基于SolidWorks的风机主传动系统三维建模

PAGEPAGEV基于SolidWorks的风机主传动系统三维建模摘要本文采用了风力发电机的计算机建模仿真的方法，对风力发电机的主传动系统性能及载荷计算的方法进行了研究，同时以1MW级风机说明了建模和仿真的基本方法和理论。风力发电机的主传动系统的建模和仿真都是在SolidWorks软件平台下完成的，文章对风力发电机组的塔架、轮毂、主轴、齿轮箱、电机、机舱底盘进行了建模。对主传动系统各部件在风力发电机组上的作用作了介绍，并对其结构形式及选用进行了详细的分析。风力发电机组的运转环境非常恶劣，受力情况复杂，所以对其主传动系统各部件材料的选用作了介绍。为了确保风力发电机在其寿命期内能够正常工作，对主轴进行了强度分析。由于齿轮箱在风力发电机组的特殊作用，对齿轮箱内的传动形式的种类、特点及应用作了介绍，并对其进行了合理的选择。根据齿轮箱的增速要求，合理选择了齿轮箱内的各级齿轮轴和齿轮的参数。发电机也是风力发电机组的重要部件之一，它将风轮的机械能转化为电能。发电机的选择尤其重要，所以本文对所选择的双馈异步发电机的工作原理及作用作了介绍。由于主传动系统安装的需要，对机舱底盘进行了建模，并在满足强度及刚度的前提下，对其材料和造型的合理选择作了介绍。最后，在SolidWorks平台上把所有建模设计出的风力发电机主传动系统的零部件进行了装配，并在平台上进行了传动模拟演示，使人们更直观的了解风力发电机主传动系统的组成及工作情况。关键词：风力发电机；主传动系统；建摸；仿真ABSTRACTThewindgeneratorcomputermodelingsimulationapproachisadoptedhere,andtheresearchofloadcalculationdrivetrainsystemperformanceofthewindgeneratorareconductedwhile1MW-classair-compressorsonmodelingandsimulationofthebasicmethodsandtheories.Themaindrivetrainsystem‘smodelingandsimulationofwindgeneratorsareoperatedontheSolidWorkssoftwareplatform.Themodelingoftheroundwheel,axle,gearboxes,electrical,cabinchassisofthewindgeneratorisconductedonthisarticle.Themaincomponentsinthedrivetrainsystemontheroleofwindpowergenerationunitswereintroduced,andtheselectionofitsformandstructureofadetailedanalysed.Windgenerators’operatingenvironmentisverybad,,thevariouscomponentsofitsmaindrivetrainsystemwereintroducedintheselectionofmaterials.Toensurethatwindgeneratorsintheirnormallife,theintensityanalysisofthemainaxleisconducted.Forthegearboxesinwindgeneratorshavespecialroleforthetransmissiongearboxformtypes,characteristicsandapplicationswereintroduced,anditsreasonableselection.Accordingtogearboxesgrowth,areasonablechoiceofgearwheelaxleandgearboxatalllevelsoftheparametersisconducted.Windgenerators’generatorisoneoftheimportantpart,itwillwindroundthemechanicalenergyintoelectricalenergy.Theselectionofgeneratorsisparticularlyimportant,therefore,tothechoiceofthisdouble-fedasynchronousgeneratorworkandtheroleoftheorywasintroduced.Becauseofthedrivetrainsysteminstallationrequirements,themodelingofthecabinchassis,andstrengthandrigiditytomeetthepremiseofitsmaterialandshapeareasonablechoicewasintroduced.Finally,AllthepartsandcomponentsdesignedontheSolidWorksplatformdrivetrainareassembled,andthetransmissionsimulationdisplayisalsoconducted,allowingamoreintuitiveunderstandingofthewindgeneratordrivetrainsystemandthecompositionofthework.Keywords:Windgenerators；Thedrivetrainsystem；Modeling；Simulation目录摘要 IABSTRACT II第1章引言 11.1课题的背景及意义 11.2目前国内外风力机组发展现状 11.2.1国外发展现状 11.2.2国内发展现状 21.3课题所要解决的问题 2第2章风机主传动系统的总体设计 32.1风力发电机主传动系统的组成 32.2风力发电机主传动系统的工作原理 32.3风力发电机主传动系统的布置形式 3第3章风机主传动系统中主要部件设计 53.1轮毂的形式与选用 53.1.1轮毂的作用及结构 53.1.2轮毂的形式 53.2主轴的设计 63.2.1主轴的作用及结构 63.2.2主轴强度校核 63.2.3主轴材料 83.3齿轮箱的构造及选用 83.3.1齿轮箱的构造 83.3.2齿轮箱的箱体设计 113.3.3齿轮箱的齿轮设计 113.3.4齿轮箱轴的设计 133.3.5齿轮箱的轴承设计 133.4电机的选用 143.4.1电机选用 143.4.2双馈异步电机的工作原理 143.5机舱底盘作用及选用 153.5.1机舱底盘的分类及选用 153.5.2机舱底盘设计要求 163.5.3机舱底盘的材料 163.6塔架的介绍 163.6.1塔架的作用 163.6.2塔架的主要形式及选用 173.6.3塔架的材料 18第4章基于SolidWorks的风机主传动系统三维建模方法 194.1轮毂的建模方法 194.2增速箱的建模方法 204.2.1上箱体的三维建模方法 204.2.2行星架的三维建模方法 224.2.3高速轴的三维建模方法 23结论 26参考文献 27致谢 28沈阳工业大学本科生毕业设计论文PAGE30第1章引言1.1课题的背景及意义随着人类社会的发展、科技的进步以及日益严重的资源和环境问题的挑战，世界能源结构开始经历第三次大的变革，即从煤炭、石油、天然气为主的能源系统，开始转向以可再生能源为基础的可持续发展的能源系统。而风能取之不尽，用之不竭，是非常重要的一种洁净的可再生能源，是人类能源结构的转变中一个非常重要的部分。地球上风能资源十分丰富，据世界气象组织统计分析表明，地球上近地层的风能总量约为13000亿KW，如有1%被有效利用，就可满足人类对能源的需求。我国幅员辽阔，陆疆总长2万多公里，海岸线1.8万公里，风能资源丰富根据气象部门的资料，可开发的陆地风能资源大约为253WG，可利用的海洋风能资源大约为750WG。风能易于获得并转换，且分布广泛、无污染而又能够不断再生，所以开发利用风能可以很好的解决目前化石能源的危机，为人类解决能源危机提供一条很好的办法。风力发电是目前利用风能的重要形式，也是多种可再生能源利用技术中比较成熟的。风力发电机组中的主传动系统更是其最重要的部分之一。1.2目前国内外风力机组发展现状1.2.1国外发展现状目前，风电已经成为世界上增长最快的能源，过去5年全球风电累计装机容量的平均增长一直保持在33%。近年来，德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、印度、加拿大等国在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金，充分综合利用空气动力学、新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的最新成果，研制出了变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性能。