风力发电机组偏航驱动系统保护装置的制作方法

本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组偏航驱动系统保护装置。

背景技术：

偏航驱动系统是风力发电机组中的重要组成部分，主要作用为：其一、使风轮始终处于迎风状态，使风力发电机组能充分利用风能，提高机组的发电效率；其二、提供必要的偏航力矩，以保障机组的安全运行。偏航驱动系统中的偏航驱动数量一般有三个或三个以上，所有偏航驱动同时为机组提供着偏航力矩，若其中有偏航驱动出现故障停转，其它驱动会继续偏航，这为偏航驱动、偏航轴承甚至整个机组带来了安全隐患。目前的偏航驱动系统中，没有相关的保护功能，在偏航驱动出现故障后，尤其会造成该驱动电机、减速器以及驱动齿的损坏、偏航轴承出现齿面过载凹陷甚至断齿。这将为机组维护、零部件更换带来巨大资金消耗。

技术实现要素：

为解决以上问题，就需要一种风力发电机组偏航驱动系统保护装置，可在多个偏航系统中的某个偏航驱动出现故障停转而其他偏航驱动还正常工作时，其驱动电机、减速器、驱动齿轮和偏航轴承不会被损坏，可降低机组维护成本。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

一种风力发电机组偏航驱动系统保护装置，包括：偏航减速箱、偏航驱动轴和驱动齿轮，所述偏航减速箱通过螺栓连接在所述发电机组的机舱底座上，所述偏航减速箱内设置有轴承；所述偏航驱动轴穿过所述轴承伸出所述偏航驱动箱的外侧，所述偏航驱动轴上套装有上端盖，所述偏航驱动轴的端部设置有压盖；所述驱动齿轮套装在所述上端盖与所述压盖之间的所述偏航驱动轴上，所述驱动齿轮与所述偏航驱动轴之间设置有衬套，所述驱动齿轮与所述上端盖之间设置有第一摩擦片，所述驱动齿轮与所述压盖之间设置有第二摩擦片。

根据本发明的风力发电机组偏航驱动系统保护装置，偏航减速箱内的电机带动偏航驱动轴转动，偏航驱动轴上的驱动齿轮与风力发电机的塔筒上的偏航轴承啮合，驱动齿轮转动时，偏航驱动轴带动发电机组的机舱底座绕塔筒转动，以此调节风力发电机组的迎风方向。驱动齿轮与上端盖和压盖之间的摩擦副(由第一/二摩擦片及其对偶件组成)可为驱动齿轮和偏航驱动轴提供摩擦扭矩，使驱动齿轮可在偏航驱动轴的带动下转动。当多个偏航驱动中的一个出现故障并停转时，剩下的偏航驱动还将继续带动发电机组的机舱底座旋转，此时故障的偏航驱动中的驱动齿轮将克服上述摩擦扭矩被动地打滑旋转，其驱动电机、减速器、驱动齿轮和偏航轴承不会被损坏，可降低机组维护成本。

作为优选的，所述驱动齿轮的上端面和下端面分别设置有第一沉孔台阶和第二沉孔台阶，所述上端盖伸入所述第一沉孔台阶中，所述压盖伸入所述第二沉孔台阶中，所述第一摩擦片固定在所述第一沉孔台阶的底部与所述上端盖的底面之间，所述第二摩擦片固定在所述第二沉孔台阶与所述压盖之间。

根据本发明的风力发电机组偏航驱动系统保护装置，上端盖伸入第一沉孔台阶中，压盖伸入第二沉孔台阶中，可减少偏航驱动轴的长度，同时还可以防止风沙或者水分进入第一摩擦片和第二摩擦片所安装的部位，保证摩擦副不会被沙粒等杂质磨损或者被水分侵蚀。

作为优选的，所述第一沉孔台阶的侧面与所述上端盖之间设置有密封圈，所述第二沉孔台阶的侧面与所述压盖之间设置有密封圈。

根据本发明的风力发电机组偏航驱动系统保护装置，密封圈可在第一沉孔台阶和上端盖的侧壁之间以及第二沉孔台阶和压盖的侧壁之间形成转动密封结构，可进一步防止风沙及水分等杂物进入第一摩擦片和第二摩擦片所安装的位置。

