CN113482850B - 一种分布式电液驱动的风机偏航及制动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式电液驱动的风机偏航及制动系统。包括驱动齿轮、偏航齿轮、机舱体和多个驱动单元，多个驱动单元环形均布在偏航齿轮的圆周上，偏航齿轮固定连接在机舱体上，每个驱动单元均连接一个驱动齿轮，每个驱动齿轮均与偏航齿轮啮合形成齿轮啮合副。本发明结构简单，驱动单元集成度更高，结构简单紧凑，制造和维护成本更低；采用电液驱动，系统的承载能力强，输出扭矩更大，功能集成度高，制动能力好；驱动单元数目采用冗余设计，单个驱动单元的失效或损坏不影响整体性能，便于维护且寿命更长，提高了可靠性，延长了偏航系统使用寿命，且安全性较高。

Description

一种分布式电液驱动的风机偏航及制动系统
技术领域
本发明属于风机装备中的液压控制技术领域，涉及到一种分布式电液驱动的风机偏航及制动系统，结构上多个电液驱动单元环形均布在偏航齿轮上，并依靠液压回路的自锁实现偏航制动。
背景技术
风力发电机利用风力带动发电机转子旋转，从而输出交流电，是一种将风能转为电能的设备。其中，水平轴式风机由于其较高的能量利用率而获得广泛使用。水平轴风力发电机主要由叶轮、传动系统、发电机、控制系统、偏航系统、传感器、机舱体和塔架等部分组成。偏航系统又称对风装置，当风向变化时，偏航系统快速平稳地动作使叶轮对准风向，以便叶轮充分利用风能，提高发电效率；此外，偏航系统的制动机构为机舱体提供必要的锁紧力矩，维持叶轮朝向的稳定。
偏航系统所用驱动器一般选用偏航电机，该类驱动器在控制上较为方便。但风机的机舱体质量大，偏航所需的转矩较大，电机需要减速机减速以输出低速大扭矩的运动，才可带动机舱体完成偏航动作。由于采用多级减速，减速器占用轴向空间大，也增加了制造成本，而且偏航电机工作过程中需频繁启动，导致驱动器寿命低，可靠性降低。此外，电机驱动的偏航系统，还需要制动机构提供制动力矩，使系统的结构更加复杂，而且制动器的磨损替换大大增加了维修成本。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案如下：
本发明包括驱动齿轮、偏航齿轮、机舱体和多个驱动单元，多个驱动单元环形均布在偏航齿轮的圆周上，偏航齿轮固定连接在机舱体上，每个驱动单元的位置固定，均连接一个驱动齿轮，每个驱动齿轮均与偏航齿轮啮合形成齿轮啮合副。
每个所述的驱动单元均包括驱动机构和控制回路，驱动机构和控制回路通过油路连接；
驱动机构包括两个对顶液压缸、活塞杆、滑槽、滑块、摇杆和活塞；两个对顶液压缸结构相同均具有一个活塞和一个活塞杆，活塞和活塞杆固接，第一个对顶液压缸的有杆腔和第二个对顶液压缸的无杆腔连通，第二个对顶液压缸的有杆腔和第一个对顶液压缸的无杆腔连通，两个对顶液压缸对称布置在滑槽两侧，两个对顶液压缸的活塞杆同轴布置且均固接到滑槽，活塞杆垂直于滑槽方向布置，滑块滑动安装于滑槽中形成移动副，摇杆径向固定于驱动齿轮的端面上；摇杆径向的外端与滑块铰接形成转动副；
