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5MW风电齿轮增速箱设计 (一级行星轮系)【7张CAD图纸和说明书】

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关键词：: 5MW风电齿轮增速箱设计 (一级行星轮系)【7张CAD图纸和说明书】 mw 齿轮增速设计一级行星 cad 图纸以及说明书仿单

资源描述：

摘要

风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣，风电齿轮箱作为风电机组的核心部件，倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。但由于国内风电齿轮箱的研究起步较晚，技术薄弱，特别是兆瓦级风电齿轮箱，主要依靠引进国外技术。因此，急需对兆瓦级风电齿轮箱进行自主开发研究，真正掌握风电齿轮箱设计制造技术，以实现风机国产化目标。

本文设计的是兆瓦级风力发电机组的齿轮箱，通过方案的选取，齿轮参数计算等对其配套的齿轮箱进行自主设计。

首先，确定齿轮箱的机械结构。选取一级行星派生型传动方案，通过计算，确定各级传动的齿轮参数。对行星齿轮传动进行受力分析，得出各级齿轮受力结果。依据标准进行静强度校核，结果符合安全要求。

最后，对齿轮传动系统进行了齿面接触应力计算，结果符合要求。

关键词：风力发电，风机齿轮箱，结构设计，

Abstract

The 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

Abstract ii

1.引言 - 1 -

1.1课题来源 - 1 -

1.2国内外发展现状与趋势 - 2 -

1.2.1风力发电国内外发展现状 - 2 -

1.2.2风电齿轮箱的发展趋势 - 5 -

1.2.3存在的问题及展望 - 5 -

1.3课题意义 - 6 -

1.4论文的主要内容及设计要求 - 7 -

1.5设计标准 - 7 -

2.齿轮箱的设计 - 8 -

2.1 增速齿轮箱方案设计 - 8 -

2.2齿轮参数确定 - 12 -

2.2.1行星轮系的齿轮参数 - 12 -

2.2.2圆柱级齿轮参数 - 16 -

2.3受力分析与静强度校核 - 17 -

2.3.1受力分析 - 17 -

2.3.2低速级外啮合齿面静强度计算 - 21 -

2.4本章小结 - 25 -

3.传动轴和箱体的设计 - 26 -

3.1高速轴的设计 - 26 -

3.2低速轴的设计 - 26 -

3.3中间轴的设计 - 28 -

3.4箱体 - 29 -

4齿轮箱及其他部件的设计 - 30 -

4.1齿轮箱的密封 - 30 -

4.2齿轮箱的润滑、冷却 - 30 -

4.3轴系部件的结构设计 - 31 -

4.4行星架的结构设计 - 32 -

4.5传动齿轮箱箱体设计 - 32 -

5齿轮箱的使用及其维护 - 33 -

5.1安装要求 - 33 -

5.2定期更换润滑油 - 33 -

5.3齿轮箱常见故障 - 33 -

5.3.1齿轮损伤 - 34 -

5.3.2轴承损坏 - 34 -

5.3.3断轴 - 35 -

5.3.4油温高 - 35 -

心得体会 - 36 -

致谢 - 37 -

参考文献 - 38 -

1.引言

1.1课题来源

风是一种潜力很大的新能源，十八世纪初，横扫英法两国的一次狂暴大风，吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船，并有数千人受到伤害，二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论，风在数秒钟内就发出了一千万马力(即750万千瓦；一马力等于0．75千瓦)的功率!有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。

近10年风力发电增长迅猛，200年以来，全球每年风电装机容量增长速度为 20%～30%。全球风能协会发布最新一期全球风电的增长数据显示， 2008年全球范围内新增风电装机容量 2 705万 kW，使得全球风电装机容量达到 1 . 20亿 kW，较 2007年增长 28 . 8%。 1998～2008年全球风电装机容量的增长情况。如图 1所示。

