CN113023506A - 一种安全性高的风电塔筒结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种安全性高的风电塔筒结构，包括塔筒、用于支撑轿厢的升降导轨、人爬梯、输电电缆，驱动装置通过钢丝绳驱动轿厢上下移动，塔筒内设有固定支架，固定支架与人爬梯、升降导轨固结，在人爬梯和升降导轨之间设有电缆固定块，输电电缆连接在电缆固定块上，驱动装置包括曳引机、同步电机，曳引机的输出轴上设有卷绕有钢丝绳的卷绕筒、蜗轮，同步电机的输出轴上设有与蜗轮啮合的蜗杆，蜗杆和蜗轮的传动比为w，曳引机和同步电机的转速为n1、n2，曳引机和同步电机的转速比控制在如下范围：1/1.1w≤n1/n2≤1/w。本发明能显著地提升工作人员在装配、检修维护时的安全性，并且方便对输电电缆进行检修维护。

Description

一种安全性高的风电塔筒结构

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，尤其是涉及一种安全性高的风电塔筒结构。

背景技术

随着人们环保意识的不断增强，风力发电的普及程度越来越高，相应地，风力发电机也得以迅速发展。目前的风力发电机通常包括一个竖直的塔筒、设置在塔筒顶端的风叶，当风叶受到锋利的作用而转动时，即可产生电能。可以理解的是，我们需要在塔筒内设置相应的输电电缆。此外，为了便于装配和后期的维护，还需要在塔筒上设置人爬梯和升降机，其中的人爬梯用于维护人员上下塔筒进行装配或维护，而升降机则主要用于装载装配和维护用的材料、工具等。

在现有的风力发电机上，人们通常将人爬梯和升降机设置在塔筒内部，一方面可提高安全性，另一方面，可提高塔筒的美观度，避免外露的人爬梯和升降机因日嗮雨淋而损坏。

但是，现有的设置在塔筒内的人爬梯和升降机存在如下缺陷：由于塔筒的高度较高，一方面，工作人员在竖直的人爬梯上向上攀爬时容易因疲劳或者分心导致从人爬梯上摔落；另一方面升降机在升降过程中缺少有效的制动机构，升降机的停机主要是依靠带动升降机升降的曳引机自身的制动机构实现制动的。可以理解的是，曳引机自身的制动机构主要是依靠摩擦力矩实现制动的，因此容易因摩擦力的改变而导致失效，或者因曳引机自身的故障、控制系统的故障等导致升降机快速上升到顶部或下降到底部，使升降机内的工作人员或者材料、装备承受巨大的冲击而受伤或损坏。

也就是说，现有的设置在塔筒内的人爬梯和升降机存在一定的安全隐患。另外，维护人员不方便通过攀爬人爬梯或者乘坐升降机对塔筒内的输电电缆进行检修维护。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的风电塔筒爬梯结构所存在的安全性低、不方便对输电电缆进行检修维护的问题，提供一种安全性高的风电塔筒结构，能显著地提升工作人员在装配、检修维护时的安全性，并且方便对输电电缆进行检修维护。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种安全性高的风电塔筒结构，包括竖直的塔筒，在塔筒内设有升降机、竖直的人爬梯、输电电缆，所述升降机包括升降导轨、可上下移动地设置在升降导轨上的轿厢、设置在升降导轨顶部通过钢丝绳驱动轿厢上下移动的驱动装置，所述升降导轨包括两条竖直的滑轨、横向地连接在两条滑轨之间的若干加强连杆，在塔筒内壁设有若干在高度方向间隔设置的固定支架，固定支架的一端固结在塔筒内壁上，固定支架的另一端与升降导轨固结，人爬梯固结在升降导轨与塔筒内壁之间的固定支架上，轿厢设置在升降导轨远离人爬梯的外侧，在人爬梯和升降导轨之间设有若干在高度方向间隔设置的电缆固定块，所述输电电缆连接在所述电缆固定块上，所述驱动装置包括由伺服电机制成的曳引机和同步电机、用于控制曳引机和同步电机的控制器，曳引机的输出轴上设有沿轴向间隔布置的卷绕筒、蜗轮，所述钢丝绳的一端连接在轿厢的顶部，钢丝绳的另一端固结并卷绕在卷绕轮上，同步电机的输出轴上设有与蜗轮啮合的蜗杆，曳引机和同步电机的输出轴上分别设有与控制器电连接的转速传感器，蜗杆和蜗轮的传动比为w，曳引机的转速为n1，同步电机的转速为n2，控制器使曳引机和同步电机的转速比控制在如下范围：1/1.1w≤n1/ n2≤1/w。

