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摘 要 在風力機的各個組成部分，變速箱是最高的故障率之一，也是我國風電設計水平的主要瓶頸。目前，國內(nèi)風力機齒輪箱故障主要集中在齒輪箱的工作壽命不能達到設計要求。齒輪失效是齒輪箱失效的主要原因。因此，高效、可靠的齒輪傳動系統(tǒng)的設計是我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵。 本文通過對風機驅(qū)動系統(tǒng)的分析和研究，根據(jù)目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對風力發(fā)電機組的核心部件進行了研究。本文提出了一種新型的風力發(fā)電機齒輪箱，由兩個階段的行星齒輪傳動機構和一個平行軸齒輪組成。在確定傳輸方案后，對加速器的關鍵部件進行了分析，并對整個系統(tǒng)進行了動力學分析。本文設計的風力發(fā)電機組具有輸出功率大、體積小、可靠性高的特性，可為我國風力發(fā)電機組自主知識產(chǎn)權的發(fā)展提供一定的依據(jù)。 關鍵詞：風力發(fā)電，增速器，動力學分析 III Abstract In the various components of the wind turbine, the gearbox is one of the highest failure rate, and it is also the main bottleneck of the design level of wind power in China. At present, the domestic wind turbine gear box failure is mainly concentrated in the gear box working life can not reach the design requirements. The failure of gear is the main cause of the failure of the gear box. Therefore, the design of efficient and reliable gear transmission system is the key to the development of wind power industry in China. In this paper, through the analysis and research of the wind turbine drive system, according to the current research situation at home and abroad, the core components of wind turbine. This paper presents a new type of wind turbine gear box, composed of two stage planetary gear train and a parallel shaft gear. After the transmission scheme is determined, the analysis of key components of the accelerator and the dynamic analysis of the whole system are carried out. In this paper, the design of wind turbine generator with high output power, small size, high reliability, can provide some basis for the development of China's wind turbine independent intellectual property rights. Key Words：Wind power generation, speed increasing device, dynamic analysis 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 第1章 緒論 1 1.1 選題的背景、目的和意義 1 1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展 2 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀與發(fā)展 2 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展 3 1.3 研究目的與內(nèi)容 4 1.3.1 研究目的 4 1.3.2 研究內(nèi)容 4 第2章 3MW風力發(fā)電機組齒輪箱設計 5 2.1傳動方案確定 5 2.1.1 增速箱設計要求及步驟 6 2.1.2 傳動方案及運動原理圖 7 2.2增速器總體設計 8 2.2.1 第一級行星輪系傳動設計 8 2.2.2 第二級行星輪系傳動設計 9 2.2.3 第三級平行軸圓柱齒輪傳動設計 11 2.2.4 行星齒輪具體結構確定 12 2.3材料選擇及強度校核 13 2.3.1 行星傳動強度校核 13 2.3.2 圓柱齒輪強度校核 15 2.4主要構件設計選用與計算 16 2.4.1 行星輪心軸的設計與校核 16 2.4.2 圓柱齒輪傳動輸出軸設計 