畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書機電工程 學院 機械設(shè)計制造及其自動化 系（教研室）系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日學生姓名: 專業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化 1 設(shè)計（論文）題目及專題： 5MW 風電齒輪增速箱設(shè)計 (一級行星輪系) 2 設(shè)計（論文）時間：自 2014 年 12 月 12 日開始至 2015 年 05 月 26 日止3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料：① 5MW 傳動系統(tǒng)葉片額定轉(zhuǎn)速 12.1rpm，額定發(fā)電機轉(zhuǎn)速 1173.7rpm，齒輪箱傳動比為 97:1，采用一級行星輪系和二級斜齒輪形式；② 國外 REpower 5MW、 Multibrid M5000 等 風 電 機 組 齒 輪 傳 動 系 統(tǒng) 的 相 關(guān) 資 料 ；相關(guān)教材，如《海上風力發(fā)電機組設(shè)計》、《風力機設(shè)計、制造與運行)》等；圖 書 館 電 子 資 源 數(shù) 據(jù) 庫 搜 集 到 的 期 刊 論 文 ， 博 士 、 碩 士 學 位 論 文 等 。4 設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：1) 完成 5MW 風電齒輪箱傳動比分配等設(shè)計與計算；2) 完成傳動軸、齒輪、軸承等關(guān)鍵傳動零部件的選擇、設(shè)計、計算與校核；3) 查閱相關(guān)文獻資料，撰寫開題報告；4) 完成相關(guān)論文的翻譯(英譯中，不少于 3000 字 )。5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求：1) 完成 5MW 風電齒輪增速箱設(shè)計，提供增速箱裝配圖、零件圖等共折合 A0 圖紙不少于 2.5 張；2) 設(shè)計計算說明書一份，畢業(yè)設(shè)計說明書的書寫格式和版面要求參照《湖南科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）要求與撰寫規(guī)范》，說明書不少于 40 頁。6 發(fā)題時間： 年 3 月 12 日指導(dǎo)教師： （簽名）學 生： （簽名）1湖南科技大學2014屆畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題 目 5MW風電齒輪增速箱設(shè)計 (一級行星輪系 )作者姓名 李經(jīng)緯 學號 1103010505 所學專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化1、研究的意義：近年來，隨著人們對風力發(fā)電越來越重視，風電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。目前，水平軸風力發(fā)電機在風力發(fā)電中仍占據(jù)重要位置，而由于風電齒輪箱的故障率較高，風電齒輪箱設(shè)計制造的關(guān)鍵技術(shù)一直是困擾我國乃至世界風電快速發(fā)展的重要因素，特別是隨著風力機單機容量的不斷增大，大型風電齒輪箱設(shè)計制造需要考慮的因素越來越多。風電機組在運行過程中，齒輪箱往往過早損壞，其原因主要是風電齒輪箱軸承在復(fù)雜載荷作用下的壽命難以估算，導(dǎo)致軸承過早損壞，另一方面，盡管目前對軸承壽命的計算方法繁多，但并沒有能準確評估現(xiàn)代軸承壽命的計算方法。此外，對風電齒輪箱的強度計算方法和復(fù)雜載荷的處理也不盡完善。因此，對大型風電齒輪箱裝置展開系統(tǒng)、深入的分析研究對風電的發(fā)展具有重要意義。風電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風電裝備制造業(yè)的繁榮，風電齒輪箱作為風電機組的核心部件，倍受國內(nèi)外風電相關(guān)行業(yè)和研究機構(gòu)的關(guān)注。但由于國內(nèi)風電齒輪箱的研究起步較晚，技術(shù)薄弱，特別是兆瓦級風電齒輪箱，主要依靠引進國外技術(shù)。因此，急需對兆瓦級風電齒輪箱進行自主開發(fā)研究，真正掌握風電齒輪箱設(shè)計制造技術(shù)，以實現(xiàn)風機國產(chǎn)化目標。2、國內(nèi)外現(xiàn)狀：目前我國兆瓦以上風電此輪增速箱多依賴國外廠商供應(yīng)，成本居高不下，不利于風電市場進一步大規(guī)模開發(fā)，風電技術(shù)的國產(chǎn)化是我國發(fā)展風電領(lǐng)域正在面臨的重要問題。而風電增速箱又是風電機組的核心部件，是瓶頸技術(shù)。風電增速箱的結(jié)構(gòu)往往受機組選型的限制。國內(nèi)研制出的風電齒輪箱多是對國外產(chǎn)品的單一仿制。由于國內(nèi)外的風況、氣候不同，風電場使用保養(yǎng)水平、原材料以及制造安裝水平都不一樣，大部分進口或國產(chǎn)齒輪箱都運行不足三年而停機或者大修。原因有很多其中設(shè)計落后是最重要一方面。國內(nèi)風電齒輪箱的發(fā)展前景廣闊，但是起步晚、技術(shù)落后。機遇與挑戰(zhàn)并存。在設(shè)計的過程中綜合考慮體積、質(zhì)量、可靠性、經(jīng)濟性、安全、實際結(jié)構(gòu)、熱處理、工作壞境等因素，指導(dǎo)生產(chǎn)實踐沒事我國風電產(chǎn)業(yè)當前發(fā)展的要務(wù)。3、存在的問題：雖然我國風力發(fā)電事業(yè)發(fā)展很迅猛，我國也已經(jīng)進入風電大國的行列。但是其生產(chǎn)設(shè)備卻長期依賴進口，在自主開發(fā)風力發(fā)電機等方面還比較落后。特別是像兆瓦級風電機的齒輪傳動系統(tǒng)等技術(shù)領(lǐng)域還有待進一步發(fā)展。同時風能一般分布在沿海的島嶼、交通不便的邊遠山區(qū)、地廣人稀的草原牧場以及遠離電網(wǎng)的邊疆。相比其他能源來講有著密度低、不穩(wěn)定、地區(qū)差異大的劣勢。這對我國風電事業(yè)的發(fā)展也是一個巨大的考驗。2縱觀世界風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，風力發(fā)電技術(shù)將呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢：開發(fā)更先進的風況分析系統(tǒng)研制大容量、高可靠性、低成本風力發(fā)電機組以及輕量型、高可靠性的海上風力發(fā)電機組；風力發(fā)電方式將以陸上風力發(fā)電為主，并積極拓展海上風力發(fā)電。1、 研究目標、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題（根據(jù)任務(wù)要求進一步具體化）研究目標： （1） 對齒輪箱選用合理的結(jié)構(gòu)、增速比和材料。設(shè)計質(zhì)量好、重量輕、空間體積小、運行穩(wěn)定的大容量風電機組齒輪傳動系統(tǒng)。（2） 引用風力機的風輪葉片設(shè)計及塔架設(shè)計，從而完成整個風力發(fā)電機的設(shè)計。主要內(nèi)容：本設(shè)計需要先了解風電發(fā)電機及其傳動系統(tǒng)齒輪箱的工作原理和結(jié)構(gòu)特點，確定計算載荷，設(shè)計主要零部件（包括齒輪、軸承和主軸的設(shè)計），對各部件進行強度校核，潤滑與冷卻，完成風電傳動部件齒輪箱的裝配圖及零件圖。最后，引用風力機的風輪葉片設(shè)計及塔架設(shè)計，從而完成整個風力發(fā)電機的設(shè)計。進程：第一階段：開題階段 3月9日至3月20日，收集、查閱和整理設(shè)計資料，完成3000字的文獻翻譯，完成畢業(yè)實習報告和開題報告。第二階段：設(shè)計階段 3月231日-4月10日， 齒輪傳動系統(tǒng)方案選擇、傳動比分配，傳動結(jié)構(gòu)造型等整體方案設(shè)計與計算。第三階段：計算階段 4月13日至4月24日 齒輪、軸、軸承等關(guān)鍵傳動結(jié)構(gòu)件的設(shè)計計算，繪制零件圖。第四階段：繪圖階段 4月27日至5月 8日 傳動系統(tǒng)裝配圖繪制。第五階段：畢業(yè)答辯 5月11日至 5月22日 設(shè)計計算說明書的編制、整理、修改、定稿，準備答辯解決的關(guān)鍵問題風力發(fā)電機床系統(tǒng)主要是將能量由葉輪傳遞至發(fā)電機。傳動系統(tǒng)主要包括主軸、主軸承、齒輪箱、高速軸、聯(lián)軸器等部件。