和现有技术相类似地，本发明的升降机包括竖直的升降导轨、可上下移动地设置在升降导轨一侧的轿厢、设置在升降导轨顶部诸如曳引机之类的驱动装置，在曳引机的输出轴上设置卷绕有钢丝绳的卷绕筒，钢丝绳的另一端连接轿厢。当曳引机带动卷绕筒转动时，即可卷绕或释放钢丝绳，从而带动轿厢升降。

和现有技术不同的是，本发明的驱动装置还包括一个同步电机，在曳引机的输出轴上还设有蜗轮，同步电机的输出轴上设有与蜗轮啮合的蜗杆。我们知道，蜗杆可以带动蜗轮转动，但是蜗轮无法带动蜗杆转动，也就是说，其具有单向传动功能。这样，当升降机运行时，控制器首先使曳引机和同步电机同时启动，并使曳引机和同步电机的转速比与蜗杆蜗轮的传动比相适应，避免曳引机和同步电机出现自锁。当升降机出现异常而快速升降时，曳引机的转速迅速上升，由于和曳引机同轴连接的蜗轮无法反向带动与同步电机同轴的蜗杆转动，因此，可有效地避免曳引机的超速转动，进而避免轿厢的快速上升或下降，提高升降机的安全性。

可以理解的是，当控制器感知曳引机的转速异常时，即可使曳引机和同步电机同时停机，以避免事故的发生。即使曳引机和控制器同时失控，此时的曳引机也只能按照轿厢升降的正常速度转动。反之，如果同步电机失控而超速，由于同步电机只是用于使蜗杆保持和蜗轮匹配的转速，因此，其负载和功率极小，无法通过蜗杆和蜗轮带动轿厢升降。

也就是说，本发明的制动不是依靠曳引机自带的制动机构，并且即使其中的同步电机、或者曳引机发生了故障，仍然可以保证升降机的安全。

另外，当n1/ n2＜1/1.1w时，会使同步电机的负载过大，也就是说，此时的同步电机会通过蜗杆、蜗轮“带动”轿厢升降。当n1/ n2大于1/w时，需要提高同步电机和曳引机转速的控制精度，一旦同步电机或者曳引机的转速轻微地偏离正常值时，容易出现蜗轮自锁——即曳引机自锁的问题。

特别是，人爬梯是固结在升降导轨与塔筒内壁之间的固定支架上，也就是说，人爬梯是靠近塔筒的内侧壁设置的，因此，我们可通过合理地设置人爬梯与塔筒内侧壁的间距，既方便操作人员自由地上下人爬梯，又可使操作人员在人爬梯上因意外后倾时，可贴靠在塔筒的内侧壁上，有利于避免操作人员从人爬梯上坠落。

作为优选，升降导轨在靠近顶部处设有辅助制动轮和制动杆，位于卷绕轮和轿厢之间的钢丝绳在辅助制动轮上卷绕至少一圈，辅助制动轮的侧面设有端面齿，所述制动杆与一由控制器控制的驱动元件相关联，当曳引机和同步电机的转速比控制在1/1.1w≤n1/n2≤1/w时，控制器控制驱动元件使制动杆处于与端面齿分离的待机位置；当曳引机和同步电机的转速比n1/ n2＞1/w时，控制器控制驱动元件使制动杆处于向前伸出抵靠端面齿的制动位置。

本发明在升降导轨靠近顶部处设有辅助制动轮和可伸缩以制动辅助制动轮的制动杆。这样，当曳引机和同步电机的转速比控制在1/1.1w≤n1/ n2≤1/w的设定范围内时，控制器控制驱动元件使制动杆处于与端面齿分离的待机位置，此时，当升降机升降时，钢丝绳可带动辅助制动轮自由转动，也就是说，轿厢的升降不会受到辅助制动轮的限制。当升降机快速上行或下移、曳引机的转速异常、曳引机和同步电机的转速比n1/ n2＞1/w时，控制器控制驱动元件使制动杆向前伸出抵靠端面齿，从而实现对辅助制动轮的制动，进而依靠与绕设在辅助制动轮上的钢丝绳的摩擦力对轿厢实现辅助制动，以进一步提升升降机的安全性能。