17 2.4.3 浮動齒式聯(lián)軸器設計 19 2.4.4 齒輪結構設計 20 2.4.5輸入軸連接形式選擇計算 21 第3章 齒輪箱密封、潤滑及冷卻 23 3.1 齒輪箱的密封 23 3.2 齒輪箱的潤滑、冷卻 23 第4章 基于SolidWorks的齒輪箱建模 25 4.1 齒輪參數(shù)化建模概述 25 4.2 輸入軸建模概述 26 4.4 端蓋建模 27 4.5 箱體建模 28 4.6 軸承建模 29 第5章 風電齒輪箱的裝配 30 5.1 基于SolidWorks的齒輪箱裝配 30 5.2齒輪箱二維裝配圖 31 第6章 結論 32 參考文獻 33 致 謝 35 第1章 緒論 1.1 選題的背景、目的和意義 經(jīng)濟、能源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展是實現(xiàn)國家現(xiàn)代化目標的必要條件。為了解決化石能源將繼續(xù)消耗對經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的影響，中國和一些發(fā)達國家在未來的能源規(guī)劃，明確提出了可再生能源發(fā)展的具體目標。在“國家中長期（2020 - 2006）”科技發(fā)展規(guī)劃中，可再生能源的利用規(guī)模成為能源可持續(xù)發(fā)展的關鍵科學問題之一。中國可再生能源法，2005日頒布，進一步明確了可再生能源的戰(zhàn)略地位，包括風能，可再生能源的發(fā)展提供法律保障。 風能是取之不盡的可再生能源。相比風力發(fā)電和太陽能，地熱能，潮汐能，氫氣和可燃冰新能源發(fā)電，快速發(fā)展，技術成熟，將成為第二十一個世紀的主要綠色電力。到2008年底，全球風力發(fā)電機組總裝機容量已超過1億千瓦，近幾年中國的快速發(fā)展，風力發(fā)電機組的總裝機容量也達到1200萬千瓦。根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會在2005個計劃，由2020，全國總裝機風力發(fā)電能力將達到3000萬千瓦。 中國的風能資源豐富，陸地和海上風力資源超過15億千瓦。其中，土地10米的高度，風力資源2億5300萬千瓦；路的100米的高度，可以利用約700萬千瓦風力發(fā)電。海洋開發(fā)利用風能蘊藏量。因此，風能的大規(guī)模使用是國家能源可持續(xù)發(fā)展的主要需求。 雖然中國的風力發(fā)電發(fā)展如此迅速，但其生產(chǎn)設備長期依賴進口，在風力發(fā)電機組的自主開發(fā)仍相對落后，特別是核心技術的發(fā)電機組基本上屬于空白。大型風力發(fā)電廠的生產(chǎn)單位是外國設備的基本介紹，部分國內(nèi)單位主要采取的外國產(chǎn)品的模仿，核心技術仍然是空白，水平設計和實驗與國外先進技術相比，不被提及的相同的呼吸。不同地區(qū)的風力條件存在很大的差異，這也造成了風機“水土不服”的模仿，不能滿足生產(chǎn)和使用要求。因此僅靠模仿并不能解決我國風力發(fā)電機組設計的現(xiàn)狀水平差，必須以提高中國風電機組設計和研究水平為目標實現(xiàn)國產(chǎn)化，設計具有自主知識產(chǎn)權的風力發(fā)電核心設備，突破我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“瓶頸”，使風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)走上健康發(fā)展之路。 水平軸風力機有多種形式，圖1-1是一個典型的水平軸風力機結構。這里所稱的典型結構和目前所采用的風力渦輪機的設計結構，主要組成部分的風輪，偏航系統(tǒng)，驅(qū)動和制動裝置，發(fā)電機，發(fā)動機室和塔從它的主要組成，也需要相應的操作控制，安全和電力轉換系統(tǒng)。 圖1-1 一種水平軸風力發(fā)電機組的典型結構 1—主機架 2—偏航驅(qū)動機構 3—風輪軸 4—風輪葉片 5—輪轂 6—變漿距機構 7—風輪主軸承8—齒輪箱 9—制動裝置 10—高速軸 11—發(fā)電機 12—測風裝置 13—液壓系統(tǒng) 14—電氣控制系統(tǒng) 據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)外風力發(fā)電機組的故障率最高。在中國，齒輪箱的風損率高達40%至50%，極少數(shù)品牌單位齒輪箱的變化率幾乎為100%；外國故障統(tǒng)計的主要部件風力渦輪機，齒輪箱故障率高，如圖1 1 2是外國的風電機組，主要組成部分故障率統(tǒng)計結果。據(jù)納瓦拉，西班牙水電能源集團公司在最近幾年的風力渦輪機的主要組成部分故障：齒輪箱，發(fā)電機，葉片故障主要是由于風力發(fā)電機故障，齒輪箱故障率逐年增加，故障%的比例已超過60%是單位故障率最高的部分。 圖1-2 風力發(fā)電機主要部件故障百分率 1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀與發(fā)展 進入第二十一個世紀后，隨著電力電子技術、控制技術和材料技術的發(fā)展，風力發(fā)電設備的設計和制造技術得到了迅速發(fā)展。早在2004年初，美國取得了風力發(fā)電在我國的普遍應用，風力發(fā)電總裝機容量已超過6740mw，可以達到20%的電力消費的一般要求。而風力發(fā)電在加拿大風力發(fā)電發(fā)展的速度也比較豐富，風力發(fā)電已成為其能源結構的重要組成部分。