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學生用表
本科生畢業(yè)論文（設計）中期報告
學院： 工程學院 系： 機械系 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化
學號
姓名
班名
論文(設計)題目
第Ⅱ代風力空氣壓縮機設計
簡述開題
以來所做
的具體工
作和取得
的進展或
成果
具體工作：
1、在網(wǎng)上、圖書館進行資料收集、熟悉設計任務；
2、按照工作計劃的安排，積極準備并完成開題報告；
3、風機的總體結構方案設計，最優(yōu)設計方案的選擇；
4、排屑機具體數(shù)據(jù)的設計計算；
5、使用三維輔助設計軟件進行產(chǎn)品零件設計、繪制產(chǎn)品零件圖；
6、設計風機的總體裝配圖和非標準零件圖；
成果：經(jīng)過老師的詳細指導，自己的努力，工作有序地進行著。
存在的
具體
問題
問題：存在的主要問題是支架的設計，確定最合理的方案。最后經(jīng)過老師的指導和自己的查閱資料才得以順利解決。
下一步
工作
具體
設想
與
安排
1、加緊對新設計方法和思路的學習，同時要多查資料開拓視野，多方面了解和認識各機械部件用法和功能；
2、加緊按質(zhì)按量完成設計；
3、整理說明書。
指導
教師
意見
指導教師簽名：
年 月 日
學生用表1
本科生畢業(yè)論文（設計）開題報告
學院： 工程學院 系： 機械系 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化
學號
姓名
班名
畢業(yè)論文
（設計）題目
第Ⅱ代風力空氣壓縮機設計
指導教師
陸兵
所在單位、部門
工程學院
職稱
教授
（1、內(nèi)容包括：①研究的目的和意義；②國內(nèi)外研究（設計）發(fā)展狀況、發(fā)展水平與存在問題；③研究（設計）主要內(nèi)容、預期目標及擬解決的關鍵問題；④研究（設計）方案與技術路線；⑤研究（設計）方法；⑥參考文獻。2、撰寫要求：字體為5號宋體字，字數(shù)不少于1500字。）
風機，已經(jīng)是許多國家新能源開發(fā)的重點之一項目。我國當然也不例外，并且在我國風機研究和發(fā)展還不成熟，再加上其他優(yōu)越的條件，使得風機在我國還有很大的研究和發(fā)展價值。
天時：我國沿海海面多為季風性氣候,風力穩(wěn)定，每天海面上的風力都在4級及以上，約為8m/s以上，風力資源豐富。
地利：中國擁有綿長的海岸線，大小島嶼多，海洋能資源儲備量巨大，環(huán)境條件好?？捎糜跐O業(yè)養(yǎng)殖，節(jié)約電能，從而減少對環(huán)境的污染。
人和：目前我國現(xiàn)在正處于社會主義建設的新階段，人民對于建設偉大祖國的熱情高漲，國家對于新能源的開發(fā)利用的支持力度也日益加大。在新世紀召開的第一次全國科學技術大會上，總書記胡錦濤提出這樣一個擲地有聲的口號：堅持走中國特色自主創(chuàng)新道路，為建設創(chuàng)新型國家而努力奮斗。在2012年上海召開的國際風能展覽會上，中國科技部正在力推10兆瓦（MW，1兆瓦=1000千瓦）級海上風電機組整機和零部件設計關鍵技術研發(fā)，以期在“十二五”末實現(xiàn)海上超大型風電機組的樣機運行。近些年來，國家對綠色能源的研制和開發(fā)已經(jīng)提到工作日程上來。這就說明國家對風能、太陽能等綠色能源開發(fā)的大力支持和高度重視。
對于國外的最新情況，歐洲目前是世界風電發(fā)展的先行和技術標準的制定者，丹麥、德國、西班牙的實力尤其強大。所以借助我國良好的外交環(huán)境，我們可以以他們?yōu)閹?，引進技術，加快步伐縮小與他們的差距，服務于本國國民經(jīng)濟的增長需求。
意義：我們的經(jīng)濟在不斷快速增長，步伐不斷邁向海洋。與此同時，由于海上能源輸送不方便等問題，制約海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展的諸多因素也凸顯出來。我們的項目就是在這樣的背景下開展的，嘗試致力于解決海上能源問題。
總而言之，對于才剛剛起步的中國海上風電，我們有廣闊的發(fā)展空間；對于清潔無污染的海上風能資源，我們有光明的發(fā)展前景。
我的項目稱作《多用途浮式風機》，動力源為風能，傳動裝置為葉輪，聯(lián)軸器、增速箱及氣泵，執(zhí)行件為儲氣罐（儲能裝置），目的是將海上豐富的風能資源進行有效收集并利用。面向對象為海上養(yǎng)殖戶與鉆井平臺等相對孤立與大陸物料傳送不便的地方，可以為他們的日常作業(yè)提供必要的動力。通過結構的設計，可以實現(xiàn)海上自動垂直對風，同時對于抗擊風浪也有很好的平穩(wěn)性。
設計內(nèi)容
1、動力設計 根據(jù)海上風力大小，確定風機的風葉半徑，確定風葉的材料。
2、動力設計 根據(jù)海上風速，初算傳動軸的直徑、齒輪的模數(shù)；設計傳動路線，確定傳動機構尺寸。完成裝配草圖后，要驗算傳動軸的直徑，齒數(shù)模數(shù)是否在允許范圍內(nèi)。還要驗算軸的平穩(wěn)性，整個結構的平穩(wěn)性。
3、結構設計進行主運動傳動軸系、變速機構、支架、潤滑與密封等的布置和機構設計。
4、撰寫說明書。
設計方案
通?？梢詳M定出幾個方案進行分析比較。每個方案包括的內(nèi)容有：工藝分析、主要技術參數(shù)、總布局、主要部件結構草圖及技術經(jīng)濟分析等。
在制定方案時應注意以下幾個方面：
1、 當使用和制造出現(xiàn)矛盾時，應先滿足使用要求，其次才是盡可能便與制造。要盡量用先進的工藝和創(chuàng)新的結構；
