Муфта для автоматического отбора избыточной мощности от вала ветродвигателя
COUPLING FOR AUTOMATIC EXTRACTION OF EXCESS POWER FROM THE WIND TURBINE SHAFT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для автоматического отбора избыточной мощности от ветродвигателя с вертикальным вращающимся и привода электрогенератора или другого рабочего механизма, использующего механическую энергию вала напрямую.
Уровень техники
Известна фрикционная муфта, предназначенная для передачи крутящего момента с одного вала на другой при большой передаваемой мощности, которая может быть использована в управляемых и предохранительных механизмах. Ее действие основано на известном взаимодействии двух конусных фрикционных поверхностях при их контакте. Механизм осуществления такого контакта не показан, но он легко читается на рисунке, поскольку на ступице свободно перемещающейся шестерни, названной отводкой, имеется кольцевая канавка для нажимного рычага. При прекращении усилия на отводку со стороны нажимного рычага конусные фрикционные поверхности разъединяются под воздействием пружины (см. патент на изобретение RU №2151928 С1. Фрикционная муфта. Публикация 26.06.2000 Бюл. №18).
Недостатки фрикционной муфты заключаются в следующем: она не контролирует передаваемую мощность с одного вала на другой; с ее помощью нельзя автоматически подключить дополнительный механизм для отбора избыточной мощности от ведущего вала при появлении таковой. Данная муфта постоянного действия и ее основная функция состоит в предохранении от поломок подсоединенных механизмов при перегрузках.
Известна пружинная муфта, содержащая ведущую и ведомую полумуфты, установленные соосно. На полумуфтах установлена пружина, имеющая в свободном состоянии внутренний диаметр меньше диаметров валов полумуфт, на которых она расположена. Один конец пружины закреплен на валу ведущей полумуфты, а на другом конце пружины грузы. В сцепленном состоянии пружина само затянута вокруг полумуфт и все детали находятся в непрерывном вращении. Если частота вращения ведущей полумуфты возрастает выше некоторого критического значения, то под действием центробежной силы грузы смещаются в радиальном направлении, раскручивая витки пружины. Происходит расцепление полумуфт. По второму варианту, расхождение грузов, раскручивая пружину, вводит ее витки в соприкосновение с ведомой полумуфтой, и муфта передает крутящий момент (см. авторское свидетельство на изобретение СССР №861786 F16D 43/22. Пружинная муфта. Публикация 07.09.81. Бюл. №33).
Недостатком данной муфты, работающей на раскручивание или закручивание пружины, является: невозможность отбора избыточной мощности от ведущего вала; требуется повышенная частота вращения ведущего вала, что для ветродвигателя проблематично.
Известна предохранительная фрикционная муфта, предназначенная для предотвращения поломок в различных машинах, например, механизмов в кабинах, обусловленных перегрузкой их рабочих органов, содержащая ведущую и ведомую полумуфты с фракционными накладками, между которыми размещена ведомая шестерня, поджатая через фрикционные накладки нажимным диском. Поджатие осуществляется нажимными болтами с установленными на них пружинами. Степень поджатия регулируется гайками на болтах таким образом, чтобы при перегрузке ведомая шестерня, зажатая между фрикционными накладками, могла пробуксовывать, предохраняя механизм от поломки.
Недостаток данной муфты заключается в том, что она не позволяет отбирать мощность от ведущего вала помимо той, которая передается на ведомую шестерню. Данная муфта выполняет обратную, предохранительную функцию, отключая рабочий механизм (см. Патент RU №2049940 С1 Предохранительная фрикционная муфта. Публикация 10.12.1989).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту и принятом авторами за прототип является пружинная муфта, обладающая рядом существенных отличительных признаков, имеющихся у заявленной муфты для отбора избыточной мощности от вала ветродвигателя, которыми являются: наличие ведущего и ведомого валов, соединенных между собой винтовой пружиной; наличие ведущей и ведомой полумуфт, выполненных в виде фланцев, и расположенных на ведущем и ведомом валах; во фланцах полумуфт имеются кольцевые прорези, в которые входят отогнутые концы ведущего вала к ведомому с возможностью иметь ведущему валу начальное вращение без нагрузки с последующим увеличением ее по мере закручивания винтовой пружины (см. Патент RU №2639930 С1. Пружинная муфта. Публикация 25.12.2017, Бюл. №36).