作为优选的，所述第一摩擦片和所述第二摩擦片分别包括金属基板和摩擦片，所述摩擦片粘接于所述金属基板上。

根据本发明的风力发电机组偏航驱动系统保护装置，第一摩擦片和第二摩擦片都是金属板和粘贴在金属板上的摩擦片制成，摩擦片提供摩擦力，金属板便于通过螺栓固定在相关零件上，当摩擦片由于长时间使用发生磨损而失效后，只需要更换带有摩擦片的金属板即可，不需要更换其他零部件，可降低维护成本，避免浪费，提高了零部件的利用率。

作为优选的，所述第一摩擦片通过螺钉固定在所述驱动齿轮上的所述第一沉孔台阶的底部，或所述第一摩擦片通过螺钉固定在所述上端盖的底面；所述第二摩擦片通过螺钉固定在所述第二沉孔台阶的底部，或所述第二摩擦片通过螺钉固定在所述压盖的内表面。

根据本发明的风力发电机组偏航驱动系统保护装置，上端盖伸入第一沉孔台阶的底部，第一摩擦片可通过螺钉固定在第一沉孔台阶的底部，又可以固定在上端盖的底面，只需要保证第一摩擦片上具有摩擦片的一面为滑动面即可。压盖伸入第二沉孔台阶的底部，第二摩擦片可通过螺钉固定在第二沉孔台阶的底部，又可以固定在上端盖的底面，只需要保证第二摩擦片上具有摩擦片的一面为滑动面即可。

作为优选的，所述第一摩擦片直接粘接在所述驱动齿轮上的所述第一沉孔台阶的底部，或所述第一摩擦片直接粘接在所述上端盖的底面；所述第二摩擦片直接粘接于所述第二沉孔台阶的底部，或所述第二摩擦片直接粘接于所述压盖的内表面。

根据本发明的风力发电机组偏航驱动系统保护装置，第一摩擦片还可以直接粘贴在第一沉孔台阶的底部或上端盖的底面，第二摩擦片还可以直接粘贴在第二沉孔台阶的底部或压盖的内表面，在第一摩擦片和第二摩擦片磨损时可直接从所粘贴的零部件上去除，并在原粘贴位置重新粘贴新的第一摩擦片或第二摩擦片即可，不需要更换其他零部件，可降低维护成本，避免浪费，提高了零部件的利用率。

作为优选的，所述上端盖通过第一胀销固定在所述偏航驱动轴上，所述压盖通过螺钉固定在所述偏航驱动轴的端部。

根据本发明的风力发电机组偏航驱动系统保护装置，上端盖通过第一胀销固定在偏航驱动轴上，压盖通过螺钉固定在偏航驱动轴的端部，这样，驱动齿轮被上端盖和压盖夹持在偏航驱动轴上，偏航驱动轴通过上端盖与驱动齿轮之间的第一摩擦片以及驱动齿轮与压盖之间的第二摩擦片之间的摩擦力矩带动驱动齿轮转动，在多个偏航驱动中的一个出现故障而停止转动时，其他偏航驱动可带动发电机组的机舱底座转动，同时发生故障的偏航驱动中的驱动齿轮可克服摩擦扭矩而被动旋转。

作为优选的，所述偏航驱动轴上设置有台阶面，所述上端盖通过所述第一胀销固定在所述偏航驱动轴的台阶面上，第一胀销起到定位及传递扭矩的作用。

根据本发明的风力发电机组偏航驱动系统保护装置，在偏航驱动轴上设置一个较大直径的台阶面，将上端盖通过第一胀销固定在偏航驱动轴的台阶面上。

作为优选的，所述压盖与所述偏航驱动轴之间设置有第二胀销，所述螺钉穿过所述第二胀销。

根据本发明的风力发电机组偏航驱动系统保护装置，第二胀销设置在压盖与偏航驱动轴的端部上的连接孔中，第二胀销起到定位及传递扭矩的作用，螺钉穿过第二胀销连接压盖与偏航驱动轴，第二胀销可填补螺钉与压盖上的通孔之间的缝隙，使压盖与偏航驱动轴之间的固定更加牢固。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明的风力发电机组偏航驱动系统保护装置的全剖结构示意图；