2、 設計必須以生產(chǎn)實踐和科學實驗為依據(jù)，凡是未經(jīng)實踐考驗的方案，必須經(jīng)過實踐證明可靠后才能用于設計。
3、 繼承與創(chuàng)造相結合，盡量采用先進工藝，迅速提高生產(chǎn)力，為實現(xiàn)四個現(xiàn)代化服務。注意吸取前人和外國的先進經(jīng)驗，并在此基礎上有所創(chuàng)新和發(fā)展。
參考文獻
[1].唐偉峰、許誠、孫錦,《海上漂浮平臺的漂浮規(guī)律》,海軍航空工程學院、 2012第27卷第1期
[2]鄭桂珍、徐德倫、劉學海，《海浪的特征波陡》，青島海洋大學、1999年第18卷第3期；
[3].王積偉 ，《液壓與氣壓傳動》，機械工業(yè)出版社 ；
[4]于俊一 、鄒青，《機械制造技術基礎》，機械工業(yè)出版社 第2版；
[5].濮良貴、紀名剛 《機械設計》，高等教育出版社、第八版；
[6].呂廣庶、張遠明《工程材料及成形技術基礎》，高等教育出版社；
[7].哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室，《理論力學》高等教育出版社 第7版；
[8].劉鴻文，《材料力學》，高等教育出版社 第5版；
[9].李奇涵、李明哲，《沖壓成型工藝與模具設計》科學出版社；
[10].劉萬琨、張志英、李銀鳳、趙萍，《風能與風力發(fā)電技術》，化學工業(yè)出版社；
[11].《風力發(fā)電用感應發(fā)電機》，中國電力出版社。
[12].成大先，《機型設計手冊》（第五版），化學工業(yè)出版社
工作計劃進程表
時 間
工 作 內(nèi) 容
1.資料收集、整理；英文翻譯；實習、調(diào)研并寫出實習報告
2.與相關設計人員討論，確定設計方案，并寫出開題報告
3.設計計算
4.繪制裝配圖及零件圖
5.撰寫并整理畢業(yè)設計說明書，做好畢業(yè)設計答辯準備
選題是否合適： □是 □否
方案是否可行： □是 □否
進程是否合理： □是 □否
任務能否完成： □能 □不能
指導教師
（簽字） 年 月 日
選題是否合適： □是 □否
方案是否可行： □是 □否
進程是否合理： □是 □否
任務能否完成： □能 □不能
指導小組組長
（簽字） 年 月 日
3
第Ⅱ代風力空氣壓縮機設計
Design of two generation air compressor
學生姓名
所在學院
所在專業(yè)
申請學位
指導教師
副指導教師
答辯時間
目 錄
目 錄
設計總說明 I
1 設計背景及意義 I
2 作品的介紹： I
3 作品的亮點： II
4 對作品未來的展望 II
INTRODUCTION II
1 風機設計原理： 1
1.1 設計原理圖： 1
1.2 系統(tǒng)工作原理： 1
1.3 作品整體結構設計圖： 2
2 葉片設計： 2
3 傳動參數(shù)的擬定及相關參數(shù)的確定： 4
3.1 傳動簡圖： 4
3.2 傳動比的確定： 4
3.3 各軸的轉速： 5
3.4 各軸的輸入功率： 5
3.5 各軸的輸入轉矩： 5
3.6 傳動參數(shù)數(shù)據(jù)表： 6
4 設計兩對傳動齒輪： 6
4.1 選精度等級、材料及齒數(shù)，齒型 6
4.1.1 確定齒輪類型． 6
4.1.2 材料選擇． 6
4.1.3 精度選擇： 6
4.1.4 參數(shù)選擇： 6
4.2 按齒面接觸強度設計 7
4.2.1 設計公式 7
4.2.2 調(diào)整齒輪的分度圓直徑 8
4.3 按齒根彎曲強度設計 10
4.3.1 試算模數(shù) 10
4.3.2 調(diào)整模數(shù) 12
4.4 幾何尺寸計算 13
4.4.1 計算兩對齒輪分度圓直徑 13
4.4.2 計算分錐角 13
4.5 計算齒輪寬度 14
4.6 結構設計及繪制兩對齒輪的零件圖（從略） 14
4.7 主要涉及結論 14
5 軸的設計 14
5.1 Ⅰ軸的設計 14
5.1.1 初算軸徑 14
5.1.2 按扭矩估算最小軸徑 14
5.1.3 結構設計 15
5.1.4 軸的疲勞強度校核 16
5.2 Ⅱ、Ⅲ軸的設計 16
6 聯(lián)軸器的選擇 16
7 滾動軸承的選擇與計算 17
7.1 選型 17
7.2 基本參數(shù) 17
7.3 軸承的計算 18
7.3.1 求比值 18
7.3.2 計算軸承壽命 19
7.4 Ⅱ、Ⅲ軸上的軸承設計 20
8 Ⅰ軸安全剎車設計 20
9 鍵的選擇與校核 21
9.1 鍵的設計 21
9.1.1 選型 21
9.1.2 鍵連接強度計算 22
9.2 設計結論 22
10 對風裝置（及尾舵）和尾桿 22
11 技術參數(shù)匯總 23
12 軸Ⅰ的重心計算： 25
13 整個風能轉化機構的重心計算 25
14 底板的設計 26
15 豎直支架的設計 26
16 浮筒選擇 28
17 技術參數(shù)匯總 28
18 整體結構的穩(wěn)定性分析 28
19 設計總結 29
鳴 謝 31
參考文獻 32
設計總說明
設計總說明
1 設計背景及意義
風機，已經(jīng)是許多國家新能源開發(fā)的重點之一項目。我國當然也不例外，并且在我國風機研究和發(fā)展還不成熟，再加上其他優(yōu)越的條件，使得風機在我國還有很大的研究和發(fā)展價值。
天時：我國沿海海面多為季風性氣候,風力穩(wěn)定，每天海面上的風力都在4級及以上，約為8m/s以上，風力資源豐富。
地利：中國擁有綿長的海岸線，大小島嶼多，海洋能資源儲備量巨大，環(huán)境條件好?？捎糜跐O業(yè)養(yǎng)殖，節(jié)約電能，從而減少對環(huán)境的污染。