德国风力发电量占世界总量的40%，排名世界第一，其后依次为美国、西班牙、丹麦和印度。欧洲风能协会和绿色和平组织签署了《风力12——关于2020年风电达到世界风力总量的12%的蓝图》的报告，期望并预测2020年全球的风力发电装机将达到12.31亿KW，年安装量达到1.5亿KW，风力发电量将占全球发电总量的12%。风力发电机单机容量朝着大型化发展，目前兆瓦级风力机已经是国际风电市场上的主流产品，美国7兆瓦风力机已经研制成功，而英国正在研制10兆瓦的巨型风力机。1.2.2国内发展现状我国大型发电机技术的开发应用落后于发达的欧美国家。在“八五”和“九五”期间，将风能应用列入了国家重点科技攻关项目，并组织了多家科研单位进行攻关，取得了一定成绩。在短时间内实现了技术跨越。现在，在小型风力机组的生产和应用方面，我国以15万台拥有量居世界首位；但在大型并网风力发电方面起步较晚，发展速度不尽人意，但仍然取得了客观的成绩。目前我国国产化机组产量仍然偏小，远未达到规模利益，使得零部件采购价格偏高，利润空间很小。风场中使用的风力机95%都来自国外，设备几乎全部是进口的。为了建立自己的风电工业，提升国产风力机组生产能力和应用重，近几年我国进一步加强了风力机组制造行业的建设，并在全国形成了一批风电设备制造厂。此外还有清华大学、浙江大学、北方交通大学、沈阳工业大学等研究院所也都曾参与了风力发电相关技术的研究，已初步掌握了大型风力发电机组的系统设计关键设备的制造，取得了一定的成果，并有产品投入试运行，但毕竟时间太短，基础较差，所制造的产品缺乏合适的设备检验和足够的时间验证，以至人们对国产风力发电机组技术的可靠性存在疑虑。我国有丰富的风能源，因此有风力发电在我国有着广阔的发展前景。1.3课题所要解决的问题本文重点叙述了用SolidWorks对1MW风力发电机组中的主传动系统部件的三维建模设计过程，并解决了对风力发电机组中的主传动系统部件的设计、计算及选择问题，最后把所设计的零件进行了装配，并进行了传动模拟。

第2章风机主传动系统的总体设计2.1风力发电机主传动系统的组成风力发电机组的结构设计内容主要包括叶片、轮毂、偏航系统、主轴、主轴承、齿轮箱、刹车系统、液压系统、机舱及塔架的结构设计。其主传动系统又由轮毂、主轴、齿轮箱、连轴器、制动器、发电机等部件组成。本设计除了以上介绍的主传动系统部件还设计了塔架和机舱底盘。2.2风力发电机主传动系统的工作原理风力发电机组是利用风能转化为机械能，再转化为电能的一个系统。风轮（叶片和轮毂组成）在风的作用下旋转，将风能转换成风轮的旋转机械能，将轮毂的扭矩通过主轴传递给增速箱，通过增速箱轮副的增速来实现发电机发电的要求。2.3风力发电机主传动系统的布置形式风力机归纳起来，可分为两类：①水平轴风力机，风轮的旋转轴与风向平行。②垂直轴风力机，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向。对于风力发电机，多采用升力型水平轴风力机，因为大多数水平轴风力机具有对风装置，能随风向改变而转动。所以采用此类型风力机。风力发电机组的主传动系统主要有以下几种形式：（1）一字型图2-11—轮毂2—主轴3、6—连轴器4—增速箱5—制动器7—发电机这种布置形式，是风力发电机组中采用最多的形式，其主要特点是对中性好，负载分布均匀；其缺点是占轴线长，可能使主轴太短，主轴承载荷较大。（2）回流式图2-21-轮毂2-主轴3、6-联轴器4-增速箱5-制动器7-发电机其主要特点是可以缩短机舱长度，增加主轴长度，减少塔架负载的不均衡。（3）分流式图2-31-轮毂2-主轴3、5-联轴器4-增速箱6-制动器7-发电机这种形式比较少见，一般在设计中不采用。由于一字形布置方式对中性好，负载分布均匀，所以采用此种布置方式。