图2是本发明的风力发电机组偏航驱动系统保护装置的分解结构示意图；

图3是图1和图2中的驱动齿轮的结构示意图。

在图1至图3中：1偏航减速箱；2轴承；3偏航驱动轴；4上端盖；5压盖；6驱动齿轮；7衬套；8第一摩擦片；9第二摩擦片；10第一沉孔台阶；11第二沉孔台阶；12第二胀销；13第一胀销。

具体实施例

如图1和图2所示，根据本发明的实施例提供的一种风力发电机组偏航驱动系统保护装置，包括：偏航减速箱1、偏航驱动轴3和驱动齿轮6，所述偏航减速箱1通过螺栓连接在所述发电机组的机舱底座上，所述偏航减速箱1内设置有轴承2；所述偏航驱动轴3穿过所述轴承2伸出所述偏航驱动箱的外侧，所述偏航驱动轴3上套装有上端盖4，所述偏航驱动轴3的端部设置有压盖5；所述驱动齿轮6套装在所述上端盖4与所述压盖5之间的所述偏航驱动轴3上，所述驱动齿轮6与所述偏航驱动轴3之间设置有衬套7，所述驱动齿轮6与所述上端盖4之间设置有第一摩擦片8，所述驱动齿轮6与所述压盖5之间设置有第二摩擦片9。

在以上实施例中，偏航减速箱1内的电机带动偏航驱动轴3转动，偏航驱动轴3上的驱动齿轮6与风力发电机的塔筒上的偏航轴承啮合，驱动齿轮6转动时，偏航驱动轴3带动发电机组的机舱底座绕塔筒转动，以此调节风力发电机组的迎风方向。驱动齿轮6与上端盖4和压盖5之间的摩擦副可为驱动齿轮6和偏航驱动轴3提供摩擦扭矩，使驱动齿轮6可在偏航驱动轴3的带动下转动。当多个偏航驱动中的一个出现故障并停转时(损坏原因可以是偏航电机失电并制动、偏航电机或减速箱内部卡滞)，剩下的偏航驱动还将继续带动发电机组的机舱底座旋转，此时故障的偏航驱动中的驱动齿轮6将克服上述摩擦扭矩被动地打滑旋转以保护整个偏航系统，这样可以避免所有偏航驱动进一步损坏，其驱动电机、减速器、驱动齿轮6和偏航轴承不会被损坏，尤其是避免偏航轴承出现齿面过载凹陷甚至断齿，可降低机组维护成本。

其中，衬套7需选用硬度较低、耐磨性较好的材料制作，如铜合金、石墨、聚四氟乙烯等，衬套7与驱动齿轮6需过盈配合，与偏航驱动轴3间隙配合，为保证驱动齿轮6与偏航轴承的啮合间隙，衬套7与偏航驱动轴3的间隙值应在规定范围内，确保安装后偏航驱动轴3与驱动齿轮6的同轴度满足要求。

根据本发明的一个实施例，所述驱动齿轮6的上端面和下端面分别设置有第一沉孔台阶10和第二沉孔台阶11，所述上端盖4伸入所述第一沉孔台阶10中，所述压盖5伸入所述第二沉孔台阶11中，所述第一摩擦片8固定在所述第一沉孔台阶10的底部与所述上端盖4的底面之间，所述第二摩擦片9固定在所述第二沉孔台阶11与所述压盖5之间。

在以上实施例中，上端盖4伸入第一沉孔台阶10中，压盖5伸入第二沉孔台阶11中，可减少偏航驱动轴3的长度，同时还可以防止风沙或水分进入第一摩擦片8和第二摩擦片9所安装的部位，保证摩擦副不会被沙粒等杂质磨损或者被水分侵蚀。