人和：目前我國現(xiàn)在正處于社會主義建設的新階段，人民對于建設偉大祖國的熱情高漲，國家對于新能源的開發(fā)利用的支持力度也日益加大。在新世紀召開的第一次全國科學技術大會上，總書記胡錦濤提出這樣一個擲地有聲的口號：堅持走中國特色自主創(chuàng)新道路，為建設創(chuàng)新型國家而努力奮斗。在2012年上海召開的國際風能展覽會上，中國科技部正在力推10兆瓦（MW，1兆瓦=1000千瓦）級海上風電機組整機和零部件設計關鍵技術研發(fā)，以期在“十二五”末實現(xiàn)海上超大型風電機組的樣機運行。近些年來，國家對綠色能源的研制和開發(fā)已經(jīng)提到工作日程上來。這就說明國家對風能、太陽能等綠色能源開發(fā)的大力支持和高度重視。
對于國外的最新情況，歐洲目前是世界風電發(fā)展的先行和技術標準的制定者，丹麥、德國、西班牙的實力尤其強大。所以借助我國良好的外交環(huán)境，我們可以以他們?yōu)閹?，引進技術，加快步伐縮小與他們的差距，服務于本國國民經(jīng)濟的增長需求。
意義：我們的經(jīng)濟在不斷快速增長，步伐不斷邁向海洋。與此同時，由于海上能源輸送不方便等問題，制約海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展的諸多因素也凸顯出來。我們的項目就是在這樣的背景下開展的，嘗試致力于解決海上能源問題。
總而言之，對于才剛剛起步的中國海上風電，我們有廣闊的發(fā)展空間；對于清潔無污染的海上風能資源，我們有光明的發(fā)展前景。
2 作品的介紹：
我的項目稱作《多用途浮式風機》，動力源為風能，傳動裝置為葉輪，聯(lián)軸器、增速箱及氣泵，執(zhí)行件為儲氣罐（儲能裝置），目的是將海上豐富的風能資源進行有效收集并利用。面向對象為海上養(yǎng)殖戶與鉆井平臺等相對孤立與大陸物料傳送不便的地方，可以為他們的日常作業(yè)提供必要的動力。通過結構的設計，可以實現(xiàn)海上自動垂直對風，同時對于抗擊風浪也有很好的平穩(wěn)性。
3 作品的亮點：
（1）、先進性：
通過獨特且簡單的結構設計使風機能夠適應海上平臺不平穩(wěn)的的情況，一定海況范圍內(nèi)（5級海況以內(nèi)）葉輪能在任何一個方向始終保持垂直對風。
（2）、科學性：
a.相比較于海上其它能量：海流能、潮汐能、太陽能等，風能利用是一門研究比較成熟的技術，工程投資成本相對較少，回報率高；
b.整體結構傳動鏈短，能源利用率高；
c.整個結構的平穩(wěn)性及零件的強度剛度條件都經(jīng)過嚴格的力學校核，科學合理；
（3）、實用性：
a.采用可移動平臺，使用靈活，可根據(jù)工作需求多臺聯(lián)機工作；
b.結構簡單，且組裝、維修、操作方便；
c.零部件材料普通，投入成本低,一般海上養(yǎng)殖戶能夠承受；
（4）、可靠性：采用機械裝置，工作穩(wěn)固可靠；
（5）、技術性：利用PROE進行三維仿真,真實逼真。
4 對作品未來的展望
由于時間和所學知識有限，我們的作品就做到現(xiàn)在這個程度。對于這個作品的未來，我們有以下幾個想法：
（1）、進一步對平臺進行設計，朝著更平穩(wěn)的方向發(fā)展，增強其抗擊風浪的能力；
（2）、朝著大功率的方向發(fā)展；
（3）、通過用戶對產(chǎn)品的反饋進行改進，務求物近其用；
（4）、進一步改善對風裝置
關鍵詞：（關鍵詞3到5個，關鍵詞之間用“；”隔開）
風輪機；增速器；氣泵
IV
ABSTRACT
INTRODUCTION
My project called the multipurpose floating wind machine ", the power supply is the wind, driving device for impeller, coupling, a gear box and an air pump, executive a gas tank (energy storage device) to the sea of the rich wind energy resources to effectively collect and use. The object is the relative isolation and transportation inconvenience of the offshore marine breeding household and the drilling platform, and can provide the necessary power for their daily operations.. Through the structure of the design, we can achieve the offshore automatic vertical to the wind, at the same time for the fight against wind and waves also have a good stationary.
By unique and simple structural design of the fan can adapt non stationarity of offshore platform, within a certain range of sea conditions within 5 sea) impeller can in any direction always keep vertical to the wind.
