一种用于风机叶轮总成与机舱空中对接的引导和定位装置的制作方法

本发明属于风能发电领域，具体涉及一种用于风机叶轮总成与机舱在空中对接的引导和定位装置。

背景技术：

伴随着全球经济的飞速发展，人类对能源的需求量也是急剧增加。科技的飞速发展也导致以煤炭﹑石油﹑天然气为主的常规能源过度的消耗，能源短缺和环境污染成为限制各国发展的主要问题。在环境污染和温室气体排放日益严重的今天，中国大力推行可再生能源的开发。其中，风能在可再生能源中占据有非常重要的地位，具有广阔的发展前景，风电场的建设也一直是国家投入的重点。经过多年的发展，我国已经成为全球风力发电规模最大、增长最快的市场。

通常来说一个风电场包含有几十台风电机组，每台风电机组的安装需要借助大型起重机吊装完成，通常包括：塔筒吊装、机舱和电机吊装和叶轮整体吊装。其中，风机叶轮总成安装通常在80米以上高空，通过操作起重机上下、左右调整叶轮轮毂周圈60个螺栓穿入螺孔，难度大、风险高。叶轮总成在高空中由于其质量较大，同时受风面积较大，因此加大了其与机舱对接的难度。目前，对接过程的完成需要由地面人员和机舱内人员之间的相互配合，耗时且存在一定的危险性。综上所述，为叶轮总成与机舱的高空对接设计一种智能高效的辅助对接装置是非常必要的。

技术实现要素：

本发明设计开发了一种用于风机叶轮总成与机舱空中对接的引导和定位装置，通过挡板和定位液压机构实现风机叶轮总成的定位，再通过引导液压机构和旋转机构，实现叶轮总成与机舱的对接，对接过程准确、稳定且高效。

本发明提供的技术方案为：

一种用于风机叶轮总成与机舱空中对接的引导和定位装置，包括：

相互铰接的第一弧形支撑板和第二弧形支撑板，其围成环形平面，且可拆卸同轴固定设置在与所述风机叶轮总成对接的机舱一侧；

多个挡板，其周向均匀铰接在所述环形平面上，且所述挡板内侧面为平面；

多个定位液压机构，其与所述挡板一一对应，且一端与所述环形平面铰接，另一端与所述挡板外侧铰接，用于驱动所述挡板开合；

多个支撑块，其周向均匀设置在所述环形平面内；

多个旋转机构，其周向均匀设置在靠近所述支撑块的环形平面上，且输出轴与所述支撑块轴向一端固定连接，用于驱动所述支撑块绕所述输出轴旋转；

多个引导液压机构，其与所述支撑块一一对应，且一端与所述支撑块另一端垂直连接，另一端设置有电磁铁，用于引导所述风机叶轮总成；

动力机构，其与所述定位液压机构、引导液压机构、旋转机构和电磁铁连接，用于驱动所述定位液压机构、引导液压机构、旋转机构和电磁铁工作。

优选的是，还包括：

球铰罩，其设置在所述引导液压机构的活塞杆一端；

球铰，其设置在所述球铰罩内，且能够在所述球铰罩内自由运动；

连接杆，其一端与所述球铰连接，另一端与电磁铁固定连接。

优选的是，所述支撑块为长方体结构，且与所述引导液压机构连接一端为弧形。

优选的是，所述电磁铁为长方体结构，且所述连接杆与所述电磁铁一面中心固定连接。

优选的是，所述挡板一端通过第一铰耳与所述环形平面铰接，另一端为尖状结构。

优选的是，所述相互铰接的第一弧形支撑板和第二弧形支撑板通过卡钳可拆卸固定设置在所述机舱上。

优选的是，所述定位液压机构两端通过第二铰耳分别与所述环形平面和所述挡板铰接。

优选的是，所述第一弧形支撑板和第二弧形支撑板两端通过销孔和销轴铰接。

优选的是，所述定位液压机构为定位油缸，其缸体一端与所述环形平面铰接，活塞杆一端与所述挡板外侧中部铰接；所述引导液压机构为引导油缸，且缸体一端与所述支撑块另一端垂直连接，活塞杆一端设置有电磁铁；所述旋转机构为旋转电机。

优选的是，所述挡板的臂长为4000～5000mm，所述环形平面的内径为4000～5000mm。

本发明所述的有益效果：

(1)针对目前叶轮总成与机舱部分高空对接的低效性和高危性，本发明提供的用于风机叶轮总成与机舱空中对接的引导和定位装置，能够引导叶轮总成沿着固定路径与机舱完成高精度定位装配，能够准确、高效地引导叶轮总成完成与机舱的对接。同时，该装置整套系统安装和拆卸简便，操作简单明确，装置整体形式简单可靠，外观设计简洁大方、符合对称美学，兼具科技感与时尚感。

(2)本发明提供的用于风机叶轮总成与机舱空中对接的引导和定位装置，充分考虑结构工作安全性与可行性，引导系统结构工作稳定可靠，而且将系统检测信号引导到地面，通过编译可以直接生成指导起重机操作人员的可视化数据，如果与起重机操作系统连接，可以实现风机和叶轮总成的自动对接。使用方法简单，结构安装和拆除简便快速，可以实现设备重复使用，通过关键部件的标准化可以扩展对应的风机机型。