根据本发明的一个实施例，所述第一沉孔台阶10的侧面与所述上端盖4之间设置有密封圈，所述第二沉孔台阶11的侧面与所述压盖5之间设置有密封圈。

在以上实施例中，密封圈可在第一沉孔台阶10和上端盖4的侧壁之间以及第二沉孔台阶11和压盖5的侧壁之间形成转动密封结构，可防止因异物及液态水进入摩擦副而导致摩擦片出现异常磨损及失效，密封圈可选用GB/T3452.1中的O形密封圈或其它非标件。

根据本发明的一个实施例，所述第一摩擦片8和所述第二摩擦片9分别包括金属基板和摩擦片，所述摩擦片粘接于所述金属基板上。

在以上实施例中，第一摩擦片8和第二摩擦片9都是金属板和粘贴在金属板上的摩擦片制成，摩擦片提供摩擦力，金属板便于通过螺栓固定在相关零件上，当摩擦片由于长时间使用发生磨损而失效后，只需要更换带有摩擦片的金属板即可，不需要更换其他零部件，可降低维护成本，避免浪费，提高了零部件的利用率。

其中，摩擦片的结构尺寸可一致化，以达到互换与通用性。每个摩擦片与其产生相对摩擦运动的对偶件组成一套摩擦副。摩擦片的材料应具有良好的摩擦系数和耐磨损性能，同时具有一定的耐热性和机械强度，一般以金属粉末为基体，添加适量的摩擦和润滑组元，采用粉末冶金工艺与金属背板烧结制成。在发生滑动摩擦时，由于是定轴转动，为确保摩擦片表面摩擦均匀，要求发生摩擦的各点磨损量一致，温升一致，所以各处线速度最好一致，因此摩擦片外形为窄环状。在保证摩擦力矩的情况下，内外径应尽量接近。对偶件的组织状态及表面处理质量影响着摩擦片的耐磨性，同一种摩擦片与不同材料的对偶件摩擦时，磨损量不同，即使相同的对偶件，不同的表面处理，磨损量也不一样。材料一般有中低碳钢，淬硬钢与球铁，为提高材料的耐磨性及热稳定性，摩擦面可选择气(液)体软氮化或辉光离子氮化工艺。

目前多数风电机组偏航驱动的输出轴额定转速不超过1rpm，且驱动故障损坏每年发生次数极少，所以在如此低转速工况下，该保护装置发生打滑并导致的摩擦副磨损失效现象在风电机组20年寿命周期内不会频发。

根据本发明的一个实施例，所述第一摩擦片8通过螺钉固定在所述驱动齿轮6上的所述第一沉孔台阶10的底部，或所述第一摩擦片8通过螺钉固定在所述上端盖4的底面；所述第二摩擦片9通过螺钉固定在所述第二沉孔台阶11的底部，或所述第二摩擦片9通过螺钉固定在所述压盖5的内表面。

在以上任一项实施例中，上端盖4伸入第一沉孔台阶10的底部，第一摩擦片8可通过螺钉固定在第一沉孔台阶10的底部，又可以固定在上端盖4的底面，只需要保证第一摩擦片8上具有摩擦片的一面为滑动面即可。压盖5伸入第二沉孔台阶11的底部，第二摩擦片9可通过螺钉固定在第二沉孔台阶11的底部，又可以固定在上端盖4的底面，只需要保证第二摩擦片9上具有摩擦片的一面为滑动面即可。

作为优选的，所述第一摩擦片8直接粘接在所述驱动齿轮6上的所述第一沉孔台阶10的底部，或所述第一摩擦片8直接粘接在所述上端盖4的底面；所述第二摩擦片9直接粘接于所述第二沉孔台阶11的底部，或所述第二摩擦片9直接粘接于所述压盖5的内表面。