Compared with other energy: ocean current energy, tidal energy, solar energy, and so on, wind energy utilization is a relatively mature technology, the investment of wind energy projects is relatively small, the return rate is high.Overall structure of the transmission chain is short, energy utilization is high. The stability of the whole structure and the strength of the parts of the rigidity of the rigidity of the conditions are strictly mechanical check, scientific and reasonable.
KEYWORDS:
Wind turbine；Speed-increasing gear; Air pump
設計題目
設計說明書
1 風機設計原理：
風機是依靠輸入的風能，推動風葉轉動，從而帶動整臺機器運轉起來，最后把高壓氣體儲存起來或直接運用。氣體壓縮和氣體輸送機械是把旋轉的機械轉換為氣體壓力能和動能。風機主要由風葉、增速器、氣泵、儲氣罐、浮筒、支撐架等部件組成。
1.1 設計原理圖：
1.2 系統(tǒng)工作原理：
葉輪在海風的作用下，通過圓周轉動產(chǎn)生功率（設計值為1kw），經(jīng)過軸承、聯(lián)軸器及增速器，將轉速變化到氣泵的滿載轉速（選用值為1600r/min），然后氣泵將壓縮的空氣經(jīng)過空氣軟管儲存在儲氣罐里，隨時等待取用。
1.3 作品整體結構設計圖：
2 葉片設計：
設計一臺功率為1kw的三葉片風輪機，設計風速為10.8m/s(即五級風) ，空氣的密度為1.224kg/m2（氣溫為15℃，氣壓為1lata。）。
由參考文獻《風能與風力發(fā)電技術》圖（4——7）查得：
λopt=4.6 ,Cp=0.36
其中，λ——速比，是葉尖速度與風速之比;
Cp——風能利用系數(shù)，最大值是59.3%。
由風機的理論設計公式得：
功率：P=12ρπr2Vw3Cp
葉尖速比：λ=wrVw=2πrn60Vw=πrn30Vw
其中，——空氣密度，;
P——風輪的吸收功率，w;
w——風輪角速度，rad/s，;
r——風輪半徑，m。
風輪半徑： m
轉速:min
整個葉片漿的受風面積:
由以上的計算可選定風機的葉片半徑r為1.35 m ，材料為玻璃纖維其特點是質(zhì)量輕，耐腐蝕，易在海面使用。葉片圖（包括輪轂和導流罩）如下：
3 傳動參數(shù)的擬定及相關參數(shù)的確定：
3.1 傳動簡圖：
同原理圖。
3.2 傳動比的確定：
由前面的計算結果得：n =424r/min 增速箱的輸出轉速為n=1600r/min
故總傳動比為：i總=1600/424=3.8 整合得i總=4。
對于增速箱的傳動比：i增=1/i總=1/4=0.25。
3.3 各軸的轉速：
低速軸Ⅰ的轉速：nⅠ=n=424r/min
中間軸Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的轉速：nⅡ=nⅢ=nⅣ=nⅠ=424r/min
高速軸Ⅴ、Ⅵ的轉速：nⅤ=nⅥ==1690r/min
3.4 各軸的輸入功率：
根據(jù)《機械設計課程設計》表（3——1），取聯(lián)軸器的效率η聯(lián)=0.99，球軸承的效率η軸承=0.99，錐齒輪的效率η錐=0.96，增速器的效率η增=0.92。則：
低速軸Ⅰ：
PⅠ=P=1000W
中間軸Ⅱ：
PⅡ=PⅠη軸承η錐=1000×0.99×0.96=950.40W
中間軸Ⅲ:
PⅢ=PⅡη軸承η聯(lián)=980.1×0.99×0.99=931.49W
中間軸Ⅳ:
PⅣ= PⅢη錐=931.49×0.96=894.23W
高速軸Ⅴ：
PⅤ= PⅣη增=894.23×0.92=822.69W
高速軸Ⅵ：
PⅥ= PⅤη聯(lián)=822.69×0.99=814.46W
3.5 各軸的輸入轉矩：
低速軸Ⅰ：
TⅠ=9.55×106PⅠ/nⅠ=9.55×106×1/424=2.252×104N·mm
中間軸Ⅱ：
TⅡ=9.55×106PⅡ/nⅡ=9.55×106×0.950/424=2.140×104N·mm
中間軸Ⅲ:
TⅢ=9.55×106PⅢ/nⅢ=9.55×106×0.931/424=2.097×104N·mm
中間軸Ⅳ:
TⅣ=9.55×106PⅣ/nⅣ=9.55×106×0.894/424=2.014×104N·mm
高速軸Ⅴ：
TⅤ=9.55×106PⅤ/nⅤ=9.55×106×0.867/1696=4.837×103N·mm
高速軸Ⅴ：
TⅥ=9.55×106PⅥ/nⅥ=9.55×106×0.859/1696=4.786×103N·mm
3.6 傳動參數(shù)數(shù)據(jù)表：
軸Ⅰ
軸Ⅱ
軸Ⅲ
軸Ⅳ
軸Ⅴ
軸Ⅴ
功率P/KW
1
0.950
0.931
0.894
0.867
0.859
轉矩T/(N·mm)
2.252
×104
2.140
×104
2.097
×104