控制回路包括双向液压锁、安全阀、三位四通电磁阀、电机、单向泵、节流阀和油箱；单向泵的进油口与油箱连通，三位四通电磁阀中阀芯的位置分为左位、中位和右位三种状态，左位、中位和右位均有P口、T口、A口和B口四路通口，单向泵的出油口通过油路与三位四通电磁阀的P口连通，形成供油路；双向液压锁有五个端口，分别为a端口、b端口、c端口、d端口和e端口，三位四通电磁阀的A口和B口分别与双向液压锁的a口和b口通过油路连通，三位四通电磁阀的T口通过油路与油箱接通，形成回油路；双向液压锁的e端口通过油路与单向泵出油口接通，单向泵的控制轴连接电机的输出轴，电机提供动能，形成控制油路；双向液压锁的c端口和d端口通过油路分别与两个对顶液压缸无杆腔接通。
三位四通电磁阀的T口与油箱之间设有节流阀。
三位四通电磁阀的P口、T口位于三位四通电磁阀的同一侧，A口和B口位于三位四通电磁阀的另一侧，当三位四通电磁阀位于左位时，B口与T口连通，A口和P口连通，当三位四通电磁阀位于右位时，B口与P口连通，A口和T口连通。
所述的双向液压锁包括两个相并联布置的液控单向阀，两个液控单向阀的进口分别作为a端口和b端口，两个液控单向阀的出口分别作为c端口和d端口，两个液控单向阀的控制端相连接后作为e端口。
第一个对顶液压缸的无杆腔通过油路与一个安全阀的入口连接，第二个对顶液压缸的无杆腔通过另一条油路与另一个安全阀的入口连接，两个安全阀的出口分别与油箱)接通。
所述的偏航齿轮和每个驱动齿轮均为外齿轮，驱动齿轮和偏航齿轮构成外啮合。
系统采用冗余设计，单个驱动单元的失效后，与失效的驱动单元连接的三位四通电磁阀的阀芯回到中位，即A口和B口连通，P口和T口连通，A口与P口或T口不连通，B口与P口或T口不连通，使失效的驱动单元处于浮动状态，而其他未失效的驱动单元仍驱动机舱体实现偏航，失效驱动单元空转，整体系统工作性能不受影响。
浮动状态是指失效的驱动单元中的第一个对顶液压缸的无杆腔与第二个对顶液压缸的无杆腔通过油路连通，活塞在各自的对顶液压缸中自由移动。
该系统用于风力发电中广泛使用的水平轴风机，风机桨叶的转轴固定在机舱体上，且朝向与机舱体的朝向一致，偏航与制动系统可调节并固定机舱体16的朝向，使风机桨叶始终迎向来风，使风机获得最大的风能，提高发电效率。当该系统开始偏航工作，风机桨叶与机舱体需要顺时针转动时，电机带动单向泵运转，三位四通电磁阀位于左位时，油箱中的液压油向左侧液压缸和右侧液压缸的右腔供油，液压缸中的液压油推动活塞沿着液压缸向左侧移动，使得活塞杆和滑槽向左移动，通过移动副，滑槽的移动带动滑块左移，同时滑块在滑槽中进行上下滑动，通过转动副，滑块的左移和上下滑动使摇杆逆时针转动，摇杆逆时针带动与其连接的驱动齿轮逆时针旋转，通过齿轮啮合副带动偏航齿轮和机舱体顺时针转动；
当摇杆的指向与液压缸中活塞的运动方向平行时，摇杆与滑槽进入运动死区，驱动摇杆不能继续运动，摇杆运动到此位置时，三位四通电磁阀的阀芯移至中位，对顶液压缸中左侧液压缸左腔与右侧液压缸右腔通过油路连通，活塞可在液压缸中自由移动，此时处于浮动状态，由于各个驱动单元之间存在运动相位差，某些驱动单元中的摇杆未在运动死区，仍可带动驱动齿轮和偏航齿轮转动，而偏航齿轮的转动能够带动处于运动死区的驱动单元所驱动的驱动齿轮，从而使驱动单元中摇杆越过运动死区。
当摇杆越过运动死区后，三位四通电磁阀阀芯从中位移至右位。三位四通电磁阀位于右位时，单向泵为对顶液压缸中的左侧液压缸和右侧液压缸的左腔供油，液压缸中的液压油推动活塞右移，通过活塞杆推动滑槽右移，带动滑块右移，由于受摇杆铰接的限制，滑块同时在滑槽中滑动，滑块的右移和上下滑动组合使摇杆及固连的驱动齿轮继续逆时针转动；多个驱动齿轮带动所啮合的偏航齿轮顺时针旋转，偏航齿轮带动固连的机舱体顺时针转动；风机桨叶与机舱体同步转动，使桨叶迎风面偏航后迎向此时风向，提高风机的发电效率。