而本課題的主要部分是對風電機傳動系統(tǒng)的設(shè)計，所以有可能遇到的主要問題：（1）準確對傳動方案的分析；（2）確定齒輪箱的傳動比的分配；（3）對軸承的尺寸進行確定；（4）選擇合理的軸承類型； 3（5）對箱體和總體結(jié)構(gòu)的確定；（6）對箱體主要部件載荷的計算和校核； （7）確定冷卻溫度和潤滑系統(tǒng)； （8）對整個部件的裝配圖和零件圖的繪制；這些問題都是設(shè)計該風機傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，在設(shè)計過程中，本人將通過查閱有關(guān)文獻資料和向老師咨詢的方法來解決。2、擬采取的研究方法、步驟、技術(shù)路線(1)查閱資料，熟悉國內(nèi)外風電機及其傳動系統(tǒng)齒輪箱的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。(2)理解風電傳動系統(tǒng)齒輪箱工作原理及結(jié)構(gòu)分析，確定齒輪箱總裝設(shè)計思路。(3)建立準確的分析模型，準確求解受載輪齒的載荷分布。 (4)完成主要零部件設(shè)計并進行強度校核。(5)繪制零件加工圖，選定加工工藝。 (6)編寫設(shè)計說明書。3、擬使用的主要設(shè)計、分析軟件及儀器設(shè)備主要設(shè)計、分析軟件：CAD軟件（繪制二維裝配圖和零件圖）儀器設(shè)備：本課題主要是對大容量風電機組齒輪傳動系統(tǒng)設(shè)計，所采用的設(shè)備儀器是普通計算機。4、 參考文獻B：[1] 潘存云， 機械原理[M]、 長沙、 中南大學出版社、 2011 [2]、何顯富、風力機設(shè)計、制造與運行 北學工業(yè)出版社 2009[3]、芮曉明、 風力發(fā)電機組設(shè)計． 北京、 機械工業(yè)出版社 、2010 [4]、姚興佳、 風力發(fā)電機組原理與應(yīng)用．北京、 機械工業(yè)出版社、 2009[5]、趙振宙、 風力發(fā)電機原理與應(yīng)用、北京、 中國水利水電出版社、2011[6]、Tony Burton 、風能技術(shù)、 北京、 科學出版社、 2007[7]、牛山 泉、風能技術(shù)、 北京、 科學出版社、 20094[8]、諾邁士、 風電傳動系統(tǒng)的設(shè)計與分析、 上海、上?？茖W技術(shù)出版社、2013[9]、李俊峰、 風力 北京、 化學工業(yè)出版社、2005[10]、李 斌、 未來世界風電發(fā)展大趨勢[J]、北京、哈爾濱大電機研究所、2008[11]、劉忠明、風力發(fā)電機齒輪箱設(shè)計制造技術(shù)的發(fā)展與展望[J]、機械傳動、2006[12]、成大先、機械設(shè)計手冊第三卷、 北京、 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注：1、開題報告是本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）的一個重要組成部分。學生應(yīng)根據(jù)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書的要求和文獻調(diào)研結(jié)果，在開始撰寫論文之前寫出開題報告。2、參考文獻按下列格式（A為期刊，B為專著）A：[序號]、作者（外文姓前名后，名縮寫，不加縮寫點，3人以上作者只寫前3人，后用“等”代替。）、題名、期刊名（外文可縮寫，不加縮寫點）年份、卷號（期號）：起止頁碼。B：[序號]、作者、書名、版次、（初版不寫）、出版地、出版單位、出版時間、頁碼。3、表中各項可加附頁。 畢 業(yè) 設(shè) 計（ 論 文 ）題目 5MW 風電增速箱設(shè)計作者學院專業(yè)學號指導(dǎo)教師年 五 月 三十 日畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書機電工程 學院 機械設(shè)計制造及其自動化 系（教研室）系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日學生姓名: 專業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化 1 設(shè)計（論文）題目及專題： 5MW 風電齒輪增速箱設(shè)計 (一級行星輪系) 2 設(shè)計（論文）時間：自 2014 年 12 月 12 日開始至 2015 年 05 月 26 日止3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料：① 5MW 傳動系統(tǒng)葉片額定轉(zhuǎn)速 12.1rpm，額定發(fā)電機轉(zhuǎn)速 1173.7rpm，齒輪箱傳動比為 97:1，采用一級行星輪系和二級斜齒輪形式；② 國外 REpower 5MW、Multibrid M5000 等 風 電 機 組 齒 輪 傳 動 系 統(tǒng) 的 相 關(guān) 資 料 ； 相關(guān)教材，如《海上風力發(fā)電機組設(shè)計》、《風力機設(shè)計、制造與運行)》等；圖 書 館 電 子資 源 數(shù) 據(jù) 庫 搜 集 到 的 期 刊 論 文 ， 博 士 、 碩 士 學 位 論 文 等 。4 設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：1) 完成 5MW 風電齒輪箱傳動比分配等設(shè)計與計算；2) 完成傳動軸、齒輪、軸承等關(guān)鍵傳動零部件的選擇、設(shè)計、計算與校核；3) 查閱相關(guān)文獻資料，撰寫開題報告；4) 完成相關(guān)論文的翻譯(英譯中，不少于 3000 字 )。5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求：1) 完成 5MW 風電齒輪增速箱設(shè)計，提供增速箱裝配圖、零件圖等共折合 A0 圖紙不少于 2.5 張；2) 設(shè)計計算說明書一份，畢業(yè)設(shè)計說明書的書寫格式和版面要求參照《湖南科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）要求與撰寫規(guī)范》，說明書不少于 40 頁。6 發(fā)題時間： 年 3 月 12 日指導(dǎo)教師： （簽名）學 生： （簽名）畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)人評語[主要對學生畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻應(yīng)用，創(chuàng)新性，實用性，科學性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進行綜合評價]指導(dǎo)人： （簽名）年 月 日指導(dǎo)人評定成績： 畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語[主要對學生畢業(yè)設(shè)計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內(nèi)容與方法，實用性與科學性，結(jié)論和存在的不足等進行綜合評價]評閱人： （簽名）年 月 日評閱人評定成績： 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄日期： 學生： 學號： 班級： 題目： 提交畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會下列材料：1 設(shè)計（論文）說明書 共 頁2 設(shè)計（論文）圖 紙 共 頁3 指導(dǎo)人、評閱人評語 共 頁畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會評語：[主要對學生畢業(yè)設(shè)計（論文）的研究思路，設(shè)計（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設(shè)計（論文）的介紹，回答問題情況等進行綜合評價]答辯委員會主任： （簽名）委員： （簽名）（簽名）（簽名）（簽名）答辯成績： 總評成績： 摘 要風電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風電裝備制造業(yè)的繁榮，風電齒輪箱作為風電機組的核心部件，倍受國內(nèi)外風電相關(guān)行業(yè)和研究機構(gòu)的關(guān)注。但由于國內(nèi)風電齒輪箱的研究起步較晚，技術(shù)薄弱，特別是兆瓦級風電齒輪箱，主要依靠引進國外技術(shù)。因此，急需對兆瓦級風電齒輪箱進行自主開發(fā)研究，真正掌握風電齒輪箱設(shè)計制造技術(shù)，以實現(xiàn)風機國產(chǎn)化目標。本文設(shè)計的是兆瓦級風力發(fā)電機組的齒輪箱，通過方案的選取，齒輪參數(shù)計算等對其配套的齒輪箱進行自主設(shè)計。首先，確定齒輪箱的機械結(jié)構(gòu)。