2.014
×104
4.837
×103
4.786
×103
轉速n/(r/min)
424
424
424
424
1696
1696
傳動比
1
1
1
0.25
1
效率
0.950
0.980
0.960
0.960
0.990
4 設計兩對傳動齒輪：
4.1 選精度等級、材料及齒數(shù)，齒型
4.1.1 確定齒輪類型．
因為風機傳動的力矩不大，速度較低，所以兩對齒輪均為直齒錐齒輪
4.1.2 材料選擇．
因為含Si量在15%~20%的鋼抗腐蝕性能最強，所以根據(jù)《機械設計》表10-1（注：在齒輪的設計中的數(shù)據(jù)均來自《機械設計》，以下在齒輪的設計中省略。），齒輪材料為,35SiMn（調(diào)質(zhì)），硬度為250HBS。
4.1.3 精度選擇：
風機為一般工作機器，速度不高，故選用7級精度
4.1.4 參數(shù)選擇：
初選齒輪齒數(shù)Z1＝24，壓力角
4.2 按齒面接觸強度設計
4.2.1 設計公式
按式（10－29）試算，即
4.2.1.1 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
1) 試選KHt=1.3。
2) 由圖10-20查得區(qū)域系數(shù)ZH=2.5。
3) 選取齒寬系數(shù)。
4) 由表10-5查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MP1/2。
5) 由圖10－25d按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強度極限。
6) 由式10－13計算應力循環(huán)次數(shù)
7) 由圖10－22查得接觸疲勞強度壽命系數(shù)：
8) 計算接觸疲勞強度許用應力
取失效概率為１％，安全系數(shù)為S=1，由式10－14得
4.2.1.2 試算
齒輪分度圓直徑、，由計算公式得
4.2.2 調(diào)整齒輪的分度圓直徑
4.2.2.1 計算實際載荷系數(shù)前的準備。
1) 圓周速度v。
=72.04×（1-0.5×0.3）=61.23mm
=70.35×（1-0.5×0.3）=59.80mm
2) 當量齒輪的齒寬系數(shù)。
mm=15.28mm
mm=14.92mm
4.2.2.2 計算實際載荷系數(shù)。
由表10——2查得KA=1。由速度v1=1.36m/s,v2=1.33,7級精度，由圖10——8查得Kv1=1.07,Kv2=1.06。直齒錐齒輪精度較低，取齒間載荷分配系數(shù)。由表10——4用插值法得，。
所以，實際載荷系數(shù)
4.2.2.3 計算分度圓直徑及相應的齒輪模數(shù)：
4.3 按齒根彎曲強度設計
4.3.1 試算模數(shù)
模數(shù)公式
即，
4.3.1.1 確定計算參數(shù)
1) 試選
2) 計算分錐角
3) 計算當量齒數(shù)
4) 查取齒形系數(shù)
由表10－17查得
5) 查取應力校正系數(shù)
由表10－18查得
6) 由圖10－24c查得，齒輪的彎曲疲勞強度極限
，
7) 由圖10－22查得彎曲疲勞強度壽命系數(shù)
8) 計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S＝1.7，由式（10－12）得
9) 計算齒輪的
4.3.1.2 計算模數(shù)
==1.489mm
=
4.3.2 調(diào)整模數(shù)
4.3.2.1 計算實際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準備。
1) 圓周速度v
2) 齒寬b
4.3.2.2 計算實際載荷系數(shù)KF
對比計算結果，由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，就近選擇標準模數(shù)，可滿足彎曲強度。但為了同時滿足接觸疲勞強度，須按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑來計算應有的齒數(shù)。于是有
，取
，取
4.4 幾何尺寸計算
4.4.1 計算兩對齒輪分度圓直徑
4.4.2 計算分錐角
4.5 計算齒輪寬度
,
圓整后取 ,
4.6 結構設計及繪制兩對齒輪的零件圖（從略）
4.7 主要涉及結論
齒數(shù)，，模數(shù)，壓力角，變位系數(shù)，，分錐角，，齒寬，。兩對齒輪均采用(調(diào)質(zhì))。兩對齒輪均按照7級精度設計。
5 軸的設計
5.1 Ⅰ軸的設計
5.1.1 初算軸徑
選材45號鋼（調(diào)質(zhì)）,查《機械設計》表15——1（注：在軸的設計中的數(shù)據(jù)均來自《機械設計》，以下在軸的設計中省略。），許用彎曲應力=60MPa，查表15——3取Ao=110，許用扭轉應力=40MPa。
5.1.2 按扭矩估算最小軸徑
由于軸多了一個鍵槽，軸徑將增大7%即：初選為:dmin=20mm
5.1.3 結構設計
已知FA=[8kg(葉片)+1.5kg（輪轂）]×9.8=93.10N
由平衡條件：∑MB=0 FA×lAB=FC×lBC
∑F=0 FB-FA-FC=0
得FC=FA×lAB/lBC=93.10×144/84=159.60N
得FB=FA+FC=93.10+159.60=252.70N