当该系统开始偏航工作，风机桨叶与机舱体需要逆时针转动时，驱动单元中部件运动方向相反。
当偏航动作完成后，风机桨叶迎向风向，系统开始制动动作。驱动单元中电机断电停转，单向泵不再运转提供液压油，双向液压锁的控制端e口不再有液压油供给，双向液压锁关闭，断开油箱和单向泵与对顶液压缸的油路连通；对顶液压缸左腔、右腔中的油液不再补充或流出，维持一定的油压限制活塞的移动，使驱动齿轮、偏航齿轮与机舱体被限制运动，实现偏航动作的制动。
在风机偏航工作过程中，风速方向与风机偏航方向相同，出现超越负载工况；此时，通过控制使部分驱动单元中三位四通电磁阀换位，供油方向改变为偏航运动提供阻力，防止风机偏航运动超速；风机偏航速度过快时，节流阀前后的压差增大，为防止偏航过快提供背压力。
本发明提出一种分布式电液驱动的风机偏航及制动系统。基于电液伺服控制的驱动单元，采用多个环形均布在偏航齿轮上的电液控制的驱动单元作为驱动机构，驱动单元借助液压驱动力实现风机叶轮朝向的调节和固定，并能通过液压回路自锁作用实现偏航系统的制动。驱动单元集成了大扭矩驱动、自锁制动的功能，不需另配减速器及制动机构，轴向尺寸降低，结构更为紧凑；避免使用减速器后，提高了可靠性，更便于维护，成本降低。由于系统采用冗余设计，单个驱动单元的失效不会影响整体性能，使用寿命相对延长。不同型号偏航系统的驱动可以通过不同数目的驱动单元的合理布置来实现，而电液驱动大大提高了偏航驱动力矩及制动力矩，动作更为稳定可靠。
电液控制的驱动单元具有以下特点：功能集成度高，结构上简单紧凑，此外，其承载能力强，输出的驱动扭矩大，制动力矩大，制动方式可靠稳定，适合用于风机偏航与制动。
本发明的有益效果：
1、这种分布式电液驱动的风机偏航及制动系统，结构上较为简单，纵向尺寸较小，相对电机驱动更为紧凑；驱动单元集成度高，便于安装和维护。
2、这种分布式电液驱动的风机偏航及制动系统所用的驱动单元，集成了偏航驱动和偏航制动两功能，功能集成度高，应用非常灵活；相对于电机驱动，不需要配置多级减速器，就可以提供低速大扭矩，也大大降低了制造成本。
3、这种分布式电液驱动的风机偏航及制动系统采用了冗余设计，避免了单个驱动单元失效对系统功能的影响，大大提高了风机工作的可靠性，延长了偏航系统使用寿命。
4、采用电液驱动代替传统的电力驱动，驱动力矩与制动自锁力矩增大，承载能力提高，在异常风况下的安全性更高。
总述，本发明结构简单，驱动单元集成度更高，结构简单紧凑，制造和维护成本更低；采用电液驱动，系统的承载能力强，输出扭矩更大，功能集成度高，制动能力好；驱动单元数目采用冗余设计，单个驱动单元的失效或损坏不影响整体性能，便于维护且寿命更长，提高了可靠性，延长了偏航系统使用寿命，且安全性较高。
附图说明
图1为本发明提供的风机偏航系统中驱动单元控制回路与驱动机构图；
图2为本发明提供的风机偏航系统运动简图(无控制元件与支架)。
图1中，1对顶液压缸、2活塞杆、3滑槽、4滑块、5摇杆、6活塞、7双向液压锁、8安全阀、9三位四通电磁阀、10电机、11单向泵、12节流阀、13油箱；图2中，14驱动齿轮、15偏航齿轮、16机舱体。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述技术特征和优点进行清楚、完整地描述。
如图1和图2所示，本发明包括驱动齿轮14、偏航齿轮15、机舱体16和多个驱动单元，多个驱动单元环形均布在偏航齿轮15的圆周上，偏航齿轮15固定连接在机舱体16上，每个驱动单元的位置固定，均连接一个驱动齿轮14，每个驱动齿轮14均与偏航齿轮15啮合形成齿轮啮合副。
每个驱动单元均包括驱动机构和控制回路，驱动机构和控制回路通过油路连接；驱动机构包括两个对顶液压缸1、活塞杆2、滑槽3、滑块4、摇杆5和活塞6；两个对顶液压缸1结构相同均具有一个活塞6和一个活塞杆2，活塞6和活塞杆2固接，第一个对顶液压缸1的有杆腔和第二个对顶液压缸1的无杆腔连通，第二个对顶液压缸1的有杆腔和第一个对顶液压缸1的无杆腔连通，两个对顶液压缸1对称布置在滑槽3两侧，两个对顶液压缸1的活塞杆2同轴布置且均固接到滑槽3，活塞杆2垂直于滑槽3方向布置，滑块4滑动安装于滑槽3中形成移动副，摇杆5径向固定在驱动齿轮14的端面上；摇杆5径向的外端与滑块4铰接形成转动副；
如图1所示，控制回路包括双向液压锁7、安全阀8、三位四通电磁阀9、电机10、单向泵11、节流阀12和油箱13；单向泵11的进油口与油箱13连通，三位四通电磁阀9中阀芯的位置分为左位、中位和右位三种状态，左位、中位和右位均有P口、T口、A口和B口四路通口，单向泵11的出油口通过油路与三位四通电磁阀9的P口连通，形成供油路；双向液压锁7有五个端口，分别为a端口、b端口、c端口、d端口和e端口，三位四通电磁阀9的A口和B口分别与双向液压锁5的a口和b口通过油路连通，三位四通电磁阀9的T口通过油路与油箱13接通，形成回油路；双向液压锁7的e端口通过油路与单向泵11出油口接通，单向泵11的控制轴连接电机10的输出轴，电机10提供动能，形成控制油路；双向液压锁7的c端口和d端口通过油路分别与两个对顶液压缸1无杆腔接通。
具体实施中，三位四通电磁阀9的T口与油箱13之间设有节流阀12。(三位四通电磁阀9的P口、T口位于三位四通电磁阀9的同一侧，A口和B口位于三位四通电磁阀9的另一侧，当三位四通电磁阀9位于左位时，B口与T口连通，A口和P口连通，当三位四通电磁阀9位于右位时，B口与P口连通，A口和T口连通。)双向液压锁7包括两个相并联布置的液控单向阀，两个液控单向阀的进口分别作为a端口和b端口，两个液控单向阀的出口分别作为c端口和d端口，两个液控单向阀的控制端相连接后作为e端口。
左侧液压缸的左腔通过油路与一个安全阀8的入口连接，右侧液压缸的右腔通过另一条油路与另一个安全阀8的入口连接，两个安全阀8的出口分别与油箱13接通。
偏航齿轮15和每个驱动齿轮14均为外齿轮，驱动齿轮14和偏航齿轮15构成外啮合。
该系统用于风力发电中广泛使用的水平轴风机，风机桨叶的转轴固定在机舱体16上，且朝向与机舱体16的朝向一致，偏航与制动系统可调节并固定机舱体16的朝向，使风机桨叶始终迎向来风，使风机获得最大的风能，提高发电效率。当该系统开始偏航工作，风机桨叶与机舱体16需要顺时针转动时，电机10带动单向泵11运转为控制回路供油，高压油液通过控制端e口打开双向液压锁7，三位四通电磁阀9的阀芯位于左位时，油箱13中的液压油向第一个对顶液压缸1的有杆腔和第二个对顶液压缸1的无杆腔供油，液压缸中的液压油推动活塞6沿着液压缸向左侧移动，使得活塞杆2和滑槽3向左移动，滑槽3的移动带动滑块4左移，由于受摇杆5铰接的限制，滑块4同时在滑槽3中上下滑动，滑块4的左移和上下滑动组合使摇杆5及固连的驱动齿轮14逆时针转动，通过齿轮啮合副带动偏航齿轮15和机舱体16顺时针转动；偏航工作开始后驱动齿轮14被带动旋转；多个驱动齿轮14带动所啮合的偏航齿轮15旋转，偏航齿轮15带动固连的机舱体16转动；风机桨叶与机舱体16同步转动，使桨叶迎风面偏航后迎向此时风向，提高风机的发电效率。