Недостатком пружинной муфты, принятой за прототип, является: она не контролирует передаваемую мощность с ведущего вала на ведомый; с ее помощью нельзя автоматически подключать дополнительный механизм к ведущему валу ветродвигателя для отбора избыточной мощности, при появлении таковой при увеличении скорости ветра.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка муфты для автоматического отбора избыточной мощности от вала ветродвигателя, обеспечивающей при малой скорости ветра и, соответственно, малой мощности на валу, работу механизма, соответствующего этой мощности, а при увеличении скорости ветра и, соответственно, увеличении мощности на валу, автоматический отбор части этой мощности для работы другого рабочего механизма.
Техническим результатом данного изобретения является муфта, позволяющая при малой скорости ветра и малой мощности на валу ветродвигателя работать механизму, соответствующему вырабатываемой мощности, а при увеличении скорости ветра и увеличении мощности на валу до некоторого установленного предела, не отключая работающий механизм, автоматически подключать для работы дополнительный рабочий механизм, при этом включение и отключение дополнительного рабочего механизма не требует контроля со стороны оператора.
Технический результат достигается тем, что муфта для автоматического отбора избыточной мощности от вала ветродвигателя, содержащая ведущий и ведомый валы, соединенные между собой цилиндрической пружиной, при этом на ведущем валу закреплен диск с расположенными на нем по окружности отверстиями, в одно из которых входит загнутый конец соединительной цилиндрической пружины, также на диске закреплены диаметрально два штыря, на каждый из которых надета пластина, имеющая для этого на одном из своих концов паз, а на другом конце – отверстие, которыми пластины надеты на оси, закрепленные диаметрально на монтажном диске, который закреплен на ведомом валу, также на монтажном диске располагаются две фрикционные колодки с выступами, между которыми размещены пластины, контактирующие с этими выступами, по концам фрикционные колодки стянуты между собой стяжными пружинами до прилегания выступов к пластинам, помимо этого монтажный диск имеет стакан для размещения в нем соединительной цилиндрической пружины, а днище стакана жестко укреплено на ведомом валу и имеет по окружности отверстия, в одно из которых входит другой загнутый конец соединительной цилиндрической пружины, монтажный диск размещен в тормозном барабане, надетом на ведущий вал с возможностью свободного вращения, внутренняя поверхность тормозного барабана охватывает с необходимым зазором фрикционные колодки, на внешней поверхности тормозной барабан снабжен посадочным местом для ременной передачи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 дан вертикальный разрез муфты, на котором показаны геометрическая форма ведущего и ведомого валов, соединенных между собой цилиндрической пружиной с загнутыми концами, диска, диаметрально установленного на ведущем валу с диаметрально закрепленными на нем штырями и отверстиями по окружности, а также ведомый вал, с закрепленным на нем монтажным диском и смонтированными фрикционными накладками с их взаимным расположением по отношению к другим деталям муфты.
На фиг. 2 дан поперечный разрез муфты с относительным размещением деталей на монтажном диске и в тормозном барабане.
Осуществление изобретения
Муфта для автоматического отбора избыточной мощности от вала ветродвигателя состоит (см. фиг.1): из ведущего 1 и ведомого 2 валов, соединенных между собой цилиндрической пружиной 3. На ведущем валу 1 закреплен диск 4 с расположенными на нем по окружности отверстиями 5, в одно из которых входит загнутый конец 6 соединительной цилиндрической пружины 3, а также с закрепленными на нем диаметрально расположенными штырями 7 с надетыми на них пластинами 8, имеющими на одном конце паз 9, а на другом – отверстие 10, которыми пластины 8 надеты на оси 11, закрепленные диаметрально на монтажном диске 12, который закреплен на ведомом валу 2. Также на монтажном диске 12 располагаются две фрикционные колодки 13 (см. фиг. 2) с выступами 14, между которыми размещены пластины 8, контактирующие с выступами 14. По концам фрикционные колодки 13 стянуты между собой стяжными пружинами 15 до прилегания выступов 14 к пластинам 8. Монтажный диск имеет стакан 16 (см. фиг. 1) для размещения в нем соединительной цилиндрической пружины 3, днище 17 стакана 16 жестко укреплено на ведомом валу 2 и имеет по окружности отверстия 18, в одно из которых входит другой загнутый конец 19 соединительной цилиндрической пружины 3. Монтажный диск 12 размещен в тормозном барабане 20, надетом на ведущий вал 1 с возможностью свободного вращения. Внутренняя поверхность 21 тормозного барабана 20 охватывает с необходимым зазором фрикционные колодки 13. На внешней поверхности тормозной барабан 20 снабжен посадочным местом  для ременной передачи 22 (см. фиг. 2).