選取一級行星派生型傳動方案，通過計算，確定各級傳動的齒輪參數(shù)。對行星齒輪傳動進行受力分析，得出各級齒輪受力結(jié)果。依據(jù)標準進行靜強度校核，結(jié)果符合安全要求。最后，對齒輪傳動系統(tǒng)進行了齒面接觸應(yīng)力計算，結(jié)果符合要求。關(guān)鍵詞：風力發(fā)電，風機齒輪箱，結(jié)構(gòu)設(shè)計，AbstractThe rapid development of wind power industry lead to the prosperity of wind power equipment manufacturing industry．As the core component of wind turbine，the gearbox is received much concern from related industries and research institution both at home and abroad．However, due to the domestic research of gearbox for wind turbine starts late，technology is weak，especially in the gearbox for MW wind turbine，which mainly relied on the introduction of foreign technology．Therefore，it is urgent need to carry out independent development and research on MW wind power gearbox，and truly master the design and manufacturing technology in order to achieve the goal of localization．This paper takes the wind power。The independent design of the gearbox matching for the wind turbine has been carried out by selecting the transmission scheme and calculating the gear parameters。Firstly, the mechanical structure of gearbox is determined．The two-stage derivation planetary transmission scheme is selected．The gear parameters of every stage transmission is calculated．， and the force analysis results is obtained．The static strength check of tooth surface contact is implemented according to related standard．The result shows that it is accord with safety requirements． Secondly, the helical gear parametric model is established based on involutes curve equation and generation theory of spiral line by using the function of parametric modeling in Pro／ E． Then, the tooth surface contact stress of the gear transmission is calculated．Key Words：the wind power ，Gearbox for Wind Turbine；Structure Design；Parametric Modeling目錄Abstract ______________________________________________________ii1.引言 _______________________________________________________________- 1 -1.1 課題來源 ________________________________________________________- 1 -1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 ___________________________________________- 2 -1.2.1 風力發(fā)電國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ____________________________________- 2 -1.2.2 風電齒輪箱的發(fā)展趨勢 ______________________________________- 5 -1.2.3 存在的問題及展望 __________________________________________- 5 -1.3 課題意義 _______________________________________________________- 6 -1.4 論文的主要內(nèi)容及設(shè)計要求 _______________________________________- 7 -1.5 設(shè)計標準 _______________________________________________________- 7 -2.齒輪箱的設(shè)計 ______________________________________________________- 8 -2.1 增速齒輪箱方案設(shè)計 _____________________________________________- 8 -2.2 齒輪參數(shù)確定 __________________________________________________- 12 -2.2.1 行星輪系的齒輪參數(shù) _______________________________________- 12 -2.2.2 圓柱級齒輪參數(shù) ___________________________________________- 16 -2.3 受力分析與靜強度校核 __________________________________________- 17 -2.3.1 受力分析 _________________________________________________- 17 -2.3.2 低速級外嚙合齒面靜強度計算 _______________________________- 21 -2.4 本章小結(jié) ______________________________________________________- 25 -3.傳動軸和箱體的設(shè)計 ______________________________________________- 26 -3.1 高速軸的設(shè)計 __________________________________________________- 26 -3.2 低速軸的設(shè)計 __________________________________________________- 26 -3.3 中間軸的設(shè)計 __________________________________________________- 28 -3.4 箱體 __________________________________________________________- 29 -4 齒輪箱及其他部件的設(shè)計 __________________________________________- 30 -4.1 齒輪箱的密封 __________________________________________________- 30 -4.2 齒輪箱的潤滑、冷卻 ____________________________________________- 30 -4.3 軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ____________________________________________- 31 -4.4 行星架的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ______________________________________________- 32 -4.5 傳動齒輪箱箱體設(shè)計 ____________________________________________- 32 -5 齒輪箱的使用及其維護 ____________________________________________- 33 -5.1 安裝要求 ______________________________________________________- 33 -5.2 定期更換潤滑油 ________________________________________________- 33 -5.3 齒輪箱常見故障 ________________________________________________- 33 -5.3.1 齒輪損傷 _________________________________________________- 34 -5.3.2 軸承損壞 _________________________________________________- 34 -5.3.3 斷軸 _____________________________________________________- 35 -5.3.4 油溫高 ___________________________________________________- 35 -心得體會 ____________________________________________________________- 36 -致 謝 ______________________________________________________________- 37 -參考文獻 ____________________________________________________________- 38 -- 0 -1.引言1.1 課題來源風是一種潛力很大的新能源，十八世紀初，橫掃英法兩國的一次狂暴大風，吹毀了四百座風力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多條帆船，并有數(shù)千人受到傷害，二十五萬株大樹連根拔起。僅就拔樹一事而論，風在數(shù)秒鐘內(nèi)就發(fā)出了一千萬馬力(即750 萬千瓦；一馬力等于 0．75 千瓦)的功率!有人估計過，地球上可用來發(fā)電的風力資源約有 100 億千瓦，幾乎是現(xiàn)在全世界水力發(fā)電量的 10 倍。目前全世界每年燃燒煤所獲得的能量，只有風力在一年內(nèi)所提供能量的三分之一。因此，國內(nèi)外都很重視利用風力來發(fā)電，開發(fā)新能源。近 10 年風力發(fā)電增長迅猛，200 年以來 ，全球每年風電裝機容量增長速度為 20%～30%。全球風能協(xié)會發(fā)布最新一期全球風電的增長數(shù)據(jù)顯示 ， 2008 年全球范圍內(nèi)新增風電裝機容量 2 705 萬 kW，使得全球風電裝機容量達到 1 . 20 億 kW，較 2007 年增長 28 . 8%。 1998～2008 年全球風電裝機容量的增長情況。如圖 1 所示。圖 1.1 全球風電裝機容量我國的風電發(fā)展主要集中在 2003 年以后 ，尤其是在風電特許權(quán)的帶動下 ， 2006 年我國除臺灣外增加風電機組 1 454 臺 ，增加裝機容量 133 . 7 萬 kW，比過去 20 年發(fā)展累積的總量還多 ，僅次于美國、 德國、 西班牙和印度。 2008 年又新增風電裝機容量 630 萬 kW，新增容量位列全球第 2，僅次于美國。截至 2008 年底總裝機容量達到 1 215 .3 萬 kW，同比增長 106% ，總裝機容量超過了印度 ，位列全球第4，同時躋身世界風電裝機容量超千萬千瓦的風電大國行列。圖 2 反映了 2000 年以來我國風電裝機容量的增長。圖 1.2 我國風電裝機容量- 1 -風力發(fā)電系統(tǒng)主要由風輪、齒輪箱、發(fā)電機、功率變換器、變壓器等部分構(gòu)成 ，其中 ，發(fā)電機承擔將風能轉(zhuǎn)換為電能的任務(wù) ，是風力發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件。隨著風力發(fā)電整體技術(shù)的發(fā)展 ，風力發(fā)電機由早期的直流發(fā)電機、 籠型異步發(fā)電機等演變?yōu)楫斍暗碾p饋異步發(fā)電機和低速直驅(qū)永磁同步發(fā)電機等。同時，風力發(fā)電機自身技術(shù)水平的提高 ，又有力地促進了風力發(fā)電整體技術(shù)的進步。 例如 ，雙饋異步發(fā)電機及其控制技術(shù)的成熟 ，使變速恒頻風力發(fā)電得以實現(xiàn) ，成為當前風力發(fā)電系統(tǒng)的主流。因此 ，風力發(fā)電機與風力發(fā)電系統(tǒng)互為因果 ，相互促進。近年來風力發(fā)電系統(tǒng)的容量不斷增大 ，特別是低速直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的快速發(fā)展 ，有力地促進了風力發(fā)電機的設(shè)計、 制造、 控制以及運行維護水平的提高 ，各種新型風力發(fā)電機不斷出現(xiàn)。本課題就是建立在對引進的兆瓦級風力發(fā)電增速齒輪箱結(jié)構(gòu)技術(shù)消化吸收的基礎(chǔ)上，對增速齒輪箱進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，為研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的風機增速齒輪箱打下基礎(chǔ)。1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 1.2.1 風力發(fā)電國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀風力發(fā)電的快速增長帶動了風電設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展， 2007 年度全球風電設(shè)備市場總價值達到 360 億美元。目前， 世界上先進的風電設(shè)備制造企業(yè)主要集中在少數(shù)幾個國家，如丹麥、 德國、 西班牙和美國等， 著名的公司有 Ves tas(丹麥)、 GE Wind(美國)、 Gamesa(西班牙)、Enercon (德國)、 Suzlon(印度)等。圖 3 為 2007 年世界風電機組市場份額圖。2007 年， 丹麥的 Vestas 公司占全球市場份額的 22.8%， 前 3 位公司占有了市場份額的一半多。值得一提的是， 我國的金風科技股份有限公司也占據(jù)了 2007 年世界風電市場的 4. 2%。圖 1.3 2007 年世界風電機組市場份額風電的快速增長同樣刺激了我國風電設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展，并迅速崛起了像金風科技股份有限公司、 華銳風電科技有限公司、 湖南湘電風能有限公司、 浙江運達風力- 2 -發(fā)電工程有限公司等風電設(shè)備制造企業(yè)。這些企業(yè)通過對國外風電技術(shù)的吸收再創(chuàng)新，形成了較大的生產(chǎn)規(guī)模。目前，國內(nèi)從事風電設(shè)備制造的企業(yè)達 50 余家，而且配件制造企業(yè)隊伍也在迅速擴大。2007 年我國新增裝機容量中， 內(nèi)資企業(yè)產(chǎn)品占 55. 9%， 其中金風科技的份額最大， 占新增總裝機容量的 25.1%，占內(nèi)資企業(yè)產(chǎn)品的 44. 9% ;合資企業(yè)產(chǎn)品占新增裝機容量的 1.6%; 外資企業(yè)產(chǎn)品占 42. 5%， 其中西班牙Gamesa 的份額最大，占新增裝機容量的 39. 9% 。國際上，兆瓦級以上的風電機組已經(jīng)成為主流機型。如美國:主流機型 1. 5MW， 丹麥: 主流機型( 2. 0~3. 0)MW。截至2006 年，我國風電機組 1MW 以下的機組占總裝機容量的 70%， 1MW~ 2MW 之間的風電機型只占 26%， 2MW 以上機型占 4%。根據(jù)國家發(fā)改委規(guī)劃，我國未來的風電新增裝機將以 1. 5MW、 2MW 機型為主， 1MW 以下機型所占比重將逐漸降低。風力發(fā)電發(fā)展的主要趨勢：( 1) 機組單機容量增大風電機組單機容量的增大有利于提高風能利用率，降低風場的占地面積， 降低風電場運行維護成本，從而提高風電的市場競爭力。目前， 國際上主流的風電機組已達到( 2~ 3)MW， 由德國 Repower 公司研制的最大的 5MW 風電機組已投入運行，其旋翼區(qū)直徑達到 126 米?？梢灶A(yù)見， ( 3~ 5)MW 的風電機組在市場中的比例將日益提高。2008 年 2 月在布魯塞爾舉行的風能會議和風能展上， 有與會者甚至提出了 2020 年前開發(fā)出 20MW 風電機組的概念。