在以上实施例中，第一摩擦片8还可以直接粘贴在第一沉孔台阶10的底部或上端盖4的底面，第二摩擦片9还可以直接粘贴在第二沉孔台阶11的底部或压盖5的内表面，在第一摩擦片8和第二摩擦片9磨损时可直接从所粘贴的零部件上去除，并在原粘贴位置重新粘贴新的第一摩擦片8或第二摩擦片9即可，不需要更换其他零部件，可降低维护成本，避免浪费，提高了零部件的利用率。

根据本发明的一个实施例，所述上端盖4通过第一胀销13固定在所述偏航驱动轴3上，所述压盖5通过螺钉固定在所述偏航驱动轴3的端部。

在以上实施例中，上端盖4通过第一胀销13固定在偏航驱动轴3上，压盖5通过螺钉固定在偏航驱动轴3的端部，这样，驱动齿轮6被上端盖4和压盖5夹持在偏航驱动轴3上，偏航驱动轴3通过上端盖4与驱动齿轮6之间的第一摩擦片8以及驱动齿轮6与压盖5之间的第二摩擦片9之间的摩擦力矩带动驱动齿轮6转动，在多个偏航驱动中的一个出现故障而停止转动时，其他偏航驱动可带动发电机组的机舱底座转动，同时发生故障的偏航驱动中的驱动齿轮6可克服摩擦扭矩而被动旋转。

根据本发明的一个实施例，所述偏航驱动轴上设置有台阶面，所述上端盖4通过所述第一胀销13固定在所述偏航驱动轴的台阶面上。

在以上实施例中，在偏航驱动轴3上设置一个较大直径的台阶面，将上端盖4通过第一胀销13固定在偏航驱动轴3的台阶面上。第一胀销13的作用是定位及传递扭矩，可选用GB/T 879.1中的弹性圆柱销或其它非标件。

根据本发明的一个实施例，所述压盖5与所述偏航驱动轴3之间设置有第二胀销12，所述螺钉穿过所述第二胀销12。

在以上实施例中，第二胀销12设置在压盖5与偏航驱动轴3的端部上的连接孔中，可起到定位作用，螺钉穿过第二胀销12连接压盖5与偏航驱动轴3，第二胀销12可填补螺钉与压盖5上的通孔之间的缝隙，使压盖与偏航驱动轴之间的固定更加牢固。其中，螺钉可以选择用外六角或内六角螺钉。

本发明的偏航驱动系统保护装置对应每种机型的摩擦力矩是唯一的，摩擦力矩大小的设定通过螺栓预紧力调整改变，由于零部件尺寸误差、摩擦材料组元配比波动导致的摩擦系数误差等因素的存在，所以摩擦力矩的标定值应按名义力矩的±15％设定。若某机组偏航系统有N个偏航驱动，(N为大于1的整数)则摩擦力矩T_摩擦(1±15％)的标定设计值需大于一个偏航驱动的极限输出力矩T_极限，且小于(N-1)个偏航驱动的极限输出合力矩与偏航制动器刹车力矩T_刹车及偏航轴承摩擦力矩T_轴承的差值，即T_极限＜T_摩擦(1±15％)＜(N-1)T_极限-T_刹车-T_轴承，并且该摩擦力矩区间应靠近上述单个偏航驱动的极限输出力矩T_极限。

保护装置的摩擦力矩需在出厂前标定完成，并在驱动齿轮6与压盖5之间的外端面上画打滑标记线。为标定该力矩值，需配备相应的静扭试验机。后期安装于机组并网运行后，可按照相应的维护周期定期检查打滑标记线有无错动，若无，则偏航驱动运行正常，否则，需检查相应的偏航驱动有无故障并消除，擦除现有打滑标记线并重新画新的标记线。另外，螺栓的预紧力需按照出厂的预紧力值按期定检，可避免重新返厂标定。