第3章风机主传动系统中主要部件设计3.1轮毂的形式与选用3.1.1轮毂的作用及结构轮毂是连接叶片与主轴的重要部件，它承受了风力作用在叶片上推力、扭矩、弯矩及陀螺力矩。通常轮毂的形状为三通形或三角形。风轮轮毂的作用是传递风轮的力和力矩到后面的机械结构中去，由此叶片上的载荷可以传递到机舱或塔架上。轮毂的结构主要如图3-1，3-6所示。它可以是铸造结构，也可以采用焊接结构，其材料可以去铸钢也可以采用高强度球墨铸铁。由于高强度球墨铸铁具有不可替代的优越性，如铸造性能好、容易铸成，且减振性能好，应力集中敏感性低、成本低等。在风力发电机组中大量采用高强度球墨铸铁作为轮毂的材料。图3-1三通型轮毂图3-2三角型轮毂3.1.2轮毂的形式一般常用的轮毂形式有以下几种：（1）刚性轮毂刚性轮毂的制造成本低、维护少、没有磨损，三叶片风轮大部分采用刚性轮毂，也是目前使用最广泛的一种形式。但它要承受所有风自风轮的力和力矩，相对老讲承受风轮载荷高，后面的机械承载大，结构上有三角形和球形等形式。（2）铰链式轮毂铰链式轮毂常用于单叶片和二叶片风轮，铰链轴及风轮旋转轴相互垂直，叶片在挥舞方向、摆振方向和扭矩方向上都可以自由活动，也可以称为柔性轮毂。由于铰链式轮毂具有活动部件，相对于刚性轮毂来说，制造成本高，可靠性相对较低，维护费用高；它与刚性轮毂比所受力和力矩较小。对于二叶片风轮，两个叶片之间是刚性连接的，可绕联轴节活动。当来流在上下有变化或阵风时，叶片上的载荷可以使叶片离原风轮旋转平面。由于此风力发电机风轮采用三叶片，所以轮毂采用刚性三通型轮毂。3.2主轴的设计3.2.1主轴的作用及结构在风力发电机组中，主轴承担了支撑轮毂传递过来的各种负载的作用，并将扭矩传递给增速箱，将轴向力、气动弯矩传递给机舱、塔架。在结构允许的条件下，通常将主轴尽量设计的保守一些。主轴的主要结构一般有以下两种，如图3-3所示。图3-3主轴示意图a）挑臂梁结构b)悬臂梁结构图a主轴由两个调向滚柱轴承所支撑。图b主轴上的一个支撑由轴承架支撑；另一支撑由齿轮箱支撑，也就是所谓的三点式支撑。此种结喉的优点是前支点为刚性支撑，后支点（齿轮箱）为弹性支撑。这种结构能吸收自与片来的突变负载。所以主轴采用了悬臂梁结构。3.2.2主轴强度校核主轴的疲劳强度安全系数校核主轴的疲劳强度校核判断根据为。当该式不能满足时，应改进轴的结构降低应力集中，其主要措施可采用热处理、表面强化处理等工艺措施以及加大轴径、改用较好材料等方法解决。危险截面安全系数S的校核计算公式为(3-1)式中——只考虑弯矩作用时的安全系数——只考虑扭矩作用时的安全系数——按疲劳强度计算的许用安全系数(3-2)式中——对称循环应力下的材料弯曲疲劳极限（MPa）——对称循环应力下的材料扭转疲劳极限（MPa）——弯曲和扭转时的有效应力集中系数——表面质量系数——材料拉伸和扭转的平均应力折算系数——弯曲应力的应力副和平均应力（MPa）——扭转应力的应力副和平均应力（MPa）以知：，查机械设计手册表26·1-1得=255MPa，=145MPa；查表26·3-6得，；查表26·3-9得；查表26·3-13得，；查表26·3-11得，，因为是对称循环所以。——空心轴内径与外径d之比，——抗弯和抗扭截面系数㎜——截面上的弯矩和扭矩N·mmN·mN·mmm由表26·3-4可知，=，故，所以是安全的。3.2.3主轴材料主轴材料选用由于风力发电机组主轴受力复杂，通选用的材料是34CrNiMo6。3.3齿轮箱的构造及选用风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。风轮的转速很低，远达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变载荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑、严寒和极端温差的影响，加之所处环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命比一般的机械高得多的要求。3.3.1齿轮箱的构造齿轮箱的类型与特点：风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可以分为圆柱齿轮箱、行星齿轮箱以及它们互相组合起来的齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；按照传动的布置形式又可以分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等等。常用的齿轮箱形式及特点和应用如下：（1）两级圆柱齿轮传动：1）展开式：如图3-4所示，传动比i=，这种传动形式结构简单，但齿轮相对于轴承的位置不对称，因此要求轴有较大的刚度。高速级齿轮布置在远离转矩输入端，这样，轴在转矩作用下产生的扭矩变形可部分地互相抵消，以减缓沿齿宽载荷分布不均匀的现象。用于载荷比较平稳的场合。高速级一般做成斜齿，低速级可做成直齿。2）分流式：如图3-5所示，传动比i=，这种结构复杂，但由于齿轮相对于轴承对称布置，与展开式相比载荷沿齿宽分布均匀、轴承受载较均匀。