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内容简介：: 毕业设计（论文）题目 5MW 风电增速箱设计作者学院专业学号指导教师二一五年五月三十日毕业设计（论文）任务书学院系（教研室）系（教研室）主任: （签名）年月日学生姓名: 学号: 专业: 1 设计（论文）题目及专题： 5MW 风电齿轮增速箱设计 (一级行星轮系) 2 设计（论文）时间：自 2014 年 12 月 12 日开始至 2015 年 05 月 26 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料： 5MW 传动系统叶片额定转速 12.1rpm，额定发电机转速 1173.7rpm，齿轮箱传动比为 97:1，采用一级行星轮系和二级斜齿轮形式；国外 REpower 5MW、Multibrid M5000 等风电机组齿轮传动系统的相关资料；相关教材，如海上风力发电机组设计、风力机设计、制造与运行)等；图书馆电子资源数据库搜集到的期刊论文，博士、硕士学位论文等。4 设计（论文）应完成的主要内容：1) 完成 5MW 风电齿轮箱传动比分配等设计与计算；2) 完成传动轴、齿轮、轴承等关键传动零部件的选择、设计、计算与校核；3) 查阅相关文献资料，撰写开题报告；4) 完成相关论文的翻译(英译中，不少于 3000 字)。5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：1) 完成 5MW 风电齿轮增速箱设计，提供增速箱装配图、零件图等共折合 A0图纸不少于 2.5 张；2) 设计计算说明书一份，毕业设计说明书的书写格式和版面要求参照湖南科技大学本科生毕业设计（论文）要求与撰写规范，说明书不少于 40页。6 发题时间： 2015 年 3 月 12 日指导教师：（签名）学生：（签名）毕业设计（论文）指导人评语主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价指导人：（签名）年月日指导人评定成绩：毕业设计（论文）评阅人评语主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价评阅人：（签名）年月日评阅人评定成绩：毕业设计（论文）答辩记录日期：学生：学号：班级：题目：提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书共页2 设计（论文）图纸共页3 指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语：主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价答辩委员会主任：（签名）委员：（签名）（签名）（签名）（签名）答辩成绩：总评成绩： i摘要风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣，风电齿轮箱作为风电机组的核心部件，倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。但由于国内风电齿轮箱的研究起步较晚，技术薄弱，特别是兆瓦级风电齿轮箱，主要依靠引进国外技术。因此，急需对兆瓦级风电齿轮箱进行自主开发研究，真正掌握风电齿轮箱设计制造技术，以实现风机国产化目标。本文设计的是兆瓦级风力发电机组的齿轮箱，通过方案的选取，齿轮参数计算等对其配套的齿轮箱进行自主设计。首先，确定齿轮箱的机械结构。选取一级行星派生型传动方案，通过计算，确定各级传动的齿轮参数。对行星齿轮传动进行受力分析，得出各级齿轮受力结果。依据标准进行静强度校核，结果符合安全要求。最后，对齿轮传动系统进行了齿面接触应力计算，结果符合要求。关键词：风力发电，风机齿轮箱，结构设计，iiiiAbstractThe rapid development of wind power industry lead to the prosperity of wind power equipment manufacturing industryAs the core component of wind turbine，the gearbox is received much concern from related industries and research institution both at home and abroadHowever, 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 