故最大彎矩：M=FA×lAB=93.10×144N·mm=13406.40N·mm
最大扭矩：
葉片受到的軸向力為Fa,，則作用葉輪的空氣質(zhì)量:
由動能定理：, 已知v1=10.8m/s
得：
由沖量定理：,
得：
5.1.4 軸的疲勞強度校核
軸的扭轉強度條件：
代入數(shù)據(jù)：
軸的彎扭合成強度條件：
其中M=13406.40N·mm, T= 。
當扭轉切應力為靜應力時，取折合系數(shù)為α=0.3。
軸的抗彎截面系數(shù)W=0.1d3 。
則，
故符合條件。
5.2 Ⅱ、Ⅲ軸的設計
同Ⅰ軸的設計過程基本相同，主要是在軸的另一端增加一個相同的鍵槽，故軸的強度也是夠用的，不再重復設計。
6 聯(lián)軸器的選擇
為了能緩沖減振且質(zhì)量輕，選用梅花形彈性聯(lián)軸器。
聯(lián)軸器的計算轉矩,查表14-1，考慮轉矩變化小，故取KA=1.5，則
按照計算轉矩，查標準GB/T5014-2003或手冊，選用的聯(lián)軸器型號分別為
Ⅱ軸聯(lián)軸器型號：LM2-bGB/T 5272-2002，允許公稱轉矩為100N·m
對于高速軸Ⅴ軸，其軸徑為15mm，所以其聯(lián)軸器型號：LM1-bGB/T 5272-2002，許公稱轉矩45N·m
相應的參數(shù)為：
LM1：d1=20mm d2=22mm dZ=24mm L=35mm L0=86mm D=50mm m=0.66kg
LM2：d1=20mm d2=22mm dZ=24mm L=38mm L0=95mm D=60mm m=0.93kg
7 滾動軸承的選擇與計算
外球面軸承優(yōu)先適用于要求設備及零部件簡單的場合。例如用于農(nóng)業(yè)機械、運輸系統(tǒng)或建筑機械上。它具有很好的調(diào)心性能，允許調(diào)心角度最大為±10°。對主機相關件的加工精度要求較低。軸承內(nèi)孔與軸之間可為間隙配合，且安裝、拆卸方便，特別適合有多支軸承、長軸、剛度小易變形的軸。帶頂絲軸承適用于旋轉方向不變的場合。軸承具有可靠的密封裝置，可以有效防止污物侵入軸承，防止軸承內(nèi)潤滑脂外溢。軸承內(nèi)的潤滑脂可保證軸承在一定期間內(nèi)正常工作，必要時還可通過油孔定期添加潤滑油脂，使軸承保持良好潤滑，達到長期使用的效果。
7.1 選型
類型代號：UCP207。軸承材質(zhì)為GCr15 (GB/T18254-2002)，軸承座為鑄鐵。其特點是大部分外球面軸承都是將外徑做成球面，與帶有球狀內(nèi)孔的軸承座安裝在一起，結構形式多樣，通用性和互換性鉸好。同時，此類軸承在設計上還具有一定調(diào)心性，易于安裝，具有雙重結構的密封裝置，可以在惡劣的環(huán)境下工作。軸承座一般是采用鑄造成型。
7.2 基本參數(shù)
基本額定動載荷為19.8KN 靜載荷為15.2KN。如下圖所示，
7.3 軸承的計算
7.3.1 求比值
此為帶頂絲外球面軸承，已知軸承徑向載荷Fr1=1890N，F(xiàn)r2=4030N。軸向載荷
Fa=100.91N。軸承轉速n=424r/min，運轉時有輕微沖擊。
查《機械設計》表13——5得判斷系數(shù)e=0.22 。
故，
查上表得 X=0.56，Y=2.0～1.8
7.3.2 計算軸承壽命
7.3.2.1 求相對軸向載荷e的值
相對軸向載荷,在《機械設計》表13——5中介于0.025～0.040之間，對應e值為0.22～0.24。
7.3.2.2 用線型插值法求Y。
故 X=0.56，Y=1.961
7.3.2.3 計算當量動載荷P。
查《機械設計》表13——6，得fp=1.0—1.2，取 fp=1.2。
當量動載荷 ：P=fp（XFr+YFa）
代入數(shù)據(jù)得：P1=1.2(0.561890+1.961100.91)=1507.42N
P2=1.2(0.564030+1.961100.91)=2945.50N
7.3.2.4 驗算軸承UCP207的壽命
軸承的壽命公式：
由《機械設計》式（13-4）查得球軸承ζ=3。
則，
1)
若每天工作時間為20h 則工作壽命為12.37年
2)
若每天工作時間為20h 則工作壽命為8.60年
7.3.2.5 安裝
1．往軸上安裝軸承前，先拔下外套的固定銷，同時將軸頸表面打磨整潔，并在軸頸處涂油防銹兼潤滑(允許軸承在軸上有稍微轉動)。
2．在軸承座與軸承配合面涂潤滑油，把軸承裝入軸承座內(nèi)。然后將裝配好的軸承與軸承座一起套在軸上，推至所需位置處進行安裝。
3．固定軸承座的螺栓先不要擰緊，讓軸承外套在軸承座內(nèi)能自由轉動。裝好同一根軸上的另一端帶座軸承，將軸轉動幾圈，讓軸承自動找正位置，再將軸承座螺栓緊固好。
4．裝偏心套。先將偏心套套在軸承內(nèi)套的偏心臺階上，并用手順軸的旋轉方向擰緊，然后再將小鐵棍插入或頂住偏心套上的沉孔，用手錘順軸的旋轉方向敲擊小鐵棍，使偏心套安裝牢固，最后鎖緊偏心套上的內(nèi)六角螺釘。
7.4 Ⅱ、Ⅲ軸上的軸承設計
Ⅱ、Ⅲ軸與I相同，故可試選相同的軸承，由于Ⅱ、Ⅲ軸上的軸承主要受徑向力，軸向力可忽略，因此可直接取與I軸相同的軸承即可滿足要求。
8 Ⅰ軸安全剎車設計
根據(jù)選取的車車為安全彈簧剎車DTBE- 7，其壓力達到3.5個大氣壓時剎車開始制動。詳細參數(shù)如下：
9 鍵的選擇與校核
9.1 鍵的設計
9.1.1 選型
根據(jù)鍵連接處軸頸的大小，查《機械設計課程設計》表14-26得鍵的型號為：