附图说明

图1为本发明所述安装固定于机舱后的用于风机叶轮总成与机舱空中对接的引导和定位装置的结构示意图。

图2为本发明所述连接于第一弧形支撑板110的y/z向引导系统结构示意图。

图3为本发明连接于第一弧形支撑板110的x向引导系统结构示意图。

图4为本发明x向引导系统的引导油缸与球铰的局部结构示意图。

图5为本发明所述挡板的结构示意图。

图6为本发明所述卡钳装置的结构示意图。

图7为本发明实施例所述安装引导过程的整体示意图。

图8为本发明所述安装固定于机舱后的用于风机叶轮总成与机舱空中对接的引导和定位装置的主视图。

图9为本发明所述安装固定于机舱后的用于风机叶轮总成与机舱空中对接的引导和定位装置的俯视图。

图10为本发明所述风机叶轮总成的结构示意图。

图11为图10中a处的局部放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再次阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。

如图1-11所示，本发明提供一种用于风机叶轮总成与机舱空中对接的引导和定位装置，包括：相互铰接的第一弧形支撑板110和第二弧形支撑板120，其围成环形平面，且可拆卸同轴固定设置在与风机叶轮总成对接的机舱100一侧；在该环形平面周向均匀铰接有挡板130，且挡板130内侧面为平面。与该挡板130一一对应设置有定位液压机构140，其一端与环形平面铰接，另一端与挡板130外侧中部铰接，用于驱动挡板130的开合，以实现风机叶轮总成的定位，当然，铰接位置并不限于中部，可以根据所选用的液压缸行程及挡板的尺寸大小来确定。

在该环形平面内周向均匀设置有支撑块150，在靠近支撑块150的环形平面周向均匀设置有旋转机构160，其输出轴与支撑块150轴向一端固定连接，用于驱动支撑块150绕所述输出轴旋转，用于风机叶轮总成200与机舱100对准后，旋转支撑块150使其紧靠环形平面，进而实现风机叶轮总成200与机舱对接。与支撑块150一一对应设置有多个引导液压机构170，其一端垂直固定设置在支撑块150轴向另一端，另一端设置有电磁铁180，用于通电时产生磁性吸附风机叶轮总成200，使其能够沿环形平面轴向靠近机舱100运动，实现风机叶轮总成200与机舱100精准对接。

当然还包括动力机构，其与定位液压机构140、引导液压机构170、旋转机构160和电磁铁180连接，用于驱动定位液压机构140、引导液压机构170、旋转机构160和电磁铁180工作。

具体的，本发明中，以风机与叶轮总成装配轴线为x轴来具体描述，如图1所示，用于风机叶轮总成与机舱空中对接的引导和定位装置的所有部件结构均装配于上相互铰接(通过销孔和销轴)的第一弧形支撑板110和第二弧形支撑板120上，该第一弧形支撑板110和第二弧形支撑板120通过夹紧螺栓122和卡钳121装配到风机机舱100头部。挡板130和定位液压机构140(定位油缸)组成y/z轴定位系统，电磁铁180和引导液压机构170(引导油缸)组成x轴引导系统，旋转机构160(旋转电机)和支撑块150形成转动平面，组成x轴引导系统旋出机构，即通过旋转电机160驱动支撑块150沿输出轴旋转，使得支撑块150轴向从沿环形平面径向旋转至垂直环形平面径向，实现x轴引导系统旋出，以便于后续的风机叶轮总成200与机舱100的精准对接。

如图6所示，卡钳装置121的设计使得整个辅助安装对接系统沿x轴方向的自由度被限制，考虑到风机安装过程是在高空中完成的，由于风力存在一定的偶然性，卡钳121的存在增加了高空对接系统的稳定性。卡钳121的设计需要根据机舱的形状，卡钳平面上放置着箱体123。箱体123中放置着该高空辅助对接系统所需要的一些辅助元件。

如图2所示，为叶轮总成空中安装引导系统y/z轴定位系统，在叶轮总成200吊装过程中，通过抱式引导爪(即挡板130和定位油缸140)完成y/z方向的定位过程，挡板130的结构形式的设计可以根据叶轮总成200的形式来改变。挡板130的内表面设计为平面，在引导叶轮总成200定位的过程中，当平面与叶轮总成相切时，即为定位成功。抱爪支撑(挡板130)臂长为4000mm，加上对接半径3300mm(x轴方向的定位装置作用完后，即其旋转收起后，将叶轮总成与机舱对接还需在x轴方向移动的距离。即在作用完后叶轮总成轮毂平面与机舱平面的距离)，总共为7300mm，要将叶轮总成200对接中心与风机机舱100对接中心在y/z轴方向偏差2000mm半径范围，x轴方向距离2000mm范围内，此过程是相对容易的。之后在定位油缸140推动下挡板130开始抱紧，一旦抱爪(挡板130)碰到叶轮总成300的侧壁即相切状态，就可以检测到叶轮总成200此时的吊装位置相对于对接支撑面的偏移方向，指导起重机操作手完成吊装位置调整。