作为优选，所述电缆固定块包括有弹性的电缆夹块、设置在电缆夹块相背的两个外侧的夹紧片，电缆夹块的外侧设有半圆形的定位凹槽，在两个外侧的夹紧片之间设有穿过电缆夹块的紧固螺栓，所述输电电缆被夹紧片压紧在定位凹槽内，夹紧片的两端固定在固定支架上。

本发明的电缆固定块包括电缆夹块和夹紧片，在电缆夹块的外侧设有半圆形的定位凹槽。这样，需要定位竖直悬垂的输电电缆时，我们可使输电电缆卡入电缆夹块相应的定位凹槽内，然后用紧固螺栓将两个夹紧片加紧中间的电缆夹块，一方面可将输电电缆压紧在定位凹槽内，使输电电缆可靠定位；另一方面，输电电缆被定位在电缆夹块相背的两个外侧的定位凹槽内，从而可有效地避免输电电缆的纠缠打结。由于夹紧片的两端是固定在固定支架上的，因此，可确保输电电缆的稳固定位。

特别是，竖直的输电电缆位于人爬梯和升降滑轨之间，因此，工作人员可通过人爬梯或者升降机上升至输电电缆需要维护的高度，然后方便地对输电电缆进行维护。

作为优选，所述固定支架包括左右两侧的固定支杆，所述人爬梯连接在左右两侧的固定支杆之间，所述升降导轨的滑轨连接在对应一侧的固定支杆外侧。

可以理解的是,轿厢的宽度会大于人爬梯的宽度，相应地，升降导轨的宽度应大于人爬梯的宽度。本发明使人爬梯连接在左右两侧的固定支杆之间，而升降导轨的两根滑轨则连接在对应一侧的固定支杆外侧。这样，在保持固定支杆之间的距离不变的前提下，可方便地实现升降导轨的宽度大于人爬梯的宽度。

作为优选，所述固定支杆的中部内侧设有几字形的固定夹，从而在固定夹和固定支杆之间形成固定凹槽，所述人爬梯包括竖直地夹紧在固定夹的固定凹槽内的梯杆、横向连接在梯杆之间的踏杆。

本发明中人爬梯的竖直梯杆是通过几字形的固定夹固定在固定支杆内侧的，几字形的固定夹可通过两端脚部的落定与固定支杆固定连接，从而在固定夹和固定支杆之间形成固定凹槽，进而使人爬梯的梯杆夹紧在固定凹槽内，既方便组装，又可确保人爬梯的可靠固定。

作为优选，左右两侧的固定支杆端部相对弯折成连接部，与连接部对应位置的加强连杆上位于远离人爬梯的一侧包覆有固定夹，固定夹呈两侧具有向外延伸的固定脚的几字形，所述固定脚与对应的连接部螺钉连接。

本发明使左右两侧的固定支杆端部相对弯折形成L形的连接部。这样，升降导轨上横向的加强连杆可通过设置在外侧几字形的固定夹方便地固定在固定支杆的连接部上。由于升降导轨是通过加强连杆与固定支杆固定连接的，因此，可根据轿厢的尺寸设置两根滑轨之间的距离，确保轿厢在升降时的稳定。

因此，本发明具有如下有益效果：能显著地提升工作人员在装配、检修维护时的安全性，并且方便对输电电缆进行检修维护。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是驱动装置的一种结构示意图。