2015，加拿大的風力發(fā)電能力將達到4700mw。傳統(tǒng)風力發(fā)電-德國、西班牙、荷蘭等國的風力發(fā)電發(fā)展也以驚人的速度增長。作為我們的鄰居和主要經(jīng)濟競爭對手，印度在風電領域在我國的前面。短短的二十年后，印度的風力發(fā)電行業(yè)從無到有，從弱到強，迅速成為世界風力發(fā)電應用范圍廣泛的國家之一。 經(jīng)過近50年的研究和發(fā)展，由100風力發(fā)電千瓦到兆瓦級甚至十兆瓦的發(fā)展，大大提高了單位面積的發(fā)電能力，大大提高了風力發(fā)電的經(jīng)濟效益。近年來，風力發(fā)電已經(jīng)逐漸形成了水平軸，典型設計形式三葉，風，鋼管塔。目前，全球風電設備市場，1以上的~ 3MW額定功率的主流模式。主風機主單元設計采用變速變槳距運動方式，風力機與發(fā)電機的轉速比用于驅(qū)動齒輪箱。同時，直驅(qū)式風力機的齒輪箱在市場上也越來越受到重視?，F(xiàn)代風力發(fā)電機的主要發(fā)展方向是光、高效率、高可靠性和高功率。為了提高風力機的可靠性，齒輪箱一直是許多國家最重要的研究課題之一。 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展 我國幅員遼闊，風能儲量驚人，風力發(fā)電發(fā)展的前提條件是大。目前，中國的新能源的應用主要是基于水和電，但與水電儲量相比，中國的風能儲量不差。據(jù)相關資料顯示，我國各類風電裝機容量達10億千瓦，遠大于歐美風電，所以我國風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是一個自然優(yōu)勢。但由于技術的局限性，我國風能資源開發(fā)利用前期以分散、小規(guī)模試驗和示范為主，20世紀90年代大規(guī)模風電場開始建設，廣泛應用于。 近年來，我國風電設備的設計和制造技術取得了長足的進步，初步具備了1.5 ~ 3MW大型風電機組制造能力。同時，風力發(fā)電機的主要部件，如葉片，電動控制系統(tǒng)，齒輪箱，發(fā)電機，偏航系統(tǒng)等設計和制造能力也大大提高。通過技術引進和消化，中國已經(jīng)形成了以風電整機制造企業(yè)為代表的風電設備行業(yè)，有0.75 ~ 1.5MW風電機組整機的生產(chǎn)能力，并建立了一個完整的相對穩(wěn)定和可靠的產(chǎn)業(yè)鏈。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)新的風力渦輪機的2008，市場份額的設備在國內(nèi)資本和合資風力渦輪機制造商已經(jīng)達到70%以上，并具有一定的國際競爭力。 雖然在我國風力發(fā)電行業(yè)的增長是非常可喜的，但由于中國風電設備行業(yè)起步較晚，對風力發(fā)電機組基礎設計理論和技術研究是不夠的，在風力發(fā)電技術和規(guī)模和世界風力發(fā)電相比差距仍然是非常明顯的，與中國的巨大風力能源儲存能力不匹配。其根本原因是風電機組關鍵部件的研究遇到了“瓶頸”，如高功率齒輪箱設計、軸承設計等都遠遠落后于世界先進水平。為了實現(xiàn)我國風力發(fā)電技術快速、健康發(fā)展的目標，建立完善的系統(tǒng)設計和故障分析系統(tǒng)，并放棄簡單的模仿，真正掌握核心部件的設計方法將是我們下一步工作的重中之重。 1.3 研究目的與內(nèi)容 1.3.1 研究目的 在風力渦輪機的每一個部分，齒輪箱是最高的故障率之一。這也是我國風力發(fā)電機組設計的主要瓶頸。目前，國內(nèi)風力機齒輪箱故障主要集中在齒輪箱的工作壽命不能達到設計要求。齒輪失效是齒輪箱失效的主要原因。因此，齒輪箱傳動系統(tǒng)的合理設計已成為風力機制造的關鍵。 本文以3MW風力發(fā)電機為例，通過一種新型多級混合式增速器的結構及傳動設計，并對主要零部件進行受力分析、計算與校核。為打破國外壟斷，實現(xiàn)我國風力發(fā)電機國產(chǎn)化貢獻綿薄之力。 1.3.2 研究內(nèi)容 本文的主要研究內(nèi)容主要包括以下兩個方面： (1) 3MW風力發(fā)電組增速器的設計 風力發(fā)電機組的基本工作原理是風力推動葉輪產(chǎn)生動力和相應轉速，再由增速器傳遞給發(fā)電機并使其產(chǎn)生電能。本文結合CAD設計方法，對增速器箱體進行結構設計，然后對齒輪傳動裝置設計，對船東類型采用一種新型混合式傳動。由兩級行星輪系和一級平行軸輪系組成，齒輪箱結構安全可靠，符合中國船級社標準。 (2) 危險零部件應力分析 針對增速器中齒輪、齒輪軸等危險部件進行受力分析和計算，校核其強度，從而驗證設計方案的可靠。 35 第2章 3MW風力發(fā)電機組齒輪箱設計 傳動是大多數(shù)機床的主要部件。確定產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵是決定產(chǎn)品的設計是否合理，傳動部分和傳動裝置是否合理，制造和裝配質(zhì)量符合要求。變速器可以分為三種類型，即機械傳動、液力傳動和變速器。根據(jù)其工作原理，將機械傳動分為嚙合傳動和摩擦傳動，分為四種傳動鏈傳動、帶傳動、齒輪傳動和蝸桿傳動。根據(jù)風力機的特性和工作環(huán)境的要求，對齒輪傳動的一般選擇。 齒輪傳動是機械傳動中最重要、最廣泛的一種傳動裝置。其主要優(yōu)點是瞬時傳動比是恒定的，可靠性高，壽命長，結構緊湊。齒輪傳動分為三種類型，開、半開閉。由于風力發(fā)電機工作環(huán)境惡劣，一般采用封閉式傳動，滿足潤滑要求。 