习。偏航系统中安装有两个偏航制动器，通过制动器支架固定安装在装配实训装置上，可以实现制动装置调平装配实训操作。塔筒通过螺栓连接在偏航轴承的下面，实现塔筒装配实训操作。

该风电机组装配实训装置上配备有液压站，可进行液压管路装配的实训操作。

该风电机组装配实训装置上安装有位置调节系统，包括有吊车、滑轨和倾覆装置。主要用来调节装配体结构件的位置。结构件上方留有螺纹孔，将吊环螺栓安装在结构件上，使用吊车吊起结构件，可以实现结构件在上、下、前、后方向调节。

显示设备固定安装在支架上，位于支架的右上方，实时监控数据。

电气元件位于装配实训装置支架的侧面。所有的控制系统电气元件安装在支架的侧面。方便与风电机组装配实训装置主机部分连接，实现系统主传动链的电气控制。同时与显示设备连接，实现显示实时监控数据反馈。

该风电机组装配实训装置上定点位置预安装有测距传感器，通过测量装配的关键结构件的定点距离，判断风电机组装配实训装置是否满足要求，并且可以作为学生装配实训课程的评分依据。

该风电机组装配实训装置设计有上位机软件用来监测和考评学生实验过程的，也是人机交互的窗口。

风电机组装配实训装置主要功能

该风电机组装配实训装置外形设计完全按照大型风力发电机组缩比而成，能够完成的功能实验如下：

(1) 主轴装配试验

主轴传动结构与大型三点支撑双馈式机型具有相同的结构，可以通过该风电机组装配实训装置进行主轴三点支撑装配训练。

(2) 齿轮箱装配试验

齿轮箱配有减震装置，可以通过该风电机组装配实训装置进行三点支撑装配训练。

(3) 风轮装配试验

可以通过该风电机组装配实训装置进行风轮安装时轴线对中装配训练。

(4) 发电机装配试验

可以通过该风电机组装配实训装置进行发电机安装时轴线对中装配训练。

(5) 偏航驱动装配试验

该风电机组实训系统偏航驱动与大型风电机组相同，具有偏航驱动和偏航轴承结构，可以通过该装配实训装置进行偏航齿隙调整装配训练。

(6) 机械制动装配试验

齿轮箱与发电机之间装配有制动装置，可以通过该风电机组装配实训装置进行制动装置调平装配训练。

(7) 偏航制动装配试验

偏航系统处装配有制动装置，可以通过该风电机组装配实训装置进行制动装置调平装配训练。

(8) 液压管路装配试验

大型风电机组的液压站主要给偏航制动器、风轮制动和主轴刹车提供动力，在该风电机组装配实训装置上可以进行液压站管路连接装配训练。

(9) 电气系统装配试验

该风电机组装配实训装置上可以进行电气线路连接装配训练。

风电机组装配实训装置的主要特点

风电机组装配实训装置的研发主要面向全国各大具备风力发电专业的高校辅助教学之用，可以让学生在装配实训装置上进行风机结构件的装配操作和学习，其主要特点分为以下几点：

1、与大型风电机组具有相同外形结构，按单轴承三点支撑式风力发电机组比例缩小；

2、与大型风电机组具有相同外形结构，但是总体尺寸偏小，便于运输和空间放置，可以满足狭小的实验场地使用；

3、所有结构件都是独立的，可以实现任意结构件的装配训练；

4、电气系统留有接线端子，可以实现电气线路连接的装配训练；

5、液压站可以实现液压管路连接的装配训练，模拟真实的液压回路；

6、可以模拟大型风电机组的传动链运动，让学生对大型风电机组的运行有切身的体会；

7、通过对风电机组装配实训装置操作屏的学习，让学生学会管理和控制风机；

8、风电机组装配实训装置内安装有检验模块，可以根据位置和精度传感器的检测结果来判断装配实训操作是否正确；

9、风电机组装配实训装置模拟风机底盘，总体外形简洁，正面中间敞开，便于实现装配训练，可以直观的观看其内部结构；装配实训装置正面左右两侧的柜体内放置零件盒工具，便于整理、存放。