当摇杆5的指向与液压缸中活塞6的运动方向平行时，摇杆5与滑槽3进入运动死区，驱动摇杆5将不能继续运动。摇杆5运动到此位置时，三位四通电磁阀9的阀芯移至中位，对顶液压缸1中第一个对顶液压缸1的无杆腔和第二个对顶液压缸1的无杆腔通过油路连通，活塞6可在液压缸中自由移动，此时处于浮动状态；由于各个驱动单元之间存在运动相位差，某些驱动单元中的摇杆5未在运动死区，仍可带动驱动齿轮14和偏航齿轮15转动，而偏航齿轮15的转动能够带动处于运动死区的驱动单元所驱动的驱动齿轮14，从而使驱动单元中摇杆5越过运动死区。
当摇杆5越过运动死区后，三位四通电磁阀9阀芯从中位移至右位。三位四通电磁阀9位于右位时，单向泵为第一个对顶液压缸1的无杆腔和第二个对顶液压缸1的有杆腔供油，液压缸中的液压油推动活塞6右移，通过活塞杆2推动滑槽3右移，带动滑块4右移，由于受摇杆5铰接的限制，滑块4同时在滑槽3中滑动，滑块4的右移和上下滑动组合使摇杆5及固连的驱动齿轮14继续逆时针转动；多个驱动齿轮14带动所啮合的偏航齿轮15顺时针旋转，偏航齿轮15带动固连的机舱体16顺时针转动；风机桨叶与机舱体16同步转动，使桨叶迎风面偏航后迎向此时风向，提高风机的发电效率。
当该系统开始偏航工作，风机桨叶与机舱体16需要逆时针转动时，驱动单元中部件运动方向(与上述过程中的运动方向)相反。
当偏航动作完成后，风机桨叶迎向风向，系统开始制动动作。驱动单元中电机10断电停转，单向泵11不再运转提供液压油，双向液压锁7的控制端e口不再有液压油供给，双向液压锁7关闭，断开油箱13和单向泵11与对顶液压缸1的油路连通；两个对顶液压缸1中的油液不再补充或流出，维持一定的油压限制活塞6的移动，使驱动齿轮14、偏航齿轮15与机舱体16被限制运动，实现偏航动作的制动。
在风机偏航工作过程中，风速方向与风机偏航方向相同，出现超越负载工况；此时，通过控制使部分驱动单元中的三位四通电磁阀9换位，供油方向改变为偏航运动提供阻力，防止风机偏航运动超速；风机偏航速度过快时，节流阀12前后的压差增大，为防止偏航过快提供背压力。
系统采用冗余设计，单个驱动单元的失效后，失效的驱动单元所属的三位四通电磁阀9的阀芯回到中位，即A口和B口连通，P口和T口连通，A口与P口或T口不连通，B口与P口或T口不连通，使失效的驱动单元处于浮动状态，即失效的驱动单元中的第一个对顶液压缸1的无杆腔与第二个对顶液压缸1的无杆腔通过油路连通，活塞6在各自的对顶液压缸1中自由移动。而其他未失效的驱动单元仍驱动机舱体16实现偏航，失效驱动单元空转，整体系统工作性能不受影响。如图2所示，偏航系统选择多个驱动单元布置在偏航齿轮上，驱动单元数目较多，整体采用冗余设计。单个驱动单元损坏后，其余驱动单元仍可提供足够的扭转力矩，偏航功能几乎不受影响，而且每个驱动单元仍可由剩余驱动单元推动过运动死区。