該裝置是安裝在原動機和工作機獨立的封閉驅(qū)動裝置，用于增加速度應相應減少轉矩。加速器是風力發(fā)電機組的重要組成部分，它承載著轉速、改變運動形式、動力和運動的傳遞和分布功能?？紤]到風電傳動比、結構緊湊、效率高的特點，本文采用兩級行星齒輪傳動加一級平行軸斜齒輪傳動的結構形式。 2.1傳動方案確定 目前，國內(nèi)生產(chǎn)的風電齒輪箱可分為平行軸齒輪、行星齒輪箱和平行軸行星齒輪傳動裝置，并將其分為單級和多級齒輪箱；根據(jù)驅(qū)動裝置的布置可分為開型、同軸式和混合式并聯(lián)。 現(xiàn)在市場上的功率為10KW以上變速箱一般采用NGW型行星齒輪傳動，由行星架輸入，一個太陽輪輸出，主要特點是：（1）行星架和太陽輪浮動設計，結構簡單，很好的實現(xiàn)了均布荷載。（2）作為輸入軸，其與大風力發(fā)電機和大扭矩的特性相一致。缺點是功率太小，經(jīng)濟效益差，資源利用率低。 500kw以上的風電增速箱常見結構有：兩級平行軸加一級行星和一級平行軸加兩級級行星傳動兩種形式。本文采用的是平行軸與行星輪系混合式齒輪箱。 圖2.1 齒輪箱常見傳動形式 2.1.1 增速箱設計要求及步驟 增速器齒輪箱的主要設計要求如表2.1所示。 表2.1原始設計要求 額定功率 3330KW 增速比 92.05 輸出轉速 1480r/min 輸入轉速 16r/min 分度圓壓力角 20° 增速器設計步驟： (1)根據(jù)傳動裝置的使用要求及工作特點確定傳動形式為行星齒輪傳動。 (2)確定行星傳動的結構形式和選擇傳動方案。 (3)根據(jù)選定的電機的輸入速度和經(jīng)過減速機構減速后的輸出速度，確定出這個減速機構的傳動比范圍。 根據(jù)減速裝置的用途和工作特點，行星傳動的結構形式確定為：單級2K-H(NGW型)行星傳動機構。確保其穩(wěn)定性，行星輪數(shù)目為3，其傳動比范圍為：。由此，初分配行星傳動機構中行星輪級數(shù)。 根據(jù)工作條件需要，行星輪與轉動電機之間需要留出足夠的位置便于安放電機，并使機構結構緊湊，安裝方便，電機與行星輪之間采用斜齒圓柱齒輪連接。行星輪機構初定為2級，每級傳動比分配情況如下： 第一級： 第二級： 第三級： 2.1.2 傳動方案及運動原理圖 目前，國內(nèi)生產(chǎn)的增速箱主要采用2K-H型行星傳動，行星架為輸入端，太陽輪為輸入端。其具有如下優(yōu)點： （1）行星架的焊接結構簡單，重量輕。 （2）采用系外行星齒輪傳動，剛性好，符合風力發(fā)電機組的特性，大扭矩。 （3）高速、低速水平采用行星架和浮的太陽，簡化了結構，使結構更加緊湊，并具有良好的效果。 缺點：功率太小，不適合大風力發(fā)電場；儲能裝置是一個很大的負擔?？紤]到兆瓦級風力機的功率大、結構緊湊、可靠性高和其他特點，結合中國船級社風機規(guī)范，采用變速器形式如圖2.2所示。 圖2.2 兆瓦級風力發(fā)電增速箱運動原理圖 一個增速器傳動結構分為三級，第一級行星齒輪傳動，第一級行星架作為輸入，通過第一太陽輪傳遞到行星架，第二太陽輪輸出；圓柱齒輪平行軸齒輪傳動第三級直接與電機聯(lián)接。此傳輸方案有以下優(yōu)點： （1）行星傳動水平低，效率高，體積小，重量輕，結構簡單，傳動功率大范圍大，功率分流成功實施，小軸向尺寸的行星輪浮動，負載分擔效果良好，實現(xiàn)了大傳動比； （2）高速平行斜齒輪傳動，合理分配傳動比，實現(xiàn)平穩(wěn)輸出，減少振動。 2.2增速器總體設計 2.2.1 第一級行星輪系傳動設計 (1)計算齒輪基本參數(shù) 根據(jù)初定條件： ，即 盡可能取質(zhì)數(shù)，，則 計算： 計算并初選： 初選 預計嚙合角及： 選， (2) 校驗行星輪齒裝配條件： 1)同心條件 為了保證中心輪和行星架軸線重合，各對嚙合齒輪問的中心距必須相等。而對于角度變位傳動，應為 2)裝配條件 由于各行星輪必須均布于中心齒輪之間。為此，各齒輪齒數(shù)與行星輪個數(shù)必須滿足裝配條件，否則，會出現(xiàn)行星齒輪無法裝配的情況。 單排2K-H行星傳動的裝配條件為：兩中心輪的齒數(shù)之和應為行星輪數(shù)目的整數(shù)倍。 即 (整數(shù)) 3)鄰接條件 保證相鄰兩行星輪的齒頂不相碰 即 根據(jù)以上條件，初選模數(shù)為18mm，按照技術要求查閱相關手冊，確定第一級行星輪系具體參數(shù)如表2.2。 表2.2 第一級行星輪系參數(shù) 齒數(shù) 模數(shù) 變位系數(shù) 齒頂圓 齒根圓 分度圓 螺旋角 第一級 中心輪 15 18 0.35 318.6 237.6 280 0 行星輪 27 18 -0.35 509.4 428.4 486 0 內(nèi)齒圈 69 18 -0.35 1203.975 1274.4 1242 0 2.2.2 第二級行星輪系傳動設計 (1)計算齒輪基本參數(shù) 根據(jù)初定條件 即 盡可能取質(zhì)數(shù)取，則C=36 計算： 計算并初選： 初選 預計嚙合角及： 選。。 (2)校驗行星輪齒裝配條件： 1)同心條件 左邊= 右邊= 左邊=右邊，滿足同心條件。 2)裝配條件 (整數(shù)) 為整數(shù) 滿足裝配條件 3)鄰接條件 齒高變動系數(shù) 齒頂圓直徑 滿足鄰接條件 根據(jù)以上條件，初選模數(shù)為14mm，按照技術要求查閱相關手冊，確定第二級行星輪系具體參數(shù)如表2.3。 