图3是辅助制动轮的一种结构示意图。

图4是本发明的一种横截面示意图。

图中：1、塔筒 11、固定脚 2、人爬梯 21、梯杆 22、踏杆 3、升降机 31、升降导轨311、滑轨 312、加强连杆 32、轿厢 33、驱动装置 331、曳引机 332、卷绕筒 333、同步电机334、蜗轮 335、蜗杆 34、钢丝绳 4、输电电缆 5、固定支架 51、固定支杆 52、固定夹 6、电缆固定块 61、电缆夹块 611、定位凹槽 62、夹紧片 7、辅助制动轮 71、制动杆。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示，一种安全性高的风电塔筒结构，包括竖直的塔筒1，在塔筒内设有升降机3、竖直的人爬梯2、输电电缆4，其中的升降机主要用于材料物质的输送，当然也可用于人员的升降；而人爬梯则用于操作维护人员的上下爬行。和现有技术相类似地，升降机包括升降导轨31、可上下移动地设置在升降导轨上的轿厢32、设置在升降导轨顶部的驱动装置（图中未示出），驱动装置通过钢丝绳34驱动轿厢上下移动，升降导轨包括两条竖直的滑轨311、横向地连接在两条滑轨之间的若干加强连杆312。由于升降机的一般结构以及相应的控制系统属于现有技术，在此不做详细的描述。

此外，在塔筒内壁设置若干在高度方向间隔设置的固定支架5，固定支架的一端固结在塔筒内壁上，固定支架的另一端与升降导轨固结，而人爬梯则固结在升降导轨与塔筒内壁之间的固定支架上，当然，轿厢应设置在升降导轨远离人爬梯的外侧。另外，在人爬梯和升降导轨之间设至若干在高度方向间隔设置的电缆固定块6，输电电缆连接在所述电缆固定块上，一方面可使输电电缆可靠定位并得到支撑，避免因晃动或悬垂时自身重量过重导致的损坏。另一方面，方便操作人员通过人爬梯或者升降机上升至一定高度对输电电缆进行维护。

特别是，人爬梯是靠近塔筒的内侧壁设置的，因此，我们可通过合理地设置人爬梯与塔筒内侧壁的间距，在方便操作人员自由地上下人爬梯的基础上，使操作人员在人爬梯上因意外后倾时，可贴靠在塔筒的内侧壁上，有利于避免操作人员从人爬梯上坠落。

如图2所示，驱动装置33包括由伺服电机制成的曳引机331、用于控制曳引机的控制器，曳引机的输出轴上设有卷绕筒332，钢丝绳的一端连接在轿厢的顶部，钢丝绳的另一端固结并卷绕在卷绕轮上。当曳引机带动卷绕筒转动时，即可卷绕或释放钢丝绳，从而带动轿厢升降。

需要说明的是，曳引机可自带制动装置，以便在曳引机停止运转时使轿厢锁止定位。

为了提高升降机运行时的安全性，驱动装置还包括由伺服电机制成的同步电机333，同步电机与控制器电连接，以便于控制器对曳引机和同步电机进行控制。此外，在曳引机的输出轴上还设有与卷绕筒沿轴向间隔布置的蜗轮334，同步电机的输出轴上设有与蜗轮啮合的蜗杆335，曳引机和同步电机的输出轴上分别设有与控制器电连接的转速传感器。

我们知道，蜗杆可以带动蜗轮转动，但是蜗轮无法反向带动蜗杆转动，也就是说，蜗轮蜗杆传动机构具有单向传动功能。这样，当升降机运行时，控制器首先使曳引机和同步电机同时启动，并使曳引机和同步电机的转速比与蜗杆蜗轮的传动比相适应，避免曳引机和同步电机出现自锁。

当升降机出现异常而快速升降时，曳引机的转速迅速上升，由于和曳引机同轴连接的蜗轮无法反向带动与同步电机同轴的蜗杆转动，因此，可有效地避免曳引机的超速转动，进而避免轿厢的快速上升或下降，提高升降机的安全性。

可以理解的是，当控制器通过转速传感器感知曳引机的转速异常时，即可使曳引机和同步电机同时停机，以避免事故的发生。即使曳引机和控制器同时失控，只要同步电机的转速正常，此时的曳引机也只能按照轿厢升降的正常速度转动。反之，如果同步电机失控而超速，由于同步电机只是用于使蜗杆保持和蜗轮匹配的转速，因此，其负载和功率极小，也就是说，小功率的同步电机无法通过蜗杆和蜗轮带动轿厢升降。