当偏航过程中液压回路中的压力过高于正常额度值时，驱动单元中的安全阀6被打开，安全阀6会将部分液压油排出至油箱13，将压力降低至正常值，避免损坏液压元件。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种分布式电液驱动的风机偏航及制动系统，其特征在于：包括驱动齿轮(14)、偏航齿轮(15)、机舱体(16)和多个驱动单元，多个驱动单元环形均布在偏航齿轮(15)的圆周上，偏航齿轮(15)固定连接在机舱体(16)上，每个驱动单元的位置固定，均连接一个驱动齿轮(14)，每个驱动齿轮(14)均与偏航齿轮(15)啮合形成齿轮啮合副；所述的偏航齿轮(15)和每个驱动齿轮(14)均为外齿轮；
每个所述的驱动单元均包括驱动机构和控制回路，驱动机构和控制回路通过油路连接；
驱动机构包括两个对顶液压缸(1)、活塞杆(2)、滑槽(3)、滑块(4)、摇杆(5)和活塞(6)；第一个对顶液压缸(1)的有杆腔和第二个对顶液压缸(1)的无杆腔连通，第二个对顶液压缸(1)的有杆腔和第一个对顶液压缸(1)的无杆腔连通，两个对顶液压缸(1)对称布置在滑槽(3)两侧，两个对顶液压缸(1)的活塞杆(2)同轴布置且均固接到滑槽(3)，活塞杆(2)垂直于滑槽(3)方向布置，滑块(4)滑动安装于滑槽(3)中形成移动副，摇杆(5)径向固定于驱动齿轮(14)的端面上；摇杆(5)径向的外端与滑块(4)铰接形成转动副；
控制回路包括双向液压锁(7)、三位四通电磁阀(9)、电机(10)、单向泵(11)、节流阀(12)和油箱(13)；单向泵(11)的进油口与油箱(13)连通，单向泵(11)的出油口通过油路与三位四通电磁阀(9)的P口连通；双向液压锁(7)有五个端口，分别为a端口、b端口、c端口、d端口和e端口，三位四通电磁阀(9)的A口和B口分别与双向液压锁(7)的a口和b口通过油路连通，三位四通电磁阀(9)的T口通过油路与油箱(13)接通；双向液压锁(7)的e端口通过油路与单向泵(11)出油口接通，单向泵(11)的控制轴连接电机(10)的输出轴；双向液压锁(7)的c端口和d端口通过油路分别与两个对顶液压缸(1)无杆腔接通；
所述的双向液压锁(7)包括两个相并联布置的液控单向阀，两个液控单向阀的进口分别作为a端口和b端口，两个液控单向阀的出口分别作为c端口和d端口，两个液控单向阀的控制端相连接后作为e端口。
2.根据权利要求1所述的一种分布式电液驱动的风机偏航及制动系统，其特征在于：三位四通电磁阀(9)的T口与油箱(13)之间设有节流阀(12)。
3.根据权利要求1所述的一种分布式电液驱动的风机偏航及制动系统，其特征在于：第一个对顶液压缸(1)的无杆腔通过油路与一个安全阀(8)的入口连接，第二个对顶液压缸(1)的无杆腔通过另一条油路与另一个安全阀(8)的入口连接，两个安全阀(8)的出口分别与油箱(13)接通。
4.根据权利要求1所述的一种分布式电液驱动的风机偏航及制动系统，其特征在于：系统采用冗余设计，单个驱动单元的失效后，与失效的驱动单元连接的三位四通电磁阀(9)的阀芯回到中位，即A口和B口连通，P口和T口连通，A口与P口或T口不连通，B口与P口或T口不连通，使失效的驱动单元处于浮动状态，而其他未失效的驱动单元仍驱动机舱体(16)实现偏航。
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