表2.3第二級行星輪系參數(shù) 齒數(shù) 模數(shù) 變位系數(shù) 齒頂圓 齒根圓 分度圓 螺旋角 第二級 中心輪 20 14 0.35 317.8 254.8 280 0 行星輪 34 14 -0.35 494.2 431.2 476 0 內(nèi)齒圈 88 14 0.35 1202.45 1257.2 1232 0 2.2.3 第三級平行軸圓柱齒輪傳動設計 齒數(shù)分配如下：， 具體參數(shù)如表2.4。 表2.4第三級平行軸斜齒輪參數(shù) 齒數(shù) 模數(shù) 變位系數(shù) 齒頂圓 齒根圓 分度圓 螺旋角 第三級 斜齒輪一 68 5.5 0 401.4948 376.7448 390.4968 斜齒輪二 23 5.5 0 139.7458 122.4858 132.0791 端面模數(shù)： 分度圓直徑：， 標準中心距： 2.2.4 行星齒輪具體結構確定 (1) 太陽輪的結構 為便于軸和齒輪連接。在本文中，太陽輪使齒輪軸，和鼓的漸開線花鍵實現(xiàn)和一個行星框架連接，將使中心圓一個輕微的擺動在一定范圍內(nèi)，以實現(xiàn)均勻負載。如圖2.2。 圖2.2 太陽輪結構 (2) 行星輪的結構 由于風力機的驅(qū)動力比較大，軸承是安裝在行星齒輪軸的孔中，從而減小了傳動軸的軸向尺寸，并簡化了裝配結構。當一般壁厚度(m為模數(shù))時，為了提高軸的承載能力，將兩者之間的距離在行星輪上的距離應是最大的，這樣的載荷可以均勻地分布沿齒寬方向。一個雙列調(diào)心滾柱軸承行星齒輪孔也可以減少沿齒寬不均勻分布載荷。由于行星輪負荷較大，在本文中，兩個雙列調(diào)心滾子軸承的安裝，行星輪的結構如圖2.3所示。 圖2.3 行星輪結構 (3)行星架的結構 行星架是行星傳動結構中的重要組成部分。常用的行星齒輪有雙臂和手臂的整體分離和單臂三型。在鑄造、鍛造和焊接方法中都是空白的。在本文中，雙橫臂的使用，粗選ZG340-640鑄鋼材料，這種結構具有良好的剛度。 2.3材料選擇及強度校核 由于風力發(fā)電機組具有惡劣的工作環(huán)境和復雜的負載條件。因此，與一般的傳動機構相比，除了滿足機械強度的要求外，還要滿足一些機械性能的極端溫度條件，如低溫脆性、低膨脹和收縮率等。的傳動部件，一般不采用分體式結構或焊接結構，齒輪毛坯盡可能的輻條輪輞實心鍛造形式提高承載能力。采用優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛造毛坯，取得了良好的力學性能。表2.5列出本文所設計的增速器各傳動部件的材料及力學性能。 表2.5 各傳動部件材料及力學性能 傳動件 材料 熱處理 接觸強度 彎曲強度 加工精度 太陽輪 20CrMnTi 滲碳淬火，齒面硬度56~60HRC 1500 480 磨齒5級 行星輪 內(nèi)齒圈 42CrMo 調(diào)質(zhì)、齒面硬度HBS≥260 720 320 插齒6級 斜齒輪 20CrMnTi 滲碳淬火，齒面硬度56~60HRC 1500 480 磨齒5級 2.3.1 行星傳動強度校核 在行星輪系傳動中，太陽輪與行星輪間接觸強度最大，故只需驗證該嚙合副齒輪接觸強度即可。根據(jù)中國船級社風力發(fā)電機組規(guī)范，對各級行星輪系進行強度校核。 (1)第一級行星輪系 1)太陽輪與行星輪外嚙合接觸強度及彎曲強度校核： 太陽輪a和行星輪c的材料選用20CrMnTi，滲碳淬火，齒面硬度56～60HRC，查閱手冊，選取。 ，查手冊得： 查手冊得： 輸入軸轉矩， 太陽輪a受到轉矩： 行星輪c轉矩： 齒面接觸疲勞強度： 太陽輪齒根彎曲疲勞強度： 行星輪齒根彎曲疲勞強度： 2)行星輪與內(nèi)齒圈彎曲強度校核： 內(nèi)齒輪的材料選用42CrMo，調(diào)質(zhì)，齒面硬度HBS>260，查手冊，選取。 齒根彎曲疲勞強度： (2)第二級行星齒輪 1)太陽輪與行星輪外嚙合接觸強度校核： 太陽輪a和行星輪c的材料選用20CrMnTi，滲碳淬火，齒面硬度56～60HRC，查圖，選取。。參數(shù)選擇方法與第一級類似。 齒面接觸疲勞強度： 太陽輪齒根彎曲疲勞強度： 行星輪齒根彎曲疲勞強度： 2)行星輪與內(nèi)齒圈彎曲強度校核： 內(nèi)齒輪的材料選用42CrMo，調(diào)質(zhì)，齒面硬度HBS>260，查手冊，選取。。 內(nèi)齒圈齒根彎曲疲勞強度： ： 2.3.2 圓柱齒輪強度校核 材料選用20CrMnTi，滲碳淬火，齒面硬度56～60HRC，查閱手冊，選取。 ，查手冊，得 查手冊 輸入軸轉矩， 齒輪受到轉矩： 齒面接觸疲勞強度： 第三級輸入齒輪齒根彎曲疲勞強度： 第三級輸出齒輪齒根彎曲疲勞強度： 由上述校核可知，該傳動設計方案基本符合強度要求，切實可行。該方案選取大齒寬和高等級制造精度保證機構運動平穩(wěn)，避免了點蝕和膠合等失效情況的出現(xiàn)，選取合適的傳動比來滿足傳動要求，結構安全可靠。 2.4主要構件設計選用與計算 2.4.1 行星輪心軸的設計與校核 （1） 初步確定軸的最小直徑 選取軸的材料為42CrMo，調(diào)制處理260～290HBS，，。取，于是得 為了與軸承相適應，故需同時選取軸承型號。 因軸承主要承受徑向載荷，且行星輪軸線在傳動中要保持與太陽輪良好的平行，以避免附加載荷，所以選用調(diào)心滾子軸承，性能、特點與調(diào)心球軸承相同，且具有較大的徑向承載能力。并根據(jù)最小軸徑122.33mm，查機械手冊初步選取標準調(diào)心滾子軸承型號為22326 C/W33。其尺寸為 故最心軸直徑為130mm。 （2） 行星輪心軸強度計算 作用在心軸上的載荷按均布載荷計算，則最大彎矩為 心軸的彎曲應力為 （3） 行星輪軸承壽命計算 采用軸承為222326 C/W33， ， 行星架轉速為 行星輪絕對轉速為 行星輪相對行星架的相對轉速為 軸承壽命為 2.4.2 圓柱齒輪傳動輸出軸設計 （1） 初步確定軸的最小直徑 選取軸的材料為42CrMo，調(diào)制處理260～290HBS，，。取，于是得 輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處的直徑，為了與聯(lián)軸器的孔徑相適應，故需同時選取聯(lián)軸器型號。 聯(lián)軸器的計算轉矩 式中 —工作情況系數(shù)，考慮到轉矩變化和沖擊載荷大，選用=2.3。 按照計算轉矩應小于聯(lián)軸器公稱轉矩的條件，查手冊，選用LZ6 YB80×172型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉矩為8000N·m。半聯(lián)軸器與軸配合榖孔長度。 （2） 軸的結構設計 1) 擬定軸上零件的裝配方案 本設計的裝配方案在前面已經(jīng)分析，現(xiàn)選用如圖2-5所示的裝配方案 圖2-5 輸出軸的結構與裝配 2) 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 ①為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，VII—VIII軸段左端需制出一軸肩，故取VI—VII段的直徑；左端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈直徑D=92mm。為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，故VII—VIII段的長度應比略短一些，現(xiàn)取。 ②初步選擇滾動軸承。因軸承主要受徑向力作用，而且要求輸平穩(wěn)，所以選用圓柱滾子軸承和調(diào)心滾子軸承配合?？梢猿惺茌^大徑向載荷同時能夠自動調(diào)心，允許內(nèi)圈對外圈軸線偏斜量≤1.5°~2.5°。參照工作要求并根據(jù)，查機械手冊中初步選取0基本游隙組、標準精度等級的單列調(diào)心滾子軸承22219 C/W33，其基本尺寸為 ，故，而。 右端滾動軸承采用軸肩定位。由手冊上查得22219 C/W33型軸承定位軸肩高度h=6mm，因此，取。 ③因為軸段III—IV為齒輪軸段，故取。 ④取軸段I—II處與軸段VI—VII處相同的軸承直徑，因此，參照工作要求，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組、標準精度級的單列圓柱滾子軸承NU219E，其基本尺寸為 因此，又根據(jù)軸承安裝尺寸、，選擇II—III段直徑為。 ⑤軸承端蓋的總寬度為20mm。根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于軸承加潤滑脂的要求，取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器左端間面間的距離，故取。 ⑥取齒輪距箱體內(nèi)壁之距離a=20mm，考慮到箱體的鑄造誤差，在確定滾動軸承位置時，應距箱體內(nèi)壁一段距離s，取s=8mm，已知滾動軸承寬度，參考中間軸總長度，則 至此，已初步確定了輸出軸的各段直徑和長度。 3) 軸上零件的周向定位 半聯(lián)軸器與軸的周向定位采用平鍵連接。按，查手冊得平鍵截面，鍵槽用鍵銑刀加工，長為140mm，半聯(lián)軸器與軸的配合為。滾動軸承與軸的周向定位是由過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。 4) 確定軸上圓角和倒角尺寸 參照手冊，取軸端倒角為2×45°，軸肩處的圓角半徑為R=2mm或R=1.6mm。 2.4.3 浮動齒式聯(lián)軸器設計 行星齒輪齒輪箱的基本構件廣泛采用齒式聯(lián)軸器，以保證基本構件在運動中能夠適當?shù)馗?，補償制造誤差所需的徑向活動度。 浮動用齒式聯(lián)軸器的結構設計 浮動用齒式聯(lián)軸器有單齒和雙齒兩種結構。單齒聯(lián)軸器（如圖2-6所示）要有足夠的長度，否則會引起齒輪輪齒上的載荷分布系數(shù)增大。 圖2-6 單齒聯(lián)軸器 雙齒聯(lián)軸器的結構比單齒復雜（見圖2-7、圖2-8）但它可以使浮動齒輪具有傾斜和徑向平移兩種運動可能，這有利于減小值。對傳動比較小，太陽輪直徑較大的NGW型傳動，采用圖2-6a所示的結構比圖6-2b所示的結構更為有利。因為本設計太陽輪直徑較大，所以本設計采用圖2-7a所示的中心輪浮動用雙齒聯(lián)軸器，其中輸入端齒就是太陽輪。 圖2-7 中心輪浮動用雙齒聯(lián)軸器 圖2-8 內(nèi)齒輪浮動用雙齒聯(lián)軸器 聯(lián)軸器及被浮動件的軸向定位，通常采用圓形截面（見圖2-8）或矩形截面（見圖2-6）的彈性擋圈，也可采用球面頂塊定位（見圖2-7b）。本設計采用一根空心軸定心，可以有效防止工作時因載荷變化造成傳動中聯(lián)軸器的傾斜角過大，而增大齒面磨損和減少使用壽命。 為了保證構件浮動的自由度，擋圈與齒輪間需留有一定間隙，這個間隙常取為。 浮動用齒式聯(lián)軸器，按其外齒軸套的輪齒在齒寬方向的截面形狀，又有直齒和鼓形齒之分。其中直齒加工簡單，但允許傾斜角小，一般不大于30′，工作時容易產(chǎn)生輪齒的端部受載，齒面磨損大，強度和壽命較低。 鼓形齒的允許傾斜角較大，一般可達2°左右，其輪齒的受力情況好，浮動靈敏，強度和壽命均較直齒的有所提高。