Муфта для автоматического отбора избыточной мощности от вала ветродвигателя работает следующим образом:
При достаточной скорости ветра вращение ведущего вала 1 передается на ведомый вал 2 посредством соединительной цилиндрической пружины 3, которая одним загнутым концом 6 входит в одно из расположенных по окружности отверстий 5, имеющихся на диске 4, укрепленном на ведущем валу 1. Второй загнутый конец 19 соединительной цилиндрической пружины 3 входит в одно из расположенных по окружности отверстий 18, имеющихся в днище 17 стакана 16, жестко укрепленном на ведомом валу 2. Стакан 16 служит для размещения в нем соединительной цилиндрической пружины 3 и жестко соединен с монтажным диском 12, на котором закреплены диаметрально оси 11. При достаточной скорости ветра вращение ведущего вала 1 передается на диск 4, который воздействует на соединительную цилиндрическую пружину 3 через ее загнутый конец 6 и закручивает ее, передавая крутящий момент через второй загнутый конец 19 днищу 17 стакана 16, ведомому валу 2, соединенному с рабочим механизмом малой потребляемой мощности (на фиг. 1 и 2 не показан). При достаточной скорости ветра во вращательном движении находятся ведущий вал 2 вместе с диском 4, соединительная цилиндрическая пружина 3, днище 17 стакана 16 и ведомый вал 2. Поскольку стакан 16 соединен с монтажным диском 12, то фрикционные колодки 13 и пластины 8, надетые на штыри 7 и оси 11, также находятся во вращательном движении. При наличии зазора между фрикционными колодками 13 и внутренней поверхностью 21 тормозного барабана 20 он остается свободным, и вращательное движение ему не передается. При увеличении скорости ветра увеличивается и крутящий момент на ведущем валу 1, передаваемый на ведомый вал 2 и на рабочий механизм, на котором нагрузка увеличивается, и он оказывает сопротивление вращению. В результате соединительная цилиндрическая пружина 3 закручивается ведущим валом 1 на больший угол. В результате увеличения угла закручивания соединительной пружины 3, диск 4 также повернется на больший угол от первоначального и штырями 7 станет поворачивать пластины 8 вокруг осей 11. В результате пластины 8, преодолевая сопротивление стяжных пружин 15, воздействуют на выступы 14 и раздвигают фрикционные колодки 13 до прилегания их к внутренней поверхности 21 тормозного барабана 20, который приходит во вращение, и через ременную передачу 22 приводит в работу дополнительный рабочий механизм. Крутящий момент начала отбора мощности от ведущего вала устанавливается при сборке муфты путем предварительного закручивания соединительной цилиндрической пружины 3 и установки ее загнутого конца 6 в необходимое отверстие 5 на диске 4. При этом обратного начального торможения тормозного барабана 20 не произойдет, потому что при стремлении пластин 8 повернуться в противоположную сторону, на фрикционных колодках 13 в этом направлении нет выступов, а длина паза 9 в пластинах 8 будет препятствовать раскручиванию предварительно закрученной соединительной пружины 3, что позволяет устанавливать необходимый крутящий момент, при котором муфта автоматически будет включать и отключать дополнительный рабочий механизм. При установке нужного крутящего момента необходимо переместить тормозной барабан 20 по ведущему валу 1 и, получив доступ к соединительной цилиндрической пружине 3, выполнить ее закручивание на необходимый крутящий момент для включения тормозного барабана 20. Установить тормозной барабан 20 на его рабочее место.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими техническими решениями имеет следующие преимущества:
- более полное использование энергии ветра при  увеличении его скорости путем автоматического подключения дополнительных рабочих механизмов, что очень важно для индивидуальных удаленных от энергосетей сельскохозяйственных производителей, использующих в своих обособленных хозяйствах роторные ветроэнергетические установки с вертикальным валом вращения, как более простые для технического обслуживания и ремонта, поскольку все их рабочие механизмы находятся внизу у земли и доступны для обслуживания; при увеличении мощности на валу подключение дополнительных рабочих механизмов происходит автоматически без участия оператора; нет необходимости в контроле за работой ветроэнергетической установки при изменении скорости ветра и мощности на валу ветродвигателя, например, при малой скорости ветра работает только поршневой водяной насос, для подъема воды из скважины, при увеличении скорости ветра автоматически подключается установка для дробления зерна, измельчения сена и т.д. При уменьшении скорости ветра дополнительный рабочий механизм отключается, а работает только постоянно подключенный механизм.