如图3所示，为叶轮总成空中安装引导系统x轴引导系统，x向引导油缸由电磁铁180、球铰181、球铰罩182、连接杆183、引导油缸170组成，球铰罩182设置在引导油缸170的活塞杆一端，球铰181设置在球铰罩182内且能够自由运动，连接杆183一端连接球铰181，一端连接电磁铁180。引导油缸170固定端通过螺栓连接在支撑块150轴向另一端。旋转电机160和支撑块150形成转动平面，即旋转电机160的输出轴与支撑块150的轴向一端固定连接，旋转电机160固连于环形支撑面上。电磁铁180是当通电后才具有磁性的，其磁性能够通过电动机进行控制其大小。

本发明提供的用于风机叶轮总成与机舱空中对接的引导和定位装置，其对接系统综合运用电、磁、液压机构实现对叶轮总成200与风机机舱100的对接引导。整套系统利用关键传感器的信号输出引导与起重机吊装操作协同完成。该系统中，要保证在该系统工作的过程中，不能对机舱以及叶轮造成损害，因此在机舱100外侧即与风机叶轮总成200对接一侧套入柔性的垫圈190，以防止该辅助对接系统在工作过程中对机舱造成不可修复型损害。

本实施例中所用到的传感器包括：油压传感器，其用来检测液压油的油压信号，通过控制压力来实现液压执行机构的行程。力传感器，其用来保障安全，通过输出的力学信号，与已经较为成熟的起重机吊装操作系统协同，对该设备的操作初步想法为采用地面操作的引导屏，同时将该地面操作的引导屏的相关信息和程序导入起重机的操作系统，对相关程序进行进一步优化，可以使得该耦合操作系统实现自动对接。直线式位移传感器，其主要作用为检测叶轮总成在移动过程中的直线度，以保证对接过程的顺利进行。

工作过程：

当叶轮总成200被吊装在一定高度时，电磁铁180平面开始通电，开始对叶轮总成200在x方向进行引导工作。当y/z轴位置调整到位，此时起重机向风机机舱方向靠近，当接触到x向引导油缸以后，通过抱爪系统(挡板130和定位油缸140)二次调整y/z轴位置。由于x向引导油缸170行程相同，所以随着起重机吊装点靠近对接平面，在引导油缸170支撑下可以完成风机机舱100和叶轮总成200对接平面的自动平行。此时叶轮总成200在起重机吊装下靠近风机机舱对接平面，此时的叶轮总成200的y/z向偏移量达到一定程度后仍然要调整吊装位置。当叶轮总成200的螺栓210与风机对接平面接触以后，保证x轴对准的情况下转动风机机舱100内法兰，达到螺栓210与螺栓孔220对接的效果，之后引导油缸170引导螺栓插入螺栓孔100mm以后，引导油缸170在旋转电机160的控制下旋转退出，起重机完成剩余对接操作，如图7所示。

安装过程：

当该发电机组的塔架安装完毕，叶轮总成在地面安装完毕后，首先将机舱外径大小的环形胶垫安装于机舱外圈以保证该系统不会对风机和叶轮总成造成表面伤痕。机舱与该引导系统的连接在地面上进行，本发明的第一弧形支撑板和第二弧形支撑板一端通过一根销轴进行连接，且该第一弧形支撑板和第二弧形支撑板能够绕着该销轴旋转一定的角度，将第一弧形支撑板和第二弧形支撑板的另一端通过销轴扣紧，这就保证了该机构不会再y/z方向窜动，在第一弧形支撑板和第二弧形支撑板的后侧分别设置了一个卡钳，用于与机舱固定配合，保证了该系统不会沿着x向窜动，其余部件安装于第一弧形支撑板和第二弧形支撑板主体上即可，具体定位和引导的过程在上述内容中已经描述清楚，不再赘述。

拆卸过程：

拆卸过程也极为简单，将固定卡钳装置和风机机舱的螺栓拧出，将第一弧形支撑板和第二弧形支撑板的一个连接销轴抽出，通过绕着另一个连接销轴旋转即可将该系统与机舱分离，用吊机作用于第一弧形支撑板和第二弧形支撑板的吊耳将其从高空吊下来。为了便于运输，可以将该引导系统拆卸成若干零部件。

本实施例是针对2.5mw直驱永磁风力发电机组平台来展开的，其零部件的具体尺寸可以根据根据不同的发电机组的需求来进行调整。且该机构并不仅仅局限于风力发电机组的安装对接引导，可以将其推广到其他应用领域。

针对目前叶轮总成与机舱部分高空对接的低效性和高危性，本发明提供的用于风机叶轮总成与机舱空中对接的引导和定位装置，能够引导叶轮总成沿着固定路径与机舱完成高精度定位装配，能够准确、高效地引导叶轮总成完成与机舱的对接。同时，该装置整套系统安装和拆卸简便，操作简单明确，装置整体形式简单可靠，外观设计简洁大方、符合对称美学，兼具科技感与时尚感。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。