所以本設計采用鼓形齒。 2.4.4 齒輪結構設計 通過前面齒輪傳動的強度計算，已確定出齒輪的主要尺寸，如齒數(shù)、模數(shù)、齒寬、螺旋角、分度圓直徑等，現(xiàn)對齒輪的齒圈、輪輻、輪轂等的結構形式及尺寸大小進行設計。 由于大齒輪1的齒頂圓直徑，所以大齒輪1做成輪輻面為“十”字形的輪輻式結構。齒輪的主要尺寸見零件圖。 由于大齒輪2的齒頂圓直徑，故大齒輪2選用腹板式結構，齒輪的主要尺寸見零件圖。 2.4.5輸入軸連接形式選擇計算 考慮到風力發(fā)電機的輸入軸的安裝和拆卸麻煩，并且受重在沖擊，所以輸入軸采用脹緊連接。 脹緊連接的主要用途是代替單鍵和花鍵的連接作用，以實現(xiàn)機件與軸的連接，用以負荷，其功能在使用中分脹緊與鎖緊兩大類。脹緊套在使用時通過高強度螺栓的作用，使內(nèi)環(huán)與軸之間、外環(huán)與輪轂之間產(chǎn)生巨大的抱緊力，使內(nèi)環(huán)與軸之間產(chǎn)生抱緊，常稱作鎖緊盤或鎖緊環(huán)，如、型。當承受負荷時，靠脹緊套與機件的結合力及相伴產(chǎn)生的摩擦力傳遞轉矩、軸向力或兩者的復合載荷。 脹緊連接是一種新型傳動連接方式，與一般過盈連接、有鍵連接相比，有許多獨特的優(yōu)點： 1) 使用脹套使主機零件制造和安裝簡單。安裝脹套的軸和孔的加工不像過盈配合那樣要求高精度的制造公差。脹套安裝時無需加熱、冷卻或加壓設備，只需將螺栓按要求的轉矩擰緊即可。且調(diào)整方便，可以將輪轂在軸上方便地調(diào)整到所需位置。脹套也可用來連接焊接性差的零件。 2) 脹套的使用壽命長，強度高。脹套依靠摩擦傳動，對被連接件沒有鍵槽削弱，也無相對運動，工作中不會產(chǎn)生磨損。 3) 脹套連接在超載時，將失去連接作用，可以保護設備不受破壞。 4) 脹套連接可以承受多重負荷，其結構可以做成多種式樣。根據(jù)安裝負荷大小，還可以多個脹套串聯(lián)使用。 5) 脹套拆卸方便，且具有良好的互換性。由于脹套能把較大配合間隙的軸轂結合起來，拆卸時將螺栓寧松，即可使被連接件容易拆開。脹緊時，接觸面緊密貼合不易銹蝕，也便于拆開。 輸入軸最小直徑計算 選取軸的材料為42CrMo，調(diào)制處理260～290HBS，，。取，于是得 輸入軸轉矩為 根據(jù)輸入軸最小直徑和輸入轉矩查機械手冊選擇 型脹套。其基本尺寸為 第3章 齒輪箱密封、潤滑及冷卻 3.1 齒輪箱的密封 齒輪箱軸伸部位的密封一方面應能防止?jié)櫥屯庑?，同時也能防止雜質(zhì)進入箱體內(nèi)。常用的密封分為非接觸式密封和接觸式密封兩種。 1.非接觸式密封。所有的非接觸式密封不會產(chǎn)生磨損，使用時間長。 軸與端蓋孔間的間隙行程的密封，是一種簡單的密封。間隙大小取決于軸的徑向跳動大小和端蓋孔相對于軸承孔的不同軸度。在端蓋孔或軸頸上加工出一些溝槽，一般2~4個，形成所謂的迷宮，溝槽底部開有回油槽，使外泄的油液遇到溝槽改變方向輸回箱體中。也可以在密封的內(nèi)側設置甩油盤，阻擋飛濺的油液，增強密封效果。 2.接觸式密封。接觸式密封使用的密封件應密封可靠、耐久、摩擦阻力小。容易制造和裝拆，應能隨壓力的升高而提高密封能力和有利于自動補償磨損。常用的旋轉軸用唇形密封有多種方式，可按標準選取。密封部位軸的表面粗糙度R=0.2-0.63.與密封圈接觸的軸表面不允許有螺旋形機加工痕跡。軸端應有小于30°的導入角，倒角上不應有銳邊、毛刺和粗糙的機加工殘留物。 本次設計采用了以上的第二種密封方式。 3.2 齒輪箱的潤滑、冷卻 齒輪箱的潤滑十分重要，良好的潤滑能夠?qū)X輪和軸承祈禱足夠的保護作用。為此，必須高度重視齒輪箱的潤滑問題，嚴格按照規(guī)范保持潤滑系統(tǒng)長期處于最佳狀態(tài)。齒輪箱常采用飛濺潤滑或強制潤滑，一般以強制潤滑為多見。因此，配備可靠的潤滑系統(tǒng)尤為重要。在機組潤滑系統(tǒng)中，齒輪泵從油箱將油液經(jīng)過濾油器輸送到齒輪箱的潤滑系統(tǒng)，對齒輪箱的齒輪和傳動件進行潤滑，管路上裝有各種監(jiān)控裝置，確保齒輪箱在運轉過程中不會出現(xiàn)漏油。保持油液的清潔十分重要，即使是第一次使用新油，也要經(jīng)過過濾，系統(tǒng)中除了主濾油器之外，最好加裝旁路濾油器輔助濾油器，以確保油液的潔凈。對潤滑油的要求應考慮能夠起齒輪和軸承的保護作用。此外還應具備以下性能：1.減少摩擦和磨損，具有高強的承載能力，防止膠合；2.吸收沖擊和振動；3.防止疲勞點蝕；4.冷卻，防銹，抗腐性。風力發(fā)電齒輪箱屬于閉式齒輪傳動類型，其主要的失效形式是膠合與點蝕，故在選擇潤滑油時，重點是保證有足夠的油膜厚度和邊界膜強度。 潤滑油系統(tǒng)中的散熱器常用風冷式的，由系統(tǒng)中的溫度傳感器控制，在必要時通過電控旁路閥自動打開冷卻回路，使油液先流經(jīng)散熱器散熱，再進入齒輪箱。 第4章 基于SolidWorks的齒輪箱建模 Solidworks是參數(shù)化技術的先驅(qū)，參數(shù)化是其最突出特點。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)汽車行業(yè)、工程機械行業(yè)和產(chǎn)品設計領域占據(jù)不可替代位置。本論文運用solidworks軟件對齒輪箱各零件進行建模，然后進行裝配和運動仿真。其中在對齒輪及其它標準件的建模時通過solidworks軟件的數(shù)化設計來輸入各零件的參數(shù)完成對零件的建模。通過solidworks的建模清楚、形象、直觀地表達齒輪箱各部分的特點[15]。 