technologyTherefore，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 localizationThis 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 determinedThe two-stage derivation planetary transmission scheme is selectedThe gear parameters of every stage transmission is calculated， and the force analysis results is obtainedThe static strength check of tooth surface contact is implemented according to related standardThe 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 calculatedKey Words：the wind power ，Gearbox for Wind Turbine；Structure Design；Parametric Modelingiii目录Abstract _ii1.引言 _- 1 -1.1 课题来源 _- 1 -1.2 国内外发展现状与趋势 _- 2 -1.2.1 风力发电国内外发展现状 _- 2 -1.2.2 风电齿轮箱的发展趋势 _- 5 -1.2.3 存在的问题及展望 _- 5 -1.3 课题意义 _- 6 -1.4 论文的主要内容及设计要求 _- 7 -1.5 设计标准 _- 7 -2.齿轮箱的设计 _- 8 -2.1 增速齿轮箱方案设计 _- 8 -2.2 齿轮参数确定 _- 12 -2.2.1 行星轮系的齿轮参数 _- 12 -2.2.2 圆柱级齿轮参数 _- 16 -2.3 受力分析与静强度校核 _- 17 -2.3.1 受力分析 _- 17 -2.3.2 低速级外啮合齿面静强度计算 _- 21 -2.4 本章小结 _- 25 -3.传动轴和箱体的设计 _- 26 -3.1 高速轴的设计 _- 26 -3.2 低速轴的设计 _- 26 -3.3 中间轴的设计 _- 28 -3.4 箱体 _- 29 -4 齿轮箱及其他部件的设计 _- 30 -4.1 齿轮箱的密封 _- 30 -4.2 齿轮箱的润滑、冷却 _- 30 -4.3 轴系部件的结构设计 _- 31 -4.4 行星架的结构设计 _- 32 -4.5 传动齿轮箱箱体设计 _- 32 -5 齿轮箱的使用及其维护 _- 33 -5.1 安装要求 _- 33 -5.2 定期更换润滑油 _- 33 -5.3 齿轮箱常见故障 _- 33 -5.3.1 齿轮损伤 _- 34 -5.3.2 轴承损坏 _- 34 -5.3.3 断轴 _- 35 -5.3.4 油温高 _- 35 -心得体会 _- 36 -致谢 _- 37 -参考文献 _- 38 - 1 -1.引言1.1 课题来源风是一种潜力很大的新能源，十八世纪初，横扫英法两国的一次狂暴大风，吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船，并有数千人受到伤害，二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论，风在数秒钟内就发出了一千万马力(即750 万千瓦；一马力等于 075 千瓦)的功率!有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有 100 亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的 10 倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。近 10 年风力发电增长迅猛，200 年以来，全球每年风电装机容量增长速度为 20%30%。全球风能协会发布最新一期全球风电的增长数据显示， 2008 年全球范围内新增风电装机容量 2 705 万 kW，使得全球风电装机容量达到 1 . 20 亿 kW，较 2007 年增长 28 . 8%。 19982008 年全球风电装机容量的增长情况。如图 1 所示。图 1.1 全球风电装机容量我国的风电发展主要集中在 2003 年以后，尤其是在风电特许权的带动下， 2006 年我国除台湾外增加风电机组 1 454 台，增加装机容量 133 . 