( 2) 海上風電迅速興起海上風能資源豐富， 且受環(huán)境影響小，海上風電場將成為一個迅速發(fā)展的市場。目前丹麥、 德國、 英國、瑞典和荷蘭等國家海上風電發(fā)展較快。歐洲風能協(xié)會(EWEA)預(yù)測， 2020 年，歐洲海上風電總裝機容量將達到 70 000MW。雖然海上風電前景廣闊，但目前還有技術(shù)等方面的因素制約著它的發(fā)展。一方面， 海上風電機組均為陸上風電機組改造而成， 而復(fù)雜的海上自然條件使得風電機組的故障率居高不下， 如世界最大的海上風電場丹麥 Vestas 霍恩礁風電場， 80 臺海上風電機組故障率超過 70%。另一方面， 電網(wǎng)將難以承受大規(guī)模海上風電場所提供的巨大電能。因此， 海上風電的大發(fā)展仍需要解決機組及上網(wǎng)配套設(shè)施等方面的問題。( 3) 變速恒頻技術(shù)快速推廣目前市場上恒速運行的風電機組一般采用雙繞組結(jié)構(gòu)的異步發(fā)電機， 雙速運行。在高風速段， 發(fā)電機運行在較高轉(zhuǎn)速上;在低風速段，發(fā)電機運行在較低轉(zhuǎn)速上。其優(yōu)點是控制簡單， 可靠性高;缺點是由于轉(zhuǎn)速基本恒定，而風速經(jīng)常變化，因此機組經(jīng)常處于風能利用系數(shù)較低的狀態(tài)，風能無法得到充分利用。隨著風電技術(shù)的進步，風電機組開發(fā)制造廠商開始使用變速恒頻技術(shù)，并結(jié)合變槳距技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)出了變槳變速風電機組。與恒速運行的風電機組相比， 變速運行的風電機組具有發(fā)電量大、 對風速變化的適應(yīng)性好、 生產(chǎn)成本低、 效率高等優(yōu)點。因此，變速運行的風電機組也是未來發(fā)展的趨勢之一。德國 Enercon 公司是目前全球生產(chǎn)變速風電機組最多的公司。- 3 -( 4) 全功率變流技術(shù)興起近年來，歐洲的 Enercon、 Winwind 等公司都開發(fā)和應(yīng)用了全功率變流的并網(wǎng)技術(shù)， 使風輪和發(fā)電機的調(diào)速范圍達到了 0~ 150%的額定轉(zhuǎn)速，提高了風能的利用范圍，改善了風場上網(wǎng)電能的質(zhì)量。Enercon 公司還將原來對每個風電機組功率因數(shù)的分散控制加以集中，由并網(wǎng)變電站來統(tǒng)一調(diào)控，實現(xiàn)了電網(wǎng)的有源功率因素校正和諧波補償。全功率變流技術(shù)將在今后大型風電場建設(shè)時得到推廣應(yīng)用。( 5) 直驅(qū)和半直驅(qū)風電機組直驅(qū)式風電機組采用多極電機與葉輪直接連接進行驅(qū)動的方式， 免去故障率較高的齒輪箱，在低風速時效率高，且具有低噪聲、 高壽命、運行維護成本低等優(yōu)點。近年來直驅(qū)式風電機組的裝機份額增長較塊， 但由于技術(shù)和成本等方面的原因， 在未來較長時間內(nèi)帶增速齒輪箱的風電機組仍將在市場中占主導(dǎo)地位。半直驅(qū)是介于齒輪箱驅(qū)動和直接驅(qū)動之間的一種驅(qū)動方式，它采用一級齒輪箱增速， 結(jié)構(gòu)緊湊， 具有相對較高的轉(zhuǎn)速和較小的轉(zhuǎn)矩。與傳統(tǒng)的齒輪箱驅(qū)動相比，半直驅(qū)增加了系統(tǒng)的可靠性;而與大直徑的直驅(qū)相比，半直驅(qū)通過更高效和緊湊的機艙排列減小了系統(tǒng)的體積和重量。圖 1.4 風機的整體結(jié)構(gòu)1.2.2 風電齒輪箱的發(fā)展趨勢 風電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風電裝備制造業(yè)的繁榮，風電齒輪箱作為風電機組中最重要的部件，倍受國內(nèi)外風電相關(guān)行業(yè)和研究機構(gòu)的關(guān)注。風機增速齒輪箱是風力發(fā)電整機的配套產(chǎn)品，是風力發(fā)電機組中一個重要的機械傳動部件，它的重要功能是將風輪在風力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機，使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速進行發(fā)電，它的研究和開發(fā)是風電技術(shù)的核心，并正向高效、高可靠性及大功率方向發(fā)展。風力發(fā)電機組通常安裝在高山、荒野、海灘、海島等野外風口處，經(jīng)常承受無規(guī)- 4 -律的變相變負荷的風力作用以及強陣風的沖擊，并且常年經(jīng)受酷暑嚴寒和極端溫差的作用，故對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機械產(chǎn)品高得多的要求。風電行業(yè)中發(fā)展最快，最有影響的國家主要有美國、德國等歐美發(fā)達國家，在風電行業(yè)中處于統(tǒng)治地位。歐美發(fā)達國家早已開發(fā)出單機容量達兆瓦級的風力發(fā)電機，并且技術(shù)相對成熟，具有比較完善的設(shè)計理論和豐富的設(shè)計經(jīng)驗，而且商業(yè)化程度比較高，因此在國際風力發(fā)電領(lǐng)域中處于明顯的優(yōu)勢和主導(dǎo)地位。國外兆瓦級風電齒輪箱是隨 jxL 電機組的開發(fā)而發(fā)展起來的，Renk、Flender 等風電齒輪箱制造公司在產(chǎn)品開發(fā)過程中采用三維造型設(shè)計、有限元分析、動態(tài)設(shè)計等先進技術(shù)，并通過模擬和試驗測試對設(shè)計方案進行驗證。此外，國外通過理論分析及試驗測試對風電齒輪箱的運行性能進行了系統(tǒng)的研究，為風電齒輪箱的設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。盡管國際上齒輪箱設(shè)計技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，齒輪箱出現(xiàn)故障仍然是故障的最主要原因，約占風機故障總數(shù)的 20％左右，由于我國商業(yè)化大型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，技術(shù)上較歐美等風能技術(shù)發(fā)達國家存在報大差距。我國在九五期間開始走引進生產(chǎn)技術(shù)的路子，通過引進和吸收國外成熟的技術(shù)，成功研發(fā)出了兆瓦級以下風力發(fā)電機。1.2.3 存在的問題及展望盡管我國風電齒輪箱國產(chǎn)化工作近年來取得了長足的進步基本掌握了兆瓦級以下機組的設(shè)計制造技術(shù)并形成了 600kW 至 800kW 風電增速箱的批量生產(chǎn)能力，但目前仍存在以下問題：1) 國內(nèi)缺乏基礎(chǔ)性的研究工作和基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)對國外技術(shù)尚未完全消化自主創(chuàng)新能力不足。2) 嚴重缺乏既掌握低速重載齒輪箱設(shè)計制造技術(shù)又了解風電技術(shù)的人才，缺乏高水平的系統(tǒng)設(shè)計人員。3) 未完全掌握大型風電增速箱的設(shè)計制造技術(shù)產(chǎn)品以仿制為主可靠性不高,質(zhì)量穩(wěn)定性較差。掌握設(shè)計制造技術(shù)的企業(yè)數(shù)量較少無論是產(chǎn)品數(shù)量還是產(chǎn)品質(zhì)量都難以滿足市場需要。4) 缺乏大型試驗裝置及測試手段。5) 缺乏行業(yè)資源共享，信息互通，共同發(fā)展的平臺和機制。1.3 課題意義風力發(fā)電是清潔可再生能源，蘊存量巨大，具有實際開發(fā)利用價值。中國水電資源 370 GW，風能資源有 250 GW。廣東省水電資源 6.6 GW，沿海風能可開發(fā)量(H=40 m)- 5 -8.41 GW。也就是說，風能與水能總量旗鼓相當。大量風能開發(fā)不可能靠某個部門或行業(yè)的財政補貼就能解決，商業(yè)化不僅是市場的要求，也是風力發(fā)電發(fā)展的自身需要。所以，風力發(fā)電商業(yè)化是必由之路，可行之路。風力發(fā)電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件，其主要功用是將風輪在風力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。通常風輪的轉(zhuǎn)速很低，遠達不到發(fā)電機發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，必須通過齒輪 箱齒輪副的增速作用來實現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。齒輪箱作為傳遞動力的部件，在運行期間同時承受動、靜載荷。