中间轴危险截面上的转矩只相当于轴所传递转矩的一半。适用于变载荷的场合。高速级一般用斜齿，低速级可用直齿或人字齿。图3-4展开式图3-5分流式3）同轴式：如图3-6所示，传动比i=，这种传动形式减速器横向尺寸较小，两对齿轮侵入油中深度大致相同，但轴向尺寸和重量较大，且中间轴较长、刚度差，使沿齿宽载荷分布不均匀，高速轴的承载能力难于充分利用，两级圆柱齿轮传动同轴。4）同轴分流式：如图3-7所示，传动比i=，这种传动形式每对啮合齿轮仅传动全部载荷的一半，输入轴和输出轴只承受扭矩，中间轴只受全部载荷的一半，故与传递同样功率的其他减速器相比，轴颈尺寸可以缩小。图3-6同轴式图3-7同轴分流式（2）行星齿轮传动1）单级NGW：如图3-8所示，传动比i=，与普通圆柱齿轮减速器相比，尺寸小，重量轻，但制造精度要求较高，结构较复杂，在要求结构紧凑的动力传动中使用广泛。2）两级NGW：如图3-9所示，传动比i=，特点与应用与单级NGW相同。图3-8单级NGW图3-9两级NGW3）一级行星两级圆柱齿轮传动混合式：如图3-10所示，传动比i=，低速轴为行星传动，使功率分流，同时合理应用了内啮合。末二级为平行轴圆柱齿轮的传动，可合理分配减速比，提高传动效率。图3-10混合式齿轮箱传动形式的选用：由于需求齿轮箱的增速比为1：78.158，根据以上齿轮箱的特点以及设计的需要，我们采用了一级行星两级圆柱齿轮混合式传动。3.3.2齿轮箱的箱体设计齿轮箱的设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并且重量最轻。根据机组的要求，选用合理的设计参数，排定最佳传动方案，选择稳定可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境温差下仍然保持稳定的材料，配备完整充分的润滑、冷却系统和监控装置等，是设计齿轮箱的必要前提条件。箱体是齿轮箱的重要部件，它承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反力。箱体必须具有足够的刚性去承受力和力矩的作用，防止变形，保证传动质量。箱体的设计按照风力发电机组的动力传动的布局、加工和装配、检查以及维护等要求来进行。注意轴承支承和机座支承的不同方向的反力及其相对值，选取合适的支承结构和壁厚，增设必要的加强筋。筋的位置须与引起箱体变形的作用力的方向相一致。采用铸铁箱体可发挥其减振性，易于切削加工等特点。常用的材料有球墨铸铁。铸造箱体时应尽量避免壁厚突变，减小壁厚差，以免产生缩孔和疏松等缺陷。为减小机械加工过程和使用中的变形，防止出现裂纹，应进行退火、时效处理，以消除内应力。为了便于装配和定期检查齿轮的啮合情况，在箱体上设有观察窗。机座旁设有连体吊钩，供起吊整台齿轮箱用。箱体支座的凸缘具有足够的刚性，尤其是作为支承座的耳孔和摇臂支座孔的结构。为了减小齿轮箱传动到机舱机座的震动，齿轮箱可安装在弹性减振器上。箱盖上还应设有透气罩、油标或油位指示器。在相应部位设有注油器和放油孔。3.3.3齿轮箱的齿轮设计风力发电机组齿轮箱的主要承载零件是齿轮，其齿轮的失效形式主要是轮齿者断和齿面点蚀、剥落，故各种标准和规范都要求对齿轮的承载能力进行分析计算，常用用的标准是GB/T3480或DIN3990中规定的齿根弯曲疲劳和齿面接触疲劳校核计算，对轮齿进行极限状态分析。（1）齿轮传动设计参数的选择：1）形角（分度圆压力角）的选择齿轮的标准齿形角为。采用大齿形角（、、等），可以提高强度，使轮齿的齿厚及节点处的齿廓曲率半径增大，从而提高承载能力，但会增大轴承上的载荷。采用小齿形角（小于）时，可使避免根切的最少齿数增多，加大了重合度，从而降低噪声和动载荷，但会减小轮齿的强度。根据实践经验，我们采用了标准齿形角。2）摸数m的选择在满足轮齿弯曲强度的条件下，选用较小的摸数可以增大齿轮副的重合度，减小滑动率，也可以减小齿轮切削量，降低制造成本。但随之而来的因制造和安装的质量问题会增大轮齿折断的危险性，故实际使用常常选用较大摸数。摸数的选择：行星级内齿轮、行星轮、太阳轮的摸数m=14，中间级齿轮摸数m=12，高速级齿轮摸数m=8。3）齿数Z受齿轮根切的限制，小齿轮有最少齿数的要求。对于尺寸一定的齿轮，齿数加和摸数减小可明显提高传动质量，故在满足轮齿弯曲强度的条件下，应尽量选用较多齿数。齿数选择：行星级内齿轮Z=90，行星轮Z=35，太阳轮Z=18；中间级小齿轮Z=16，大齿轮Z=60；高速级大齿轮Z=66，小齿轮Z=19。