以下分析说明如何选择设定摩擦力矩值及阐述相关零部件尺寸、性能参数的关系：

若某机组偏航系统有N个偏航驱动，则摩擦力矩T_摩擦(1±15％)的标定设计值需大于一个偏航驱动的极限输出力矩T_极限，且小于(N-1)个偏航驱动的极限输出合力矩与偏航制动器刹车力矩T_刹车及偏航轴承摩擦力矩T_轴承的差值，即T_极限＜T_摩擦(1±15％)＜(N-1)T_极限-T_刹车-T_轴承，并且该摩擦力矩区间应靠近上述单个偏航驱动的极限输出力矩T_极限。

先对驱动齿轮6部件做受力分析，建立平衡方程，得到：

F_下＝F_上+m_齿g；

T_摩擦＝T_上+T_下；

T_上＝f_上×r；

T_下＝f_下×r；

f_上＝μ×F_上；

f_下＝μ×F_下。

以上公式中，T_上为上端盖4提供的摩擦力矩，F_上为上端盖4提供的正压力，T_下为压盖5提供的摩擦力矩，F_下为压盖5提供的正压力，T_摩擦为偏航驱动系统保护装置的出厂标定摩擦力矩，m_齿g为驱动齿轮6部件的重力，f_上和f_下分别为F_上和F_下产生的静摩擦力，r为摩擦片的当量摩擦半径，为摩擦片内、外半径和的一半，此处上、下摩擦片的设计尺寸一致，μ为摩擦副间的静摩擦系数。

取压盖5做受力分析，建立平衡方程，得到：

F_压＝F_下＇+m_盖g；

F_下＝F_下＇；

T_下＇＝T_销；

T_下＇＝T_下。

以上公式中，T_销为第一胀销13提供的阻力矩，T_下＇为T_下的反作用力矩，F_下＇为F_下的反作用力，F_压为螺栓提供的预紧力，m_盖g为压盖5的重力。

其中，F_压＝N_螺·F_螺，F_螺＝T_螺/(K·d)，式中N_螺为螺栓数量，F_螺为单颗螺栓的预紧力，T_螺为单颗螺栓扭紧力矩，K为螺栓扭矩系数，d为螺栓公称直径。

由以上各式可得：

T_摩擦＝[(2·N_螺·T_螺)/(K·d)-2·m_盖g-m_齿g]·μ·r；

由于m_盖g、m_齿g与F_压一般相差3个数量级，故在此可忽略两者的重力影响，得到：

T_摩擦＝(2·μ·r·N_螺·T_螺)/(K·d)；

上式即为偏航驱动系统保护装置摩擦力矩与相关零部件尺寸、性能参数的关系。

以上分析基于以下条件假设：

1)摩擦表面各处压力相等；

2)摩擦副的摩擦系数处处相等；

3)摩擦表面各处磨损量均匀相等；

4)摩擦表面始终保持平面。

对第二胀销12的强度校核：

剪切强度由以上各式可得：T_销＝μ·r·(F_压-m_盖g)，忽略m_盖g影响，

则T_销＝μ·r·F_压＝T_摩擦/2；

所以F_销＝T_销/(N_销·r_销)；

式中F_销为单个第二胀销12所受的剪切力，N_销为第二胀销12的数量，r_销为第二胀销12的回转半径。

所以τ_销＝F_销/S_销，应使τ_销≤[τ]，即满足剪切强度要求；

式中τ_销为切应力，S_销为第二胀销12的剪切面面积，S_销＝π·(r_外²-r_内²)，其中r_外、r_内分别为第二胀销12的内外径，[τ]为许用切应力。

挤压强度

σ_bs＝F_销/A_bs；

式中σ_bs为挤压应力，A_bs为挤压面积。

计算中，以第二胀销12的直径平面面积δ·2r_外(δ为接触长度)为挤压面积，

所得挤压应力与实际最大应力大致接近。

所以σ_bs≤[σ_bs]；

式中[σ_bs]为材料的许用挤压应力。

由于挤压，第二胀销12和第一胀销孔可能会被相互挤压成局部的塑性变形，第二胀销12可能被压扁，销孔也可能被压成椭圆孔，所以可选取两者的许用挤压应力进行分别校核。

第一胀销13及螺钉的强度校核同以上校核过程。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。