①鍵C6×6×16 [單圓頭普通平鍵（C型），b=8、h=7、L=16]
②鍵C6×6×20 [單圓頭普通平鍵（C型），b=8、h=7、L=20]
③鍵C8×7×16 [單圓頭普通平鍵（C型），b=8、h=7、L=16]
④鍵C5×5×20 [單圓頭普通平鍵（C型），b=5、h=5、L=20]
9.1.2 鍵連接強度計算
假定載荷在鍵的工作面上是均勻分布的，則普通平鍵連接的強度條件為：
查《機械設計》表6-2得[σp]=100--120MPa 取[σp]=110MPa
對①鍵
對②鍵
對③鍵
對④鍵
故所選的鍵合格。
9.2 設計結論
軸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上軸與齒輪的連接采用①鍵，標記為：;軸Ⅵ上軸與齒輪的連接采用③鍵，標記為：;軸Ⅱ、Ⅲ上軸與聯(lián)軸器的連接采用②鍵，標記為：；軸Ⅴ、Ⅵ上軸與聯(lián)軸器齒輪的連接采用④鍵，標記為：。
10 對風裝置（及尾舵）和尾桿
尾舵材料為玻璃鋼 質(zhì)量3.5kg
尾桿為無縫鋼管,長度為1.52m,質(zhì)量為1.7kg。
11 技術參數(shù)匯總
名稱
材料
尺寸（長×寬×高）（mm）
數(shù)量
（件）
單件質(zhì)量
（kg）
總質(zhì)量
（kg）
軸Ⅰ
45號鋼（調(diào)質(zhì)）
322×42×42
1
1.4
1.4
軸Ⅱ
45號鋼（調(diào)質(zhì)）
285×42×42
1
1.2
1.2
軸Ⅲ
45號鋼（調(diào)質(zhì)）
247×42×42
1
1.1
1.1
葉片
優(yōu)質(zhì)玻璃鋼
1350
3
8
8
輪轂
鑄鐵（表面氧化）
1
1.5
1.5
彈簧剎車
鑄鐵
90×150×170
1
3.0
3.0
齒輪Ⅰ
35SiMn(調(diào)質(zhì))
19×90×90
1
3.5
3.5
齒輪Ⅱ
35SiMn(調(diào)質(zhì))
19×88×88
1
3.3
3.3
聯(lián)軸器（低速軸）
HT200
95×60×60
1
0.93
0.93
聯(lián)軸器（高速軸）
HT200
86×50×50
1
0.66
0.66
增速箱
221×140×140
1
5.0
5.0
氣泵
1
4.0
4.0
滾動軸承及軸承座Ⅰ
軸承鋼、鑄鐵
167×43×80
2
1.1
2.2
滾動軸承及軸承座Ⅱ
軸承鋼、鑄鐵
172×172×43
4
1.6
1.6
鍵1
45鋼
8×7×16
1
0.0082
0.082
鍵2
45鋼
5×5×20
1
0.0042
0.0039
鍵3
45鋼
6×6×20
2
0.0071
0.0142
鍵4
45鋼
6×6×16
2
0.0059
0.0108
對風裝置（尾舵）
玻璃鋼
750×500×500
1
3.5
3.5
尾桿
無縫鋼管
?25×2
1
1.7
1.7
齒輪箱
鑄鐵
142×142×160
2
2.6
5.2
總質(zhì)量： . m=1.4+1.2+1.1+8+1.5+3.0+3.5+3.3+0.93+0.66+5.0+4.0+2.2+1.6+3.5+1.7+5.2
=59.36kg
注：45鋼密度ρ=7.85g/cm3
灰鑄鐵密度ρ=7.0g/cm3
12 軸Ⅰ的重心計算：
質(zhì)量mz=ρπ/4×（202×50+302×95+352×48×2+422×36+302×26+202×19）×10-3
=7.8×π/4×（20000+85500+58800×2+63504+23400+7600）×10-3
=1945.68g≈ 1.95kg
體積V=249.06cm3
重心V/2=124.53cm3
由于124.53-20-85.5=19.03cm3
可求得重心離軸端2的距離為 L=19.03/58.8×48mm=15.53mm≈16mm
13 整個風能轉化機構的重心計算
其中FA為葉輪的質(zhì)量，F(xiàn)B為彈簧剎車的質(zhì)量，F(xiàn)C為軸承的質(zhì)量，F(xiàn)D為軸的質(zhì)量，F(xiàn)E為軸承的質(zhì)量，F(xiàn)F為齒輪質(zhì)量，F(xiàn)G為垂直機構的質(zhì)量，F(xiàn)H為齒輪的質(zhì)量，F(xiàn)I為增速箱的質(zhì)量，F(xiàn)J為聯(lián)軸器的質(zhì)量，F(xiàn)K為氣泵的質(zhì)量，F(xiàn)L為尾翼的質(zhì)量。
故
所以整個風能轉化機構重心距離F左端為 1.18mm處。
14 底板的設計
材料為45號鋼，密度，質(zhì)量m1=2.6kg，m3=3.3kg (由proe軟件計算得),厚度h=4mm。結構如下圖：
底板Ⅰ：
底板Ⅱ：
15 豎直支架的設計
豎直支架在風電設計方面目前主要有桿支架和桁架，但考慮到桿狀的支架在本設計中較粗，相應質(zhì)量加大，再考慮機器的安裝、維修等方便，所以采用桁架，用角鋼作為搭接桁架的材料。角鋼的總質(zhì)量為m=171kg,(由proe軟件計算得),簡圖如下圖所示
據(jù)平衡條件有：
角鋼穩(wěn)定性分析
選用3號角鋼（角鋼長度分為6類，分別為3.00m4根、4.23m2根、0.25m40根、0.35m72根、0.24m16根）。密度
安全系數(shù)
故,此支架安全。
16 浮筒選擇
材料為高分子量高密度聚乙烯，尺寸為，質(zhì)量約為15kg,數(shù)量為4臺，總質(zhì)量約為60kg,每平方米的浮力可達350kg以上；