4）螺旋角角太小，将失去斜齿轮的优点；取大值，可增大重合度，使传动平稳性提高，但会引起很大的轴向力，一般取=。对于普通圆柱齿轮传动，低速级转速低扭矩大，可采用直齿轮；中间级通常取；高速级为减少噪声，可取较大的口角，如。所以，中间级斜齿轮螺旋角取；高速级斜齿轮螺旋角取。5）齿宽B齿宽是决定齿轮承载能力的主要尺寸之一，但齿宽越大，载荷沿齿宽分布不均匀的现象越严重。齿轮应给定一个最小齿宽，以保证齿轮足够的刚度。行星级齿轮宽度B=220mm；中间级大齿轮齿宽B=240mm，小齿轮齿宽B=250mm；高速级小齿轮齿宽B=140，大齿轮齿宽B=130mm。（2）齿轮加工1）渗碳淬火通常齿轮最终处理的方法是渗碳淬火，齿表面硬度达到HRC60+/-2，同时规定随摸数大小而变化的硬化层深度要求，具有良好的抗磨损接触强度，轮齿心部具有相对较低的硬度和较好的韧性，能提高抗弯曲强度。渗碳淬火后获得较理想的残余应力，它可以使齿轮最大拉应力区的应力减小。因此对齿根部通常保留热处理后的表面，在磨齿时不磨去齿根部分。2）齿形加工为了减轻齿轮副啮合时的冲击，降低噪声，需要对齿轮的齿形齿向进行修行。在一对齿轮副中，小齿轮的齿宽比大齿轮略大一些，这主要是为了补偿轴向尺寸变动和便于安装。（3）齿轮与轴的联接1）平键联接：常用与具有过盈配合的齿轮或联轴节的联接。由于键是标准件，故可根据联接的结构特点、使用要求和工作条件进行选择。如果强度不够，可采用双键，成布置，在强度校核时按1.5个键计算。2）花键连接：通常这种联接是没有过盈的，因而被联接零件需要轴向固定。花键联接承载能力高，对中性好，但制造成本高，需要专用刀具加工。花键按其齿形不同，可分为矩形花键、渐开线花键和三角形花键三种。渐开线花键联接在承受负载的齿间的径向力能起到自动定心作用，使各个齿受力比较均匀，其加工工艺与齿轮大致相同，易获得较高的精度和互换性，故在风力发电齿轮箱中应用较广。3）胀紧套联接：利用轴、孔与锥形弹性套之间接触面上产生的摩擦力来传递动力，是一种无键联接方式，定心性好，装拆方便，承载能高，能沿周向和轴向调节轴与轮毂的相对位置，且具有安全保护作用。3.3.4齿轮箱轴的设计齿轮箱中的轴按其主动和被动关系可分为主动轴、从动轴和中间轴。首级主动轴和末级从动轴的外伸部分，与风轮轮毂、中间轴或电机转动轴相连接。由于是增速传动，较大的传动比使轴上的齿轮直径较小，因而输出轴往往采用轴齿轮结构。为了保证轴的强度和刚度，允许轴的直径略小于齿轮顶圆，此时要留有滚齿、磨齿的退刀间距，尽可能避免损伤轴承轴颈。轴上各个配合部分的轴颈需要进行磨削加工。为了减少应力集中，对轴上台肩处的过渡圆角、花键向较大轴径过渡部分，均应作必要的抛光处，以提高轴的疲劳强度。在过盈配合处，为减少轮毂边缘的应力集中，压合处的轴径应比相邻部分轴径加大5%。装在轴上的零件，轴向固定应可靠，工作载荷应尽可能用轴上的止推轴肩来承受，相反方向的固定则可利用螺帽或其他紧固件。3.3.5齿轮箱的轴承设计齿轮箱的支承中，大量应用滚动轴承，其特点是静摩擦力矩和动摩擦力矩都很小，即使载荷和速度在很宽范围内变化时也如此。滚动轴承的安装和使用方便，但是，当轴的转速接近极限转速时，轴承承载能力和寿命急剧下降，高速工作时的噪声和震动都比较大。齿轮传动时，轴和轴承的变形引起齿轮和轴承内外圈轴线的偏斜，使轮齿上载荷分布不均匀，会降低传动的承载能力。由于载荷不均匀性而使轮齿经常发生断齿的现象，在许多情况下又是由于轴承的质量和其他因素，如剧烈的过载而引起的。在风力发电齿轮箱上常采用的轴承有圆柱磙子轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承等。在所有的滚动轴承中，调心滚子轴承的承载能力最大，且能广泛应用在承受较大负载或难以避免同轴误差和挠曲较大的支承部位。此齿轮箱基本上都使用的是调心滚子轴承。调心滚子轴承有双列球面滚子，滚子轴线倾斜于轴承的旋转轴线。其外圈滚道呈球面形，因此滚子可在外圈滚道内进行调心，以补偿轴的挠曲和同心误差。这种轴承的滚道型面与球面滚子型面非常匹配。双排球面滚子在具有三个固定挡边的内圈滚道上滚动，中挡边引导滚子的内端面。当有滚子组件的内圈中向外摆动时，则由内圈的两个外挡边保持滚子。每排滚子均有一个黄铜实体保持。3.4电机的选用3.4.1电机选用此主传动系统采用的是双馈异步发电机。