7 万 kW，比过去 20 年发展累积的总量还多，仅次于美国、德国、西班牙和印度。 2008 年又新增风电装机容量 630 万 kW，新增容量位列全球第 2，仅次于美国。截至 2008 年底总装机容量达到 1 215 .3 万 kW，同比增长 106% ，总装机容量超过了印度，位列全球第4，同时跻身世界风电装机容量超千万千瓦的风电大国行列。图 2 反映了 2000 年以来我国风电装机容量的增长。- 2 -图 1.2 我国风电装机容量风力发电系统主要由风轮、齿轮箱、发电机、功率变换器、变压器等部分构成，其中，发电机承担将风能转换为电能的任务，是风力发电系统中的核心部件。随着风力发电整体技术的发展，风力发电机由早期的直流发电机、笼型异步发电机等演变为当前的双馈异步发电机和低速直驱永磁同步发电机等。同时，风力发电机自身技术水平的提高，又有力地促进了风力发电整体技术的进步。例如，双馈异步发电机及其控制技术的成熟，使变速恒频风力发电得以实现，成为当前风力发电系统的主流。因此，风力发电机与风力发电系统互为因果，相互促进。近年来风力发电系统的容量不断增大，特别是低速直驱永磁风力发电系统的快速发展，有力地促进了风力发电机的设计、制造、控制以及运行维护水平的提高，各种新型风力发电机不断出现。本课题就是建立在对引进的兆瓦级风力发电增速齿轮箱结构技术消化吸收的基础上，对增速齿轮箱进行结构设计，为研发自主知识产权的风机增速齿轮箱打下基础。1.2 国内外发展现状与趋势 1.2.1 风力发电国内外发展现状风力发电的快速增长带动了风电设备制造业的发展， 2007 年度全球风电设备市场总价值达到 360 亿美元。目前，世界上先进的风电设备制造企业主要集中在少数几个国家，如丹麦、德国、西班牙和美国等，著名的公司有 Ves tas(丹麦)、 GE Wind(美国)、 Gamesa(西班牙)、Enercon (德国)、 Suzlon(印度)等。图 3 为 2007 年世界风电机组市场份额图。2007 年，丹麦的 Vestas 公司占全球市场份额的 22.8%，前 3 位公司占有了市场份额的一半多。值得一提的是，我国的金风科技股份有限公司也占据了 2007 年世界风电市场的 4. 2%。- 3 -图 1.3 2007 年世界风电机组市场份额风电的快速增长同样刺激了我国风电设备制造业的发展，并迅速崛起了像金风科技股份有限公司、华锐风电科技有限公司、湖南湘电风能有限公司、浙江运达风力发电工程有限公司等风电设备制造企业。这些企业通过对国外风电技术的吸收再创新，形成了较大的生产规模。目前，国内从事风电设备制造的企业达 50 余家，而且配件制造企业队伍也在迅速扩大。2007 年我国新增装机容量中，内资企业产品占 55. 9%，其中金风科技的份额最大，占新增总装机容量的 25.1%，占内资企业产品的 44. 9% ;合资企业产品占新增装机容量的 1.6%; 外资企业产品占 42. 5%，其中西班牙Gamesa 的份额最大，占新增装机容量的 39. 9% 。国际上，兆瓦级以上的风电机组已经成为主流机型。如美国:主流机型 1. 5MW，丹麦: 主流机型( 2. 03. 0)MW。截至2006 年，我国风电机组 1MW 以下的机组占总装机容量的 70%， 1MW 2MW 之间的风电机型只占 26%， 2MW 以上机型占 4%。根据国家发改委规划，我国未来的风电新增装机将以 1. 5MW、 2MW 机型为主， 1MW 以下机型所占比重将逐渐降低。风力发电发展的主要趋势：( 1) 机组单机容量增大风电机组单机容量的增大有利于提高风能利用率，降低风场的占地面积，降低风电场运行维护成本，从而提高风电的市场竞争力。目前，国际上主流的风电机组已达到( 2 3)MW，由德国 Repower 公司研制的最大的 5MW 风电机组已投入运行，其旋翼区直径达到 126 米。可以预见， ( 3 5)MW 的风电机组在市场中的比例将日益提高。2008 年 2 月在布鲁塞尔举行的风能会议和风能展上，有与会者甚至提出了 2020 年前开发出 20MW 风电机组的概念。( 2) 海上风电迅速兴起海上风能资源丰富，且受环境影响小，海上风电场将成为一个迅速发展的市场。目前丹麦、德国、英国、瑞典和荷兰等国家海上风电发展较快。欧洲风能协会(EWEA)预测， 2020 年，欧洲海上风电总装机容量将达到 70 000MW。虽然海上风电前景广阔，但目前还有技术等方面的因素制约着它的发展。一方- 4 -面，海上风电机组均为陆上风电机组改造而成，而复杂的海上自然条件使得风电机组的故障率居高不下，如世界最大的海上风电场丹麦 Vestas 霍恩礁风电场， 80 台海上风电机组故障率超过 70%。另一方面，电网将难以承受大规模海上风电场所提供的巨大电能。