其動載荷部分取決于風輪、發(fā)電機的特性和傳動軸、聯(lián)軸器的質(zhì)量、剛度、阻尼值以及發(fā)電機的外部工作條件。開發(fā)新能源是國家能源建設(shè)實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，是促進能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、減少環(huán)境污染、推進技術(shù)進步的重要手段。風力發(fā)電是新能源技術(shù)中最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。(1)由于我國風電產(chǎn)業(yè)起步較晚，缺乏基礎(chǔ)研究積累和人才，我國在風力發(fā)電機組的研發(fā)能力上還有待提高，總體來說主要以引進國外先進技術(shù)為主。目前國內(nèi)引進的技術(shù)，有的是國外淘汰的技術(shù)，有的圖紙雖然先進，但受限于國內(nèi)配套廠家的技術(shù)、工藝、材料等原因，導(dǎo)致國產(chǎn)化的零部件質(zhì)量、性能仍有一定差距。所以，在引進國外風機技術(shù)的同時，開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的兆瓦級增速齒輪箱，是加速我國風電產(chǎn)業(yè)的一項重要任務(wù)。(2)增速齒輪的設(shè)計和制造技術(shù)是整個風力發(fā)電機組的關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)系到整個風力發(fā)電機組的命運。因此，要加強齒輪的研究，對齒輪進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高齒輪的嚙合質(zhì)量，降低噪聲，保證齒輪機械效率，提高齒輪的運行可靠性。(3)增速齒輪箱以漸開線齒輪為主，人們對標準的漸開線齒輪有了一套比較成熟的設(shè)計、強度計算和加工方法。兆瓦級增速齒輪對漸開線齒輪傳動提出了新的要求，在尺寸、重量最小的情況下，可靠地傳遞高速、重載的運動，這就對齒輪分析的計算精度提出了很高要求，高精度齒輪分析是輪齒承載能力、振動、噪聲及修形等研究的基礎(chǔ)。因此，建立準確的分析模型，準確求解受載輪齒的載荷分布對修形規(guī)律的研究具有重要意義。1.4 論文的主要內(nèi)容及設(shè)計要求論文的主要內(nèi)容包括是介紹了風力發(fā)電的現(xiàn)狀發(fā)展趨勢，及現(xiàn)在各個國家對風力發(fā)電的重視程度。我國現(xiàn)在風力發(fā)電的總體情況、風力發(fā)電機傳動鏈設(shè)計等。風力發(fā)電機傳動鏈主要分為主軸、齒輪箱（增速箱）、機械剎車以及相關(guān)組件。齒輪箱作為風機上的零件的重要作用，齒輪箱的發(fā)展。還有就是整篇論文關(guān)于齒輪箱的設(shè)計過程，及校核等等。還有 CAD 二維的裝配圖及零件圖繪制，并截取了一些圖片附于論文上。設(shè)計此次的行星輪系的齒輪箱，我們擬部分采用減速器的設(shè)計方法，再結(jié)合書籍- 6 -資料完成風力發(fā)電齒輪箱的設(shè)計，校核，及優(yōu)化的一系列工作。關(guān)于行星輪系的傳動比，及齒輪的計算，會參照《機械原理》等一些書籍的部分內(nèi)容進行，還有關(guān)于軸的校核，鍵等等，和齒輪箱的使用和維和等等。主要的參數(shù)如下：表 1 風電增速箱主要參數(shù)發(fā)電機額定功率 5000KW輸入轉(zhuǎn)速 12.1r/min輸出轉(zhuǎn)速 1173.7r/min傳動形式 一級行星兩級斜齒輪總傳動比 97主軸承 自調(diào)心滾子軸承并明確規(guī)定依據(jù) IS06336 進行齒輪計算，按 3 倍額定功率計算靜強度1.0。.外齒輪制造精度不低于 6 級，齒面硬度 HRC58--62，外齒輪采用 20CrNi2MoA。1.5 設(shè)計標準（1） 齒輪傳動通用設(shè)計標準1）相關(guān)的中國國家標準風電齒輪箱的傳動設(shè)計中，需要參照通用設(shè)計標準 GB/T 3480-1997《漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法》。GB/T3480-1997 標準與國際標準 ISO 6336-1~ISO 6336-3 基本對應(yīng)，主要用于齒輪的齒面耐點蝕和齒根承載能力設(shè)計。對于齒輪膠合承載能力的計算，需要參照 GB/T 6413-2003 標準。2）相關(guān)的其他標準國際標準（ISO）和德國標準（DIN）在齒輪傳動設(shè)計中起到重要作用。其中有關(guān)圓柱齒輪承載能力的主要設(shè)計標準源于 DIN 3990。該標準包括 5 個子集，與國際標準 ISO 6336 基本對應(yīng)。對于齒輪膠合承載能力的計算，相關(guān)的參照標準為ISO/TR 13989-2000。（2）風電齒輪箱專用標準我國于 2003 年 9 月頒布了 G B/ T19073 - 2003 風力發(fā)電機組 — 齒輪箱標準 ( 以下簡稱 19073 標準) ,對風輪掃掠面積大于等于 40m 2 的風電齒輪箱的技術(shù)要求、 試驗方法、 檢驗規(guī)則及標志、 包裝、 運輸和儲存提出了概括性要求 ; 美國風能協(xié)會 (AWEA) 和齒輪協(xié)會(AG MA) 于 2003 年 10 月制定了新的風力機齒輪箱標準 “ Standard for Design and Specification of Gearbox for Wind Turbines ” , 用于替代 AG MA/ AWEA 921 - A97 , 并于 2004 年 1 月上升為美國國家標準 , 即 ANSI/ AG MA/AWEA6006 - A03 ( 以下簡稱 6006 標準 ) 。該標準對 40kW ～ 2MW 的風力發(fā)電齒輪箱的設(shè)計、 制造、 使用等作了詳盡的規(guī)定。 - 7 -6006 標準被世界上許多國家采用 ,是風電齒輪箱領(lǐng)域影響最大的一個標準。國際標準化組織 2005 年采用快速程序 , 直接采用該標準作為國際標準 ISO81400 - 4 :2005 。19073 標準規(guī)定齒輪箱的工作環(huán)境溫度為 - 40 ℃～ 50 ℃ , 齒輪箱最高溫度不得大于 80 ℃ , 機械效率應(yīng)大于 97 % , 噪聲應(yīng)不大于 85dB , 機械振動應(yīng)滿足G B8543 中 C 級要求。 19073 標準和 6006 標準都要求齒輪箱正常工作壽命不小于 20 年 , 但也有資料要求風功率密度 4 級時的設(shè)計壽命為 20 年 ,3 級時為 30 年。對零部件來說 , 通常要求齒輪壽命達到 17. 5 萬小時 [7] , 軸承壽命 13 萬小時 [6 ,7] 。6006 標準的正文部分包括適用范圍、 引用標準、定義和符號、設(shè)計規(guī)范、 齒輪箱設(shè)計和制造要求以及潤滑等內(nèi)容 , 對齒輪強度計算方法以及軸承使用情況、 要求壽命、 最大應(yīng)力等作了具體規(guī)定。2.齒輪箱的設(shè)計2.1 增速齒輪箱方案設(shè)計根據(jù)傳動鏈布局和風輪主軸支撐形式的要求，齒輪箱的結(jié)構(gòu)可能有較大差異，但其主體一般由箱體、傳動機構(gòu)、支撐構(gòu)件、潤滑系統(tǒng)和其他構(gòu)件構(gòu)成。齒輪箱體需要承受來自風輪的載荷，同時要承受齒輪傳動過程中產(chǎn)生的各種載荷。箱體也是主傳動鏈的基礎(chǔ)構(gòu)件之一，需要根據(jù)風電機組總體布局設(shè)計要求，為風輪主軸、 齒輪傳動機構(gòu)和主傳動鏈提供可靠地支撐與連接，將載荷平穩(wěn)傳遞到主機架。傳動機構(gòu)是實現(xiàn)齒輪箱增速傳動功能的核心部分，通常由多級齒輪傳動副和支撐構(gòu)件組成?？煽康臐櫥到y(tǒng)是齒輪箱的重要配置，可以實現(xiàn)傳動構(gòu)件的良好潤滑。同時，為確保極端環(huán)境溫度下的潤滑油性能，一般需要考慮設(shè)置相應(yīng)的加熱和冷卻裝置。風電齒輪箱還應(yīng)設(shè)置對潤滑油、高速端軸承等溫度進行實時監(jiān)測的傳感器，防止外部雜質(zhì)進入的空氣過濾器，以及雷電保護裝置等附件。齒輪傳動裝置的種類較多，按其傳動形式大致可分為定軸齒輪、行星齒輪和組合傳動的齒輪箱；按傳動級數(shù)可分為單級或多級齒輪箱；按布置形式可分為展開式、分流是和同軸式等形式的齒輪箱。風電齒輪箱要求的增速比通常較大，一般需要多級的齒輪傳動。目前大型風電機組的增速齒輪箱典型設(shè)計，多采用行星齒輪與定軸齒輪組成混合齒輪系的傳動方案。其中NGW傳動是一種行星齒輪的典型設(shè)計形式。對于兆瓦級風電齒輪箱，傳動比多在 100 左右，一般有兩種傳動形式：一級行星+- 8 -兩級平行軸圓柱齒輪傳動，兩級行星+一級平行軸圓柱齒輪傳動。