也就是说，本发明的制动不是依靠曳引机自带的制动机构，并且即使其中的同步电机、或者曳引机发生了故障，仍然可以保证升降机的安全。

为便于描述，我们将蜗杆和蜗轮的传动比设为w，曳引机的转速设为n1，同步电机的转速设为n2。因为曳引机的转速一旦大于设定的转速，升降机会发生锁止停机，而同步电机的转速即使稍大于设定的转速，也不会是升降机发生锁止停机。优选地，应使控制器使曳引机和同步电机的转速比控制在如下范围：1/1.1w≤n1/ n2≤1/w，以便尽量降低曳引机和同步电机转速的控制精度。

当n1/ n2＜1/1.1w时，会使同步电机的负载过大，也就是说，此时的同步电机会通过蜗杆、蜗轮“带动”轿厢升降。当n1/ n2大于1/w时，需要提高同步电机和曳引机转速的控制精度，一旦同步电机或者曳引机的转速轻微地偏离正常值时，容易出现蜗轮自锁——即曳引机自锁的问题。

作为一种优选方案，我们可在升降导轨靠近顶部处设设置辅助制动轮7和制动杆71，位于卷绕轮和轿厢之间的钢丝绳在辅助制动轮上呈螺旋状卷绕1-3圈，从而使辅助制动轮上下两侧的钢丝绳在水平方向错位,其错位距离与螺旋卷绕在辅助制动轮上的钢丝绳首尾两端的螺距相匹配，以便在钢丝绳升降时保持原有的卷绕次序不变。此外，辅助制动轮的侧面设置端面齿，制动杆与一可由控制器控制的驱动元件相关联。

当曳引机和同步电机正常运转、即曳引机和同步电机的转速比控制在1/1.1w≤n1/ n2≤1/w时，控制器控制驱动元件使制动杆处于待机位置，此时的制动杆与端面齿相分离，曳引机可通过钢丝绳带动轿厢升降，钢丝绳则带动辅助制动轮转动。也就是说，轿厢的升降不会受到辅助制动轮的限制；当曳引机快速转动、即曳引机和同步电机的转速比n1/n2＞1/w时，控制器控制驱动元件使制动杆处于制动位置，此时的制动杆向前伸出而抵靠端面齿，从而实现对辅助制动轮的制动，进而依靠辅助制动轮与绕设在辅助制动轮上的钢丝绳的摩擦力对轿厢实现辅助制动，以进一步提升升降机的安全性能。

作为另一种优选方案，如图4所示，电缆固定块包括由橡胶制成的有弹性的电缆夹块61、设置在电缆夹块相背的两个外侧的夹紧片62，电缆夹块靠近夹紧片的外侧设置若干间隔布置的半圆形定位凹槽611，在两个外侧的夹紧片之间设置穿过电缆夹块的紧固螺栓，从而使两个夹紧片和电缆夹块固结成一体，而输电电缆则被夹紧片依次压紧在各定位凹槽内，使输电电缆得以可靠地分开定位，从而可有效地避免输电电缆的纠缠打结。此外，夹紧片的两端固定在固定支架上，既可确保输电电缆的稳固定位，又可提升固定支架与人爬梯、升降导轨的连接刚性。

特别是，竖直的输电电缆位于人爬梯和升降滑轨之间，因此，工作人员可通过人爬梯或者升降机上升至输电电缆需要维护的高度，然后方便地对输电电缆进行维护。

进一步地，如图1、图4所示，固定支架包括左右两侧的固定支杆51，人爬梯连接在左右两侧的固定支杆之间，升降导轨的滑轨连接在对应一侧的固定支杆外侧。当然，我们可在塔筒内侧壁上设置相应的固定脚11，固定支杆的一端可通过螺栓固结在固定脚上。

由于人爬梯连接在左右两侧的固定支杆之间，而升降导轨的两根滑轨则连接在对应一侧的固定支杆外侧。这样，在保持固定支杆之间的距离不变的前提下，可方便地实现升降导轨的宽度大于人爬梯的宽度。

为了方便组装，固定支杆的中部内侧设有几字形的固定夹52，固定夹的两个开口端通过螺栓固定在固定支杆上，从而在固定夹和固定支杆之间形成固定凹槽，人爬梯包括两根竖直的梯杆21、横向连接在梯杆之间的踏杆22，梯杆则夹紧在对应一侧固定夹的固定凹槽内。