Claims (6)

1.一种风电机组装配实训装置，其特征在于：所述装配实训装置主要由主机、装配体位置调节系统、显示设备和电气系统构成；电气系统由人机交互单元 、控制单元和执行单元三部分组成，人机交互单元和执行单元连接控制单元；装配体位置调节系统包括机架（1）、吊车（2）、滑轨（3）和倾覆装置，吊车吊装在滑轨（3）下方并能沿滑轨（3）移动，滑轨（3）设置在机架（1）的顶端，吊车（2）和倾覆装置的电机连接执行单元；

在机架（1）的操作平台（5）的侧面设置有三角支架，该三角支架包括横向底杆（6）、斜撑杆（7）和支撑顶杆（8），横向底杆（6）、斜撑杆（7）和支撑顶杆（8）形成三角结构，横向底杆（6）的一端和斜撑杆（7）的一端之间通过第一转轴（9）活动连接，使得横向底杆（6）和斜撑杆（7）之间的夹角能够调整大小，横向底杆（6）的另一端通过第二转轴（10）与支撑顶杆（8）的一端活动连接，支撑顶杆（8）的外侧使用时顶住墙壁或者操作平台（5）的侧面，斜撑杆（7）的另一端连接滑轮（11），滑轮（11）与支撑顶杆（8）的内侧活动顶触，滑轮（11）使用时沿支撑顶杆（8）的内侧上下移动；

横向底杆（6）的中部设置有拉紧装置，该拉紧装置包括固定底筒（12）和移动调整杆（13），移动调整杆（13）为能相对固定底筒（12）做上下移动的结构，移动调整杆（13）的下端伸进固定底筒（12）内，移动调整杆（13）的上端通过连接轴连接斜撑杆（7），移动调整杆（13）外壁设置有外螺纹，固定底筒（12）的上端设置有调整螺母（14），调整螺母（14）为能相对固定底筒（12）做相对转动的结构，调整螺母（14）与固定底筒（12）之间轴向方向相对固定，调整螺母（14）设置有内螺纹，移动调整杆（13）穿过调整螺母（14）且与调整螺母（14）的内螺纹配合，通过调整螺母（14）的旋转控制移动调整杆（13）的升降；

该三角支架使用时，将第一转轴（9）的一端顶住墙体与地面之间的墙角，将支撑顶杆（8）的外侧顶住操作平台（5）,然后旋拧调整螺母（14）,使得调整杆（13）下移，将斜撑杆（7）下拉，滑轮（11）下移，进而使得横向底杆（6）与支撑顶杆（8）之间的夹角变大，使得支撑顶杆（8）顶紧操作平台（5）；

人机交互单元包括人机界面（4）操作按钮和指示灯；控制单元包括 PLC及与PLC连接的驱动单元；执行单元包括执行机构和信号检测单元；执行机构和信号检测单元连接PLC。

2.根据权利要求1所述的风电机组装配实训装置，其特征在于：控制单元电气元件安装在机架（1）的侧面。

3.根据权利要求1所述的风电机组装配实训装置，其特征在于：在机架（1）的操作平台（5）上设置有装配实训装置主机，该主机完全按照大型风力发电机组单轴承齿轮箱三点支撑结构设计，该主机主要包括风轮、主轴、主轴承、齿轮箱、联轴器和发电机。

4.根据权利要求3所述的风电机组装配实训装置，其特征在于：在机架（1）的操作平台（5）上还设置有偏航系统，主要包括偏航轴承、偏航电机、偏航减速机、偏航小齿轮和偏航制动器。

5.根据权利要求4所述的风电机组装配实训装置，其特征在于：在机架（1）的操作平台（5）上还设置有可进行液压管路装配的实训操作的液压系统，液压系统连接至执行机构。

6.根据权利要求1所述的风电机组装配实训装置，其特征在于：支撑顶杆（8）的外侧为弧形金属弹片结构。