因此，海上风电的大发展仍需要解决机组及上网配套设施等方面的问题。( 3) 变速恒频技术快速推广目前市场上恒速运行的风电机组一般采用双绕组结构的异步发电机，双速运行。在高风速段，发电机运行在较高转速上;在低风速段，发电机运行在较低转速上。其优点是控制简单，可靠性高;缺点是由于转速基本恒定，而风速经常变化，因此机组经常处于风能利用系数较低的状态，风能无法得到充分利用。随着风电技术的进步，风电机组开发制造厂商开始使用变速恒频技术，并结合变桨距技术的应用开发出了变桨变速风电机组。与恒速运行的风电机组相比，变速运行的风电机组具有发电量大、对风速变化的适应性好、生产成本低、效率高等优点。因此，变速运行的风电机组也是未来发展的趋势之一。德国 Enercon 公司是目前全球生产变速风电机组最多的公司。( 4) 全功率变流技术兴起近年来，欧洲的 Enercon、 Winwind 等公司都开发和应用了全功率变流的并网技术，使风轮和发电机的调速范围达到了 0 150%的额定转速，提高了风能的利用范围，改善了风场上网电能的质量。Enercon 公司还将原来对每个风电机组功率因数的分散控制加以集中，由并网变电站来统一调控，实现了电网的有源功率因素校正和谐波补偿。全功率变流技术将在今后大型风电场建设时得到推广应用。( 5) 直驱和半直驱风电机组直驱式风电机组采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去故障率较高的齿轮箱，在低风速时效率高，且具有低噪声、高寿命、运行维护成本低等优点。近年来直驱式风电机组的装机份额增长较块，但由于技术和成本等方面的原因，在未来较长时间内带增速齿轮箱的风电机组仍将在市场中占主导地位。半直驱是介于齿轮箱驱动和直接驱动之间的一种驱动方式，它采用一级齿轮箱增速，结构紧凑，具有相对较高的转速和较小的转矩。与传统的齿轮箱驱动相比，半直驱增加了系统的可靠性;而与大直径的直驱相比，半直驱通过更高效和紧凑的机舱排列减小了系统的体积和重量。- 5 -图 1.4 风机的整体结构1.2.2 风电齿轮箱的发展趋势风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣，风电齿轮箱作为风电机组中最重要的部件，倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。风机增速齿轮箱是风力发电整机的配套产品，是风力发电机组中一个重要的机械传动部件，它的重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，使其得到相应的转速进行发电，它的研究和开发是风电技术的核心，并正向高效、高可靠性及大功率方向发展。风力发电机组通常安装在高山、荒野、海滩、海岛等野外风口处，经常承受无规律的变相变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，并且常年经受酷暑严寒和极端温差的作用，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械产品高得多的要求。风电行业中发展最快，最有影响的国家主要有美国、德国等欧美发达国家，在风电行业中处于统治地位。欧美发达国家早已开发出单机容量达兆瓦级的风力发电机，并且技术相对成熟，具有比较完善的设计理论和丰富的设计经验，而且商业化程度比较高，因此在国际风力发电领域中处于明显的优势和主导地位。国外兆瓦级风电齿轮箱是随 jxL 电机组的开发而发展起来的，Renk、Flender 等风电齿轮箱制造公司在产品开发过程中采用三维造型设计、有限元分析、动态设计等先进技术，并通过模拟和试验测试对设计方案进行验证。此外，国外通过理论分析及试- 6 -验测试对风电齿轮箱的运行性能进行了系统的研究，为风电齿轮箱的设计提供了可靠的依据。尽管国际上齿轮箱设计技术已经比较成熟，但统计数据表明，齿轮箱出现故障仍然是故障的最主要原因，约占风机故障总数的 20左右，由于我国商业化大型风力发电产业起步较晚，技术上较欧美等风能技术发达国家存在报大差距。我国在九五期间开始走引进生产技术的路子，通过引进和吸收国外成熟的技术，成功研发出了兆瓦级以下风力发电机。1.2.3 存在的问题及展望尽管我国风电齿轮箱国产化工作近年来取得了长足的进步基本掌握了兆瓦级以下机组的设计制造技术并形成了 600kW 至 800kW 风电增速箱的批量生产能力，但目前仍存在以下问题：1) 国内缺乏基础性的研究工作和基础性的数据对国外技术尚未完全消化自主创新能力不足。2) 严重缺乏既掌握低速重载齿轮箱设计制造技术又了解风电技术的人才，缺乏高水平的系统设计人员。