4.1 齒輪參數(shù)化建模概述 行星齒輪也為漸開線圓柱齒輪，應用參數(shù)化設計，輸入已經(jīng)計算好的齒輪各參數(shù)（模數(shù)、齒數(shù)、壓力角、螺旋角、齒寬、齒頂高系數(shù)、頂系系數(shù)和變位系數(shù)）生成齒輪，通過“拉伸”命令生成齒輪輪轂和鍵槽孔。齒輪的三維模型如圖所示。 圖4.1 行星輪模型 圖4.2 內(nèi)齒圈模型 圖4.3 太陽輪模型 4.2 輸入軸建模概述 通過“旋轉”生成部分的軸，然后運用“拉伸”命令生成鍵槽等。輸入軸的三維模型如圖4.4所示。 圖4.4 輸入軸模型 4.4 端蓋建模 端蓋分為悶蓋和透蓋，悶蓋用于軸不伸出端面，透蓋用于軸伸出端面。二者的建?；鞠嗤ㄟ^“旋轉”和孔特征命令即可生成。悶蓋的三維建模如圖4.5所示，透蓋的三維建模如圖4.6所示。 圖4.5 悶蓋模型 圖4.6 透蓋模型 4.5 箱體建模 箱體為齒輪箱的支撐部分，起保護和承載作用，在本設計中箱體采用圓柱形。對箱體的建模相對復雜，需通過“拉伸”、“旋轉”命令，再孔特征、筋特征和陣列特征等一系列步驟可生成箱體。箱體的三維模型如圖4.7所示。 圖4.7 箱體模型 4.6 軸承建模 軸承采用分步建模然后在裝配，分別使用“旋轉”命令生成軸承內(nèi)圈、外圈和滾子，然后裝配完成軸承的建模，軸承的三維模型如圖4.8所示。 圖4.8 軸承的三維模型 第5章 風電齒輪箱的裝配 5.1 基于SolidWorks的齒輪箱裝配 齒輪箱的三維裝配將使設計好的各零件的裝配關系直觀地展現(xiàn)在人們面前，同時在裝配過程中可以意識到設計中各個零部件的尺寸是否正確，外觀是否美觀等。 在solidworks組件壞境下以箱體為載體調(diào)用已完成建模的所有零部件，完成齒輪箱的三維裝配。齒輪箱的三維裝配模型圖如圖5.1所示。內(nèi)部結構圖如圖5.2所示。 圖5.1 風電齒輪箱三維模型 圖5.2 風電齒輪箱剖面圖 5.2齒輪箱二維裝配圖 AutoCAD是美國Autodesk公司首次于1982年生產(chǎn)的自動計算機輔助設計軟件，用于二維繪圖、詳細繪制、設計文檔和基本三維設計，具有完善強大的圖形繪制和編輯能力，其支持多種平臺、通用性和易用性強的特點在全世界范圍內(nèi)吸引了不少客戶，現(xiàn)已經(jīng)成為國際上廣為流行的繪圖工具[16]。本文運用AutoCAD繪制齒輪箱裝配圖和主要零件圖。雖然科技進步，技術發(fā)達的今天，但在產(chǎn)品設計中二維的裝配圖還是畢不可少的?？傃b配圖如圖5.3所示。 圖5.3 齒輪箱二維裝配圖 第6章 結論 機械行業(yè)為了提高自身競爭力，縮短產(chǎn)品的設計周期，提高設計效率，機械設計從傳統(tǒng)的人工測量、構想、初步設計、人工繪圖進入了新的CAD技術時代[17]。本文提出了基于solidworks的兆瓦級風電齒輪箱設計，本設計具體完成了以下工作： （1）對增速器結構進行分析，提出本設計的背景和意義。 （2）根據(jù)設計參數(shù)對齒輪箱的初期設計進行了詳細的分析和計算，在完成各部件的設計的同時，對必要的零部件進行校核分析。 （3）為了滿足齒輪箱的工作要求，對齒輪箱的各附件、潤滑和密封方式進行分析與選擇。 （4）對風電齒輪箱設計完成后，運用solidworks軟件對增速箱各零部件進行建模、裝配。 （5）運用AutoCAD繪制風電齒輪箱的總裝配圖和主要零件圖。 參考文獻 【1】 成大先主編.機械設計手冊 第六卷 .機械工業(yè)出版社 【2】 姚興佳主編. 風力發(fā)電原理與應用. 機械工業(yè)出版社 2009.6 【3】 芮曉明主編. 風力發(fā)電機組設計 機械工業(yè)出版社，2010.2 【4】葉偉昌主編.機械工程及自動化簡明設計手冊機械工業(yè)出版社 【5】陳立德主編.機械裝備制造設計高等教育出版社 【6】孫桓 陳作模 葛文杰主編. 機械原理. 高等教育出版社 【7】濮良貴 紀名剛主編. 機械設計. 高等教育出版社 【8】戴枝榮 張遠明主編. 工程材料 第二版. 高等教育出版社 【9】郝桐生主編. 理論力學. 高等教育出版社 【10】北京科技大學 東北大學主編. 材料力學. 高等教育出版社 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Choy ，Y.F. Ruan，Y K Tu．Modal Analysis of Multistage Gear Systems Coupled with Gearbox Vibration．Journal of Mechanical Design，1 992，(1l 4)：486-497 致 謝 感謝X老師在我大學的最后學習階段——畢業(yè)設計階段給我的指導，有了X老師認真負責的指導我的論文才得以順利完成。老師為我論文課題的研究提出了許多指導性的意見，為論文的撰寫、修改提供了許多具體的指導和幫助。在本文結束之際，特向敬愛的樊老師致以最尊敬的敬禮和深深地感謝！ 通過此次設計，一方面讓我認識到只學習理論是遠遠不夠的，發(fā)現(xiàn)了學習中的錯誤之處；另一方面又積累豐富的知識，吸取別人好的方法和經(jīng)驗，增強對復雜問題的解決能力，摸索出一套解決綜合問題的方法，為自己以后的工作和學習打下堅實的基礎，提高了自己的動手能力。順利完成畢業(yè)設計，既是對我大學所學課程的一次綜合整理，又使我對機電知識有了更深層次的理解。這些能力的掌握是我步入社會所必需的。 同時由衷的感謝在我設計過程中，班級同學對我的指導和幫助，有了你們的熱心解答，彌補了我的不足，我得以在各方面取得顯著的進步。由于初次研究這種復雜而又綜合的設計，過程中難免存在一些錯誤和不足之處，懇請各位老師給予批評和指正。