3.4.2双馈异步电机的工作原理众所周知，同步发电机在稳态运行时，其输出端电压的频率与发电机的极对数及发电机转子的转速有着严格固定的关系，即(3-3)式中——发电机输出电压频率，Hz——发电机的极对数——发电机旋转速度，r/min显而易见，在发电机转子变速运行时，同步发电机不可能发出恒频电能，由电机结构知，绕子转子异步电机的转子上嵌装有三相对称绕组，根据电机原理知道，在三相对称绕组中通入三相对称交流电，则将在电机气隙内产生旋转磁场，此旋转磁场的转速与所通入的交流电的频率及电机的极对数有关，即（3-4）式中：为绕线转子异步电机转子的三相对称绕组通入频率为的三相对称电流后所产生的旋转磁场相对于转子本身的旋转速度，r/min；为绕线转子异步电机的极对数；为绕线转子异步电机转子三相绕组通入的三相对称交流频率，Hz。从式（3-4）中可知，改变频率，即可改变，而且若改变通入转子三相电流的相序，还可以改变此转子旋转磁场的转向。因此，若设为对应于电网频率为50Hz（=50Hz）时异步发电机的同步转速，而n为异步电机转子本身的旋转速度，则只要维持=常数，见式（3-5），则异步电机定子绕组的感应电势，如同在同步发电机时一样，其频率将始终维持不变。=同步转速（3-5）异步电机的滑差率，则异步电机转子三相绕组内通入的电流频率应为（3-6）公式（3-6）表明，在异步电机转子以变化的转速转动时，只要在转子的三相对称绕组中通入滑差频率（即入S）的电流，则在异步电机的定子绕组中就能产生50Hz的恒频电势。3.5机舱底盘作用及选用风力发电机组的机舱除了承担容纳所有机械部件外，还承受所有外力（包括静负载及动负载）的作用。尤其是现在风力发电机组为了获得更多的风能，往往将塔架高度提的很高，对机舱的强度的要求更为苛刻，特别是对机舱底盘的结构设计要求较高。3.5.1机舱底盘的分类及选用机舱底盘一般分类如下：(1)按制造方法及材料可分为铸造机舱底盘、焊接机舱底盘二类。(2)按结构形状可分为梁式机舱底盘、框架式机舱底盘、箱式机舱底盘三类。焊接机舱底盘具有强度和刚度、重量轻、生产周期短以及施工简单等优点，因此在风力发电机组中采用焊接机舱底盘。3.5.2机舱底盘设计要求机舱底盘的设计主要应保证刚度、强度及稳定性。机舱底盘强度和刚度都要从静态和动态两个方面考虑。动刚度是衡量机舱底盘抗振能力的指标，而提高机舱底盘抗振性能力从提高机舱底盘构件的静刚度、控制固有频率、加大阻尼等。机舱底盘设计的一般要求在满足刚度及强度的前提下，机舱底盘应尽量轻、成本低；抗振性好；机构设计合理，工艺性良好，便于焊接和机械加工；结构力求便于安装与调整，方便修理和更换零部件；造型好，使之即适用经济，又美观大方。3.5.3机舱底盘的材料焊接机舱底盘采用多采用Q235板材。为了保持尺寸稳定，消除内应力，焊接后必须进行热处理，第一次热处理安排在焊接完成后，第二次热处理安排在粗加工之后进行。3.6塔架的介绍塔架和基础是风力发电机组的主要承载部件。其重要性随着风力发电机组的容量增加，高度增加，愈来愈明显。在风力发电机组中塔架的重量占风力发电机组总重的1/2左右，其成本占风力发电机组制造成本的15%左右，由此可见听架在风力发电机组设计与制造中的重要性。3.6.1塔架的作用塔架的主要功能是支承风力发电机的机械部件，发电系统（重力负载），承受风轮的作用力和风作用在塔架上的力（弯矩、推力及对塔架的扭力），塔架还必须具有足够的疲劳强度，能承受风轮引起的振动载荷，包括起动和停机的周期性影响、突风变化、塔影效应等。塔架的刚度要合适，其自振频率（弯曲及扭转）要避开运行频率（风轮旋转频率的3倍）的整数倍。塔架静强度的载荷条件(1)横吹：风速为65m/s（2s平均）风轮不转动，叶片顺桨，风向吹在舱上。(2)正常运行十地震载负：风速为额定风速时，产生的风轮轴向力最大,同时根据均匀建筑物由地震产生的水平载荷因子，将其产生的惯性力加在风轮轴向推力上。(3)最大运行载荷：额定风速下正常运行载荷的2倍。3.6.2塔架的主要形式及选用（1）单管拉线式塔架由一跟钢管和条拉线组成，如图3-11所示。它具有简单、轻便、稳定等优点。图3-11单管拉线塔架示意图图3-12桁架拉线式（2）桁架拉线式小、中型风力机的塔架通常都采用这种结构。它由钢管或角钢焊接而成的桁架，在辅以跟拉线组成，如图3-12所示。桁架的断面形状最常见的有等边三角形与正方形两种。（3）桁架式它由钢管或角钢焊接而成底大顶小的桁架，其断面最常用的是正方形，也有采用多边形的，如图3-13所示。这种结构不带拉线，沿着桁架立挂的脚手架可爬往机舱。下风向布置的中；大型风力机多采用这种结构的塔架。（4）圆台式它由钢板卷制焊接而成的上小下大的圆台，如图3-14所示。机组的动力盘与控制柜通常就吊挂在塔架的内壁上，无需再另建控制室。塔内有直梯通往机舱。它外形美观、结构紧凑，很受欢迎。因此，广泛用于上风向布置的大型风力机上。图3-13桁架塔架示意图图3-14圆台塔架示意图由于圆台式结构突出、外形美观，所以此风力发电机采用的是圆台式塔架。3.6.3塔架的材料在风力发电机组中常用材料为Q3455c，Q345D。此风力发电机塔架材料用的是Q345D该材料具有韧性高、低温性能较好的优点，具有一定的耐腐蚀性。由于风力发电机组安装在荒野、高山、海岛，承受日晒雨淋，甚至沙尘和盐雾的腐蚀。所以其表面防锈处理十分重要。通常表面采用热锌，喷锌或喷漆处理。一般表面防锈处理要达到20年以上的寿命。