17 技術參數(shù)匯總
名稱
材料
尺寸（長×寬×高）（mm）
數(shù)量(件)
單件質(zhì)量(kg)
總質(zhì)量(kg)
支撐板Ⅰ
45號鋼（調(diào)質(zhì)）
482×170×40
1
2.6
2.6
支撐板Ⅱ
45號鋼（調(diào)質(zhì)）
620×170×40
1
3.3
3.3
3號角鋼
六類長度：3.00m4根、4.23m2根、0.25m40根、0.35m72根、0.24m16根
136
171
支撐板Ⅲ
45號鋼
800×400×4
1
10
10
浮筒
聚乙烯
500×500×400
4
15.0
60.0
氣罐
30L
1
25.0
25.0
.總質(zhì)量m2=2.6+3.3+171+10+60.0+25.0=261.9kg
18 整體結構的穩(wěn)定性分析
整個結構的總質(zhì)量
四個浮筒所能提供的最大浮力為400kg
在5級海況時，平臺參數(shù)如下：
平均波長為；
周期為
波速為
波高為
理論最大傾角為：
根據(jù)近幾年南海氣象數(shù)據(jù)顯示，南海的海浪平均波高為1.2m。
由相關文獻查得漂浮平臺的最大傾斜角為9度。
實際平均傾角為：
所以，該平臺理論上是平穩(wěn)的。
19 設計總結
風機零件報價及參數(shù)：
零件名稱
數(shù)量
單價
總價
葉片、輪轂、導流罩
1
1000
1000
高速旋轉接頭
1
38.50
38.50
氣泵
1
200
200
聯(lián)軸器
2
180
360
彈簧剎車
1
500
500
氣管
1
13
13
增速箱
1
500
500
帶座球面軸承
2
23
46
尾舵
1
100
100
氣罐
1
250
250
浮筒
4
240
960
30*30號角鋼 171m
1
5
855
軸
3
250
750
底板（螺栓）
1
500
500
共計 6069.5（元）
注：
以上價格來源于 阿里巴巴、淘寶網(wǎng)。以上數(shù)據(jù)僅供參考，具體以最新市場報價為標準。
－ 39 －
鳴 謝
鳴 謝
通過設計，使我有了很大的感觸和收獲。剛開始在彭明忠工程師的介紹下使我第一次了解到“海上多能整合系統(tǒng)”，并對漂浮平臺有了一個初步的認識，也感受到了它潛在的價值，才決定把它申請為設計，也是想通過它作為我大學四年知識和能力的一個鑒定。還記得剛開始接到這個設計時，根本摸不著頭腦，可以說一無所知，無從下手，在兩位指導老師的悉心幫助下，再加上寬博的網(wǎng)絡平臺，使我對這個項目有了越來越清晰的認識，到現(xiàn)在對風機的每個尺寸的都能熟悉掌握，可以說這個過程我進步了很多。在此我們非常感謝陸兵老師和彭明忠工程師的大力支持和幫助，我的設計工作才得以順利進行和開展。
在設計的開始階段心里激動有一種說不出的感覺，既是高興，又是不安，高興的是自己在大學前老師給我們這次機會去運用自己學過的專業(yè)知識去設計完成一個真正能投入生產(chǎn)及對社會有用的產(chǎn)品，不安的是這不僅是一個項目，更是我的設計，怕做不好影響。當自己決定做時，通過老師的指導和自己的努力，漸漸的我才熟悉了風機原理。在設計方案的確定，自己也想了好多方案，從環(huán)境、成本等方面考慮了很多，最后通過數(shù)次與指導老師的討論和溝通，最終才將方案給確定下來。
接下來的這段時間里，我將整體設計劃分到具體的每個零件，運用所學的專業(yè)知識我們主要從這幾個方面入手：適用性、可靠性、安全性、合理性，然后再從：材料、尺寸、重量、結構、性能等等，在通過自學的二維軟件autoCAD、三維軟件PPROE，將所需的零件表達出來。最終將它組裝好做成仿真動畫。在設計每個零件的時候我們都有考慮到市場的制造和價格情況，盡量用最低的價格保證最實用的設計。在組裝的時候我們運用所學的零件與零件的配合和相互之間的公差去嚴格要求。在尺寸的保證方面我們運用autoCAD去確保每個機械零件尺寸的準確度，在仿真方面我們采用當前比較逼真的三維軟件PROE去仿真，制作動畫。我們的每個零件大到風葉小到墊片，在阿里巴巴上都有明確的報價，制造成本真實可靠。
在這為期兩個多月的設計中，我的工作時間做了詳細的安排：早上八點半到十一點半、下午二點半到五點半、晚上七點半到九點半。為了我的目標在不斷的奮斗和合作。終于將完整的風機設計成功完成。這是我初次接觸比較系統(tǒng)完善的設計，難免在某些方面做得不太完善和設計的合理性有待改進。希望評審老師和指導老師提出寶貴的意見，我們將會盡最大的努力給以完善。并希望能早日的投放市場，為我國的新能源開發(fā)做出我們大學生該做的貢獻。
參考文獻
參考文獻
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[12].成大先，《機型設計手冊》（第五版），化學工業(yè)出版社
[13].百度文庫：
http://baike.baidu.com/link?url=WQxOjMSK5rITYdkWKTrbHzSrN4YhEIQpdpdIQusBA1LXrXVi11r0O-CJ0CUzgFhH8Ohe7zoVvuauLUJutzfA2a
附 錄
附 錄
（宋體小四號，1.25倍行距）（要求：附錄的有無根據(jù)說明書（設計）情況而定，內(nèi)容一般包括正文內(nèi)不便列出的冗長公式推導、符號說明（含縮寫）、計算機程序等。附錄中有程序源代碼的因篇幅限制可酌情考慮內(nèi)容的字號。）