相對于平行軸圓柱齒輪傳動，行星傳動的以下優(yōu)點：傳動效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳遞功率范圍大，使功率分流；合理使用了內(nèi)嚙合；共軸線式的傳動裝置，使軸向尺寸大大縮小而；運動平穩(wěn)、抗沖擊和振動能力較強。在具有上述特點和優(yōu)越性的同時，行星齒輪傳動也存在一些缺點：結(jié)構(gòu)形式比定軸齒輪傳動復(fù)雜；對制造質(zhì)量要求高：由于體積小、散熱面積小導(dǎo)致油溫升高，故要求嚴格的潤滑與冷卻裝置。這兩種行星傳動與平行軸傳動相混合的傳動形式，綜合了兩者的優(yōu)點。依據(jù)提供的技術(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過方案比較，總傳動比 i=97，采用一級行星派生型傳動，即一級行星傳動+兩級高速軸定軸傳動。為補償不可避免的制造誤差，行星傳動一般采用均載機構(gòu)，均衡各行星輪傳遞的載荷，提高齒輪的承載能力、嚙合平穩(wěn)性和可靠性，同時可降低對齒輪的精度要求，從而降低制造成本。對于具有三個行星輪的傳動，常用的均載機構(gòu)為基本構(gòu)件浮動。由于太陽輪重量輕，慣性小，作為均載浮動件時浮動靈敏，結(jié)構(gòu)簡單，被廣泛應(yīng)用于中低速工況下的浮動均載，尤其是具有三個行星輪時，效果最為顯著。設(shè)計齒輪箱的轉(zhuǎn)動比為 1：97，由于減速比較大，按照此轉(zhuǎn)動比，齒輪箱的結(jié)構(gòu)形式可設(shè)計為：一級行星傳動+兩級斜齒輪傳動。齒輪傳動方案一兩級 NGW 型行星齒輪特點：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可滿足較大速比的傳動要求，傳動比 40~160圖 2.1 雙極 NGW 型傳動方案齒輪傳動方案二行星齒輪與平行軸圓柱齒輪混合式- 9 -特點：低俗部分為行星齒輪傳動，可使功率分流，同時合理應(yīng)用了內(nèi)嚙合，結(jié)構(gòu)較緊湊。后兩級為定軸圓柱齒輪傳動，可合理分配速比，提高傳動效率圖 2.2 行星齒輪圓柱齒輪混合式依據(jù)提供的技術(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過方案比較，行星傳動有以下優(yōu)點：傳動效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳遞功率范圍大，使功率分流；合理使用了內(nèi)嚙合；共軸線式的傳動裝置，使軸向尺寸大大縮小而；運動平穩(wěn)、抗沖擊和振動能力較強。在具有上述特點和優(yōu)越性的同時，行星齒輪傳動也存在一些缺點：結(jié)構(gòu)形式比定軸齒輪傳動復(fù)雜；對制造質(zhì)量要求高：由于體積小、散熱面積小導(dǎo)致油溫升高，故要求嚴格的潤滑與冷卻裝置。兩者比較決定采用第二種方案,即一級行星+兩級平行軸圓柱齒輪傳動。圖 2.3 本設(shè)計采用的結(jié)構(gòu)行星齒輪傳動由于有多對齒輪同時參與嚙合承受載荷，要實現(xiàn)這一目標行星輪系各齒輪齒數(shù)必須要滿足一定的幾何條件。- 10 -(1)保證兩太陽輪和系桿轉(zhuǎn)軸的軸線重合，即滿足同心條件 。 321Z??(2)保證3個均布的行星輪相互間不發(fā)生干涉，即滿足鄰接條件。 '12280()sinaZhK??（2.1）(3)設(shè)計行星輪時，為使各基本構(gòu)件所受徑向力平衡，各行星輪在圓周上應(yīng)均勻分布或?qū)ΨQ分布。為使相鄰兩個行星輪不相互碰撞，必須保證它們齒頂之間在連接線上有一定問隙。保證在采用多個行星輪時，各行星輪能夠均勻地分布在兩太陽輪之間，即滿足安裝條件 c 為整數(shù)，裝配行星輪時，為使各基本構(gòu)件所受徑向力平衡，KZ??/)(31各行星輪在圓周上應(yīng)均勻分布或?qū)ΨQ分布。(4)保證輪系能夠?qū)崿F(xiàn)給定的傳動比 ，即滿足傳動比條件。當內(nèi)齒圈不動時有Hi11/13??HiZ以上各式中： ——中心太陽輪齒數(shù)；1Z——行星輪齒數(shù)；2——內(nèi)齒圈齒數(shù)；3ZK——行星輪個數(shù)；ha*——齒頂高系數(shù)。2.2齒輪參數(shù)確定2.2.1行星輪系的齒輪參數(shù)根據(jù)行星輪系的傳動所需要滿足的條件。兩級定軸的傳動比 ，則一級行星傳動 ，角標1表示低速級輸入端， i19.0?A i5.?，每個行星輪的傳遞的功率 P=5000KW，工作壽命為20年。2.1/1?bdB參數(shù)計算：1.選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)：1）選擇直齒圓柱齒輪。2）齒輪精度等級為5級精度。- 11 -3）材料選擇為20CrMnMo,熱處理應(yīng)為淬火。4）初選小齒輪齒數(shù)為 ，取30。12=0 3Z，2/?di?9.112nHvnHvZK??∴A= / =3.8 1wndi?2cK1v1w2c2v?H2nZwE = A =5.472 B查得 =5.11i式中： ——齒輪的接觸疲勞極限；limH?—— 載荷不均勻系數(shù)；c?—— 對分度圓直徑的齒寬系數(shù)；d?——動載荷系數(shù)?—— 接觸強度計算的壽命系數(shù)；??—— 接觸強度計算的齒向載荷分布系數(shù)；???—— 齒面工作硬化系數(shù)；?2.按齒面接觸強度設(shè)計（2.2）??2131t2.thedaHkTz????????????1)確定公式內(nèi)各計算數(shù)值2)計算根據(jù)經(jīng)驗選取螺旋角 °壓力角 ° ∴ °7.5??5.2?n?t25??(1)配齒計算取 / = C ， 3?wn1iZa1wn適當調(diào)整 =5.1 5.1× / 3 = 34, ∴ =20 , = c - =82bw- 12 -=0.5×( - )=31 CZbaZ采用不等角變位，取 =30，C則 j= =1.01ba?查圖可得適用的預(yù)計嚙合角24°≤ ≤26°'tac?18°≤ ≤20.8 °'tb預(yù)選 =25°'tac?(2)按接觸強度初算a-c傳動的中心距與模數(shù)1aT73905.cwKNn?1*061.7ni?1950*/TPn?太陽輪和行星輪材料選用 滲碳淬火，齒面硬度 HRC58-62，選取 r02CiMaHP15lim??齒寬系數(shù) ， .8ab??齒數(shù)比 1.5cazu∴模數(shù) 取 =28 nm未變位時 按預(yù)取嚙合角 =24.5°可得a—c傳動中心距變動系數(shù)'tac?'os1()1)/0.4892tncyz??????則中心距a’= 719.65nmay??n2os7.9a??- 13 -1()/cos706.2namzm????a取a’=720計算a-c傳動的實際中心距變動系 數(shù) Y和嚙合角 't?∴ =25.05°'y0.5nam??'tcosa0.951t?'tac(3)計算a—c傳動的變位系數(shù) '().4822tatbnivz???查圖校核， 在 與 線之間，為綜合性能較好區(qū)，可用。v3zcos?????5p6查圖分配變位系數(shù)藝 =0．22， =O．251ac(4)計算c-b傳動的中心距變動系數(shù)及嚙合角 'tac?c-b傳動未變位時的中心距1()/cos2cbnbamz???'0.5y?=734.28mm∴ =25.27°ta'(5)計算c-b傳動的變位系數(shù) '()2tncbtbivaz????=-0.547 0.56bc??(6)重合度計算32lim476(1)70.43aHKTau?????- 14 -' '12(tant)(tant)2a t tz????????=1.4336sinbm??=1.0508其中 1arcos0.528abtd??2r.317cbata∴ .48????行星輪系的參數(shù)為 28 Zsprm=0,=3,2分度圓直徑 sprd56m 8 d=296m齒寬 1247. 9.1B內(nèi)齒輪R精度等級為6級。 'coscs0.465'tbta??2.2.2圓柱級齒輪參數(shù)1.高速軸上的齒輪的設(shè)計輸入功率 ，小齒輪轉(zhuǎn)速為294.79/min,傳動比i=3.9811,工3=5208.4PKW作壽命20年。（1）選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)：1）選擇斜齒圓柱齒輪。2）齒輪精度等級為5級精度。3）材料選擇為20CrMnMo,熱處理應(yīng)為淬火。4）初選小齒輪齒數(shù)為 。76=210Z5）初選螺旋角 °。14?- 15 -（2）按齒面接觸強度設(shè)計 ??2131t2.thedaHkTz????????????1)確定公式內(nèi)各計算數(shù)值2)計算計算齒寬b及模數(shù) m=30 計算縱向重合度 =1.586B?計算載荷系數(shù) =1.433AVHkk???2.中間軸上的齒輪設(shè)計輸入功率 =5315.3KW，小齒輪的轉(zhuǎn)速為61.71r/min。