第4章基于SolidWorks的风机主传动系统三维建模方法4.1轮毂的建模方法在SolidWorks里对轮毂进行三维建模的方法：首先在零件图里进行草图绘制，选择前视基准面绘制草图，如图4-1所示。图4-1轮毂草图然后退出草图，选择工具拦上的旋转凸台，以前视基准面为基准距离为840mm建立一个基准面，在此基准面画草图圆直径为1950mm，退出草图并对其拉伸厚度为230mm的凸台，在以凸台为基准面绘制草图直径为1696mm的圆，退出草图对其拉伸切除，对凸台底边作圆角，并在凸台上绘制直径为1720mm和1696mm圆的草图，拉伸出高度为10mm的凸台，在以上一个凸台为基准，在工具拦上选择异型孔导向绘制M30的螺纹孔，并对其圆周阵列。在以图4-1的轴线为基准轴对上述特征进行圆周阵列，对各边作圆角，并对旋转所得到实体的大孔上面为基准，作M16的螺纹孔，进行阵列得到图4-2。图4-2轮毂以上就是用SolidWorks对轮毂三维建模的步骤，图4-2就是风力发电机轮毂三维建模模型。4.2增速箱的建模方法4.2.1上箱体的三维建模方法在零件图里以前视基准面绘制直径为1510mm的圆，拉伸厚度为210mm的凸台，在以凸台为基准面绘制草图，退出草图，拉伸深度为689mm的凸台，并以半圆凸台底面为基准面，绘制草图，退出草图，选择工具拦上的旋转凸台.在以长方形凸台上面为基准面绘制宽度为84.5mm的长方形草图，选择工具拦上的拉伸切除，然后在以半圆凸台的内面为基准面绘制高为145mm，宽为104.5mm的长方形草图，选择工具拦上的拉伸凸台。以凸台前面为基准面绘制草图，然后选择工具拦上的拉伸切除，深度为86mm。对新生成的图形进行45mm的倒角。在以长方形凸台上面为基准面绘制草图，退出草图，选择工具拦上的拉伸切除，深度为375mm。在以141mm为高，以66为宽拉伸出凸台。以凸台前面为基准面绘制草图，选择拉伸切除。并以长方形凸台上面为基准面绘制草图，特征选择成型到下面拉伸凸台。在凸台另一面以上面为基准面绘制草图，选择工具拦上的拉伸切除，深度为460mm。对拉伸出的凸台进行切除直径为50mm的圆孔，并对边作60mm的圆角,以半圆凸台为基准面做草图直径为50mm的圆孔，拉伸切除并阵列切除特征。在以凸台前面为基准绘制草图，退出草图，作深度为126mm的拉伸切除，在以前面为基准面绘制草图，退出草图拉伸高度为8mm的凸台。以前面为基准面，距离为360mm为基准建立一个基准面，在此基准面上绘制草图，如图4-3所示。图4-3上箱体内部建模退出草图，做对称拉伸切除，宽度为430mm，在切除的模型里面为基准面，绘制直径为225mm和310mm的圆草图，并对其拉伸切除，深度分别为85mm和110mm，在以切除的面为基准绘制205mm和280mm的圆的草图，分拉伸切除深度为15mm。以前视基准面绘制草图，退出草图，选择工具拦上的旋转切除，得到图4-4。图4-4上箱体以上就是用SolidWorks对风机齿轮箱上箱体的建模方法。4.2.2行星架的三维建模方法首先在零件图进行草图设计，绘制草图，如图4-5所示。图4-5行星架草图退出草图，选择工具拦上的旋转凸台。对其各边做圆角，并以前面为基准面绘制草图，对其拉伸切除，在以前视基准面为基准绘制草图，退出草图，选择工具拦上的拉伸切除，在以切除的实体面为基准面绘制草图，拉伸高度为5mm的凸台，在以此凸台为基准面绘制直径为160mm的草图，选择工具拦上的拉伸切除，特征为完全贯穿，对上述特征以中线为基准线做圆周阵列。以里面为基准面绘制直径为120mm的草图，退出草图作拉伸切除，深度为62mm，同样以里面为基准面绘制直径为220mm的草图圆，退出草图作拉伸切除，深度为25mm，在此切除实体面上做M16的罗纹孔，并阵列，如图4-6所示。图4-6行星架以上就是用SolidWorks对风机齿轮箱的行星架的三维建模方法。4.2.3高速轴的三维建模方法首先在零件图里以前视基准面绘制草图，退出草图在工具拦里选择拉伸