最后，左右两侧的固定支杆端部相对弯折成L形的连接部，升降导轨上与连接部对应位置的加强连杆上位于远离人爬梯的一侧包覆有几字形的固定夹，固定夹的两个开口端向外延伸的固定脚与对应的连接部螺钉连接。这样，我们可根据轿厢的尺寸设置两根滑轨之间的距离，确保轿厢在升降时的稳定，同事不会影响固定支架和人爬梯的尺寸。

Claims (6)

1.一种安全性高的风电塔筒结构，包括竖直的塔筒，在塔筒内设有升降机、竖直的人爬梯、输电电缆，所述升降机包括升降导轨、可上下移动地设置在升降导轨上的轿厢、设置在升降导轨顶部通过钢丝绳驱动轿厢上下移动的驱动装置，其特征是，所述升降导轨包括两条竖直的滑轨、横向地连接在两条滑轨之间的若干加强连杆，在塔筒内壁设有若干在高度方向间隔设置的固定支架，固定支架的一端固结在塔筒内壁上，固定支架的另一端与升降导轨固结，人爬梯固结在升降导轨与塔筒内壁之间的固定支架上，轿厢设置在升降导轨远离人爬梯的外侧，在人爬梯和升降导轨之间设有若干在高度方向间隔设置的电缆固定块，所述输电电缆连接在所述电缆固定块上，所述驱动装置包括由伺服电机制成的曳引机和同步电机、用于控制曳引机和同步电机的控制器，曳引机的输出轴上设有沿轴向间隔布置的卷绕筒、蜗轮，所述钢丝绳的一端连接在轿厢的顶部，钢丝绳的另一端固结并卷绕在卷绕轮上，同步电机的输出轴上设有与蜗轮啮合的蜗杆，曳引机和同步电机的输出轴上分别设有与控制器电连接的转速传感器，蜗杆和蜗轮的传动比为w，曳引机的转速为n1，同步电机的转速为n2，控制器使曳引机和同步电机的转速比控制在如下范围：1/1.1w≤n1/ n2≤1/w。

2.根据权利要求1所述的一种安全性高的风电塔筒结构，其特征是，升降导轨在靠近顶部处设有辅助制动轮和制动杆，位于卷绕轮和轿厢之间的钢丝绳在辅助制动轮上卷绕至少一圈，辅助制动轮的侧面设有端面齿，所述制动杆与一由控制器控制的驱动元件相关联，当曳引机和同步电机的转速比控制在1/1.1w≤n1/ n2≤1/w时，控制器控制驱动元件使制动杆处于与端面齿分离的待机位置；当曳引机和同步电机的转速比n1/ n2＞1/w时，控制器控制驱动元件使制动杆处于向前伸出抵靠端面齿的制动位置。

3.根据权利要求1所述的一种安全性高的风电塔筒结构，其特征是，所述电缆固定块包括有弹性的电缆夹块、设置在电缆夹块相背的两个外侧的夹紧片，电缆夹块的外侧设有半圆形的定位凹槽，在两个外侧的夹紧片之间设有穿过电缆夹块的紧固螺栓，所述输电电缆被夹紧片压紧在定位凹槽内，夹紧片的两端固定在固定支架上。

4.根据权利要求3所述的一种安全性高的风电塔筒结构，其特征是，所述固定支架包括左右两侧的固定支杆，所述人爬梯连接在左右两侧的固定支杆之间，所述升降导轨的滑轨连接在对应一侧的固定支杆外侧。

5.根据权利要求4所述的一种安全性高的风电塔筒结构，其特征是，所述固定支杆的中部内侧设有几字形的固定夹，从而在固定夹和固定支杆之间形成固定凹槽，所述人爬梯包括竖直地夹紧在固定夹的固定凹槽内的梯杆、横向连接在梯杆之间的踏杆。

6.根据权利要求4所述的一种安全性高的风电塔筒结构，其特征是，左右两侧的固定支杆端部相对弯折成连接部，与连接部对应位置的加强连杆上位于远离人爬梯的一侧包覆有固定夹，固定夹呈两侧具有向外延伸的固定脚的几字形，所述固定脚与对应的连接部螺钉连接。

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