傳動比i=4.774,傳遞的2p轉(zhuǎn)矩 = N.mm，使用壽命為20年。1T859./Nm（1）選定齒輪類型，精度等級，材料及齒輪1）選擇斜齒圓柱齒輪。2）齒輪精度等級為5級精度。3）材料選擇為20CrMnMo,熱處理應(yīng)為淬火。4）初選小齒輪齒數(shù)為 。54=283Z5）初選螺旋角 °10?（2）按齒面接觸強度設(shè)計 ??2131t2.thedaHkTz????????????1)確定公式內(nèi)各計算數(shù)值2)計算計算齒寬b及模數(shù) m=13 計算縱向重合度 =1.0317B?計算載荷系數(shù) =1.4121AVHkk???高速軸上的一對齒輪系參數(shù)為： 76761230,,4,83,d49.,170,a251nmZB????中間軸上的一對齒輪的參數(shù)為： 5454123,8.,,0,d289.17,52.63,a407,96.n ???- 16 -2.3受力分析與靜強度校核2.3.1受力分析行星齒輪傳動的主要受力構(gòu)件有中心輪、行星輪、行星架、軸及軸承等。為進行齒輪的強度計算，需要對行星輪以及太陽輪進行受力分析。當行星輪數(shù)目為3。假定各套行星輪載荷均勻，只需分析其中任一套行星輪與中心輪的組合即可。通常略去摩擦力和重力的影響，各構(gòu)件在輸入轉(zhuǎn)矩的作用下平衡，構(gòu)件間的作用力等于反作用力。圖2.4行星傳動受力分析行星架輸入功率為 ，太陽輪輸出功率為 ，增速傳動比為i，太陽輪節(jié)圓直徑為1TaTdl，根據(jù)斜齒圓柱齒輪傳動受力分析公式，齒輪所受切向力、徑向力、軸向力分別為： 1220/0/tFd?ancosrt???t式中： ——法面壓力角n——分度圓螺旋角?——主動輪齒寬中點處直徑md——主動輪分度圓直徑1- 17 -——表示額定轉(zhuǎn)矩1T按照上述公式計算低速級各個齒輪的受力情況行星輪傳動強度的校核計算齒輪強度計算（齒面接觸疲勞強度計算）a-c傳動的接觸強度太陽輪 1tHBEAVHPaFuZKbd??????????（2.4）行星輪 1tHDEAVHPcuZbd??????????（2.5）許用應(yīng)力計算 limWNHPLVRXZS??（2.6）p?滿足要求Hp滿足要求2c-b傳動的接觸強度（計算應(yīng)力）行星輪 1tHBEAVHPcFuZKbd??????????內(nèi)齒圈 1tHDEAVHPbuZd??????????許用應(yīng)力計算 limWNHPLVRXZS?p??滿足要求Hp?滿足要求表2.1 5MW風力機輸入級齒輪接觸強度校核結(jié)果- 18 -太陽輪 行星輪 行星輪 內(nèi)齒圈AK1.3 1.3V1.05 1.05?1.25 1.25K?1 1BZ1 1D1 1H2.5 2.5Z?0.96 0.92?1 1limH?1500 1100 1500 1100NTZ1 1 1 1VRL1 1 1 1NT1 1 1 1H?875.8 342.7601172.76 524.3HP1250 1000a-c傳動的齒根彎曲疲勞強度（計算應(yīng)力） tFAVFSKYbm??????（2.7）許用應(yīng)力計算 limFSTNHPiRriTXY???- 19 -FaP?? FcP?滿足條件b-c 傳動的齒根彎曲疲勞強度 tFAVFSKYbm?????許用應(yīng)力計算 limFSTNHPiRriTXY???Fa?FcP滿足條件表 2.2 5MW 風力機齒輪彎曲強度校核結(jié)果太陽輪 行星輪行星輪 內(nèi)齒圈Y?0.85 0.67AK1.05 1.05V1.3 1.3F?1.25 1.25K?1 1FSY3.2 3.05 3.05 2.95?1 1limF?600 480 600 480STY2 2N0.92 0.92iT?1 1RriY1 1X1 1- 20 -H?525.3 342.76 286.4 280.5FP513.87 513.892.3.2低速級外嚙合齒面靜強度計算（1）低速級接觸強度計算：依據(jù)要求，按 3 倍額定功率計算靜強度。 (其余嚙合齒輪副的計算步驟，結(jié)論與此相似。)載荷： dTFcalmax20?式中: ——計算切向載荷， N；cal——齒輪分度圓直徑， mm——最大轉(zhuǎn)矩， N.mmaxT修正載荷系數(shù)：因已經(jīng)按最大載荷計算，取使用系數(shù) 。1?Ak計算安全系數(shù) HstwNTzS?lim??式中： ——靜強度最大齒面應(yīng)力， Hst?2m（接觸應(yīng)力）HavcalHst kubdFz???1???式中： ——小輪分度圓直徑； 1d——齒寬； b——齒數(shù)比； u——使用系數(shù)； Ak——動載荷系數(shù)； v- 21 -——壽命系數(shù)；NTz——節(jié)點區(qū)域系數(shù)； H——彈性系數(shù)； ?Z——接觸強度計算的齒向載荷分布系數(shù)； ?Hk——接觸強度計算的齒間載荷分布系數(shù)；a——接觸強度計算的重合系數(shù)；?Z——接觸強度計算的螺旋角系數(shù)； ?（式中各數(shù)據(jù)通過查《機械設(shè)計手冊》第三版第三卷表 14-2-9（強度計算公式中個參數(shù)的確定方法）得到。）① 使用系數(shù)查表 =1.3Ak② 動載荷系數(shù) vsmdnVHa4.160*?? 04.1101221??????????uVzkbFktAv其中 ， （齒輪精度 5 級，查表得）；7.1k87.2k2174.1?zu③ 齒向載荷分布系數(shù) ?Hk太陽輪浮動，對對稱支承，查表得： 34.1*01.)(*26.05.1321?????bdbkH?④ 齒間載荷分布系數(shù) a)(1039.2mNbFktA??查機械設(shè)計手冊得 =1Ha- 22 -⑤ 節(jié)點區(qū)域系數(shù) Hz（其中 ）25.tancos2???tbHz? 1208.)cos*arctn(??tb???⑥ 彈性系數(shù) 8.19?⑦ 重合度系數(shù) （其中 ，按 算）8352.0)(34???????az 1?????⑧ 螺旋角系數(shù) 97.cos?其中按接觸應(yīng)力 =878.83HavcalHst kubdFz????1?? )(2mN⑨ 壽命系數(shù) 95.0NTz⑩ 工作硬化系數(shù) 1??而安全系數(shù) 代入上述值：HstwNTzS?lim?limHS?得到 故符合要求，具有高的可靠度。147.??H（2）中間級接觸強度計算參照上述低速級接觸強度計算步驟和公式，得到中間級齒面計算接觸應(yīng)力各項系數(shù)如下表所示： 表 2.3 中間級齒面計算接觸應(yīng)力各項系數(shù)系數(shù) Akv?HkaHzE?z?zNTz?值 1.3 1.025 1.13 1 2.252 189.8 0.8745 0.995 0.9 1代入以上系數(shù)，計算接觸應(yīng)力按接觸應(yīng)力 =928.74 HavcalHst kubdFz????1??? )(2mN計算安全系數(shù) =1.438 故符合要求。HstwNTSlim?1?- 23 -（3）高速級接觸強度計算參照上述低速級接觸強度計算步驟和公式，得到高速級齒面計算接觸應(yīng)力各項系數(shù)如下表所示：表 2.4 高速級齒面計算接觸應(yīng)力各項系數(shù)系數(shù) Akv?HkaHzEz?z?zNT?z值 1.3 1.06 1.383 1 2.33 189.8 0.7294 0.985 0.91 1代入以上系數(shù)，計算接觸應(yīng)力按接觸應(yīng)力 =961.76 HavcalHst kubdFz????1??? )(2mN計算安全系數(shù) =1.42 故符合要求。HstwNTSlim?1?2.4本章小結(jié)依據(jù)技術(shù)指標，綜合行星傳動與平行軸傳動的有點，選取一級行星派生型傳動，采用太陽輪浮動的均載機構(gòu)，計算確定了齒輪箱各級傳動的參數(shù)。對行星傳動進行受力分析，得出各級傳動齒輪的受力結(jié)果。依據(jù)標準，進行靜強度校核，結(jié)果符合安全要求。- 24 -3.傳動軸和箱體的設(shè)計3.1 高速軸的設(shè)計(1)最小軸直徑的設(shè)計 （A=105~135）3PdAn?功率 P=5060.2KW，轉(zhuǎn)速 n=294.79r/m，A 取 125。所以 d=560mm（2）結(jié)構(gòu)設(shè)如下- 25 -圖 3.1 高速軸3.2 低速軸的設(shè)計最小軸直徑的設(shè)計 3PdAn?功率 P=5378.8KW，轉(zhuǎn)速 n=1173.7 所以 d=140mm。根據(jù)軸承精度選擇，圖 3.2 低速軸齒輪采用的是斜齒，因此軸主要承受扭矩，其工作能力按扭轉(zhuǎn)強度條件計算。根據(jù)以上情況，可得低速級傳動軸的受力簡圖：圖 3-3 低速軸受力圖由上受力圖經(jīng)行軸的強度校核扭轉(zhuǎn)強度條件為：??639.510.2T TPWdn?????2/Nm