3) 未完全掌握大型风电增速箱的设计制造技术产品以仿制为主可靠性不高,质量稳定性较差。掌握设计制造技术的企业数量较少无论是产品数量还是产品质量都难以满足市场需要。4) 缺乏大型试验装置及测试手段。5) 缺乏行业资源共享，信息互通，共同发展的平台和机制。1.3 课题意义风力发电是清洁可再生能源，蕴存量巨大，具有实际开发利用价值。中国水电资源 370 GW，风能资源有 250 GW。广东省水电资源 6.6 GW，沿海风能可开发量(H=40 m)8.41 GW。也就是说，风能与水能总量旗鼓相当。大量风能开发不可能靠某个部门或行业的财政补贴就能解决，商业化不仅是市场的要求，也是风力发电发展的自身需要。- 7 -所以，风力发电商业化是必由之路，可行之路。风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功用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。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，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。齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。开发新能源是国家能源建设实施可持续发展战略的需要，是促进能源结构调整、减少环境污染、推进技术进步的重要手段。风力发电是新能源技术中最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。(1)由于我国风电产业起步较晚，缺乏基础研究积累和人才，我国在风力发电机组的研发能力上还有待提高，总体来说主要以引进国外先进技术为主。目前国内引进的技术，有的是国外淘汰的技术，有的图纸虽然先进，但受限于国内配套厂家的技术、工艺、材料等原因，导致国产化的零部件质量、性能仍有一定差距。所以，在引进国外风机技术的同时，开发自主知识产权的兆瓦级增速齿轮箱，是加速我国风电产业的一项重要任务。(2)增速齿轮的设计和制造技术是整个风力发电机组的关键技术，关系到整个风力发电机组的命运。因此，要加强齿轮的研究，对齿轮进行结构设计，提高齿轮的啮合质量，降低噪声，保证齿轮机械效率，提高齿轮的运行可靠性。(3)增速齿轮箱以渐开线齿轮为主，人们对标准的渐开线齿轮有了一套比较成熟的设计、强度计算和加工方法。兆瓦级增速齿轮对渐开线齿轮传动提出了新的要求，在尺寸、重量最小的情况下，可靠地传递高速、重载的运动，这就对齿轮分析的计算精度提出了很高要求，高精度齿轮分析是轮齿承载能力、振动、噪声及修形等研究的基础。因此，建立准确的分析模型，准确求解受载轮齿的载荷分布对修形规律的研究具有重要意义。1.4 论文的主要内容及设计要求论文的主要内容包括是介绍了风力发电的现状发展趋势，及现在各个国家对风力发电的重视程度。我国现在风力发电的总体情况、风力发电机传动链设计等。风力发电机传动链主要分为主轴、齿轮箱（增速箱）、机械刹车以及相关组件。齿轮箱作为- 8 -风机上的零件的重要作用，齿轮箱的发展。还有就是整篇论文关于齿轮箱的设计过程，及校核等等。还有 CAD 二维的装配图及零件图绘制，并截取了一些图片附于论文上。设计此次的行星轮系的齿轮箱，我们拟部分采用减速器的设计方法，再结合书籍资料完成风力发电齿轮箱的设计，校核，及优化的一系列工作。关于行星轮系的传动比，及齿轮的计算，会参照机械原理等一些书籍的部分内容进行，还有关于轴的校核，键等等，和齿轮箱的使用和维和等等。主要的参数如下：表 1 风电增速箱主要参数发电机额定功率 5000KW输入转速 12.1r/min输出转速 1173.7r/min传动形式一级行星两级斜齿轮总传动比 97主轴承自调心滚子轴承并明确规定依据 IS06336 进行齿轮计算，按 3 倍额定功率计算静强度1.0。.外齿轮制造精度不低于 6 级，齿面硬度 HRC58-62，外齿轮采用 20CrNi2MoA。1.5 设计标准（1）齿轮传动通用设计标准1）相关的中国国家标准风电齿轮箱的传动设计中，需要参照通用设计标准 GB/T 3480-1997渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法。GB/T3480-1997 标准与国际标准 ISO 6336-1ISO 6336-3 基本对应，主要用于齿轮的齿面耐点蚀和齿根承载能力设计。对于齿轮胶合承载能力的计算，需要参照 GB/T 6413-2003 标准。2）相关的其他标准国际标准（ISO）和德国标准（DIN）在齿轮传动设计中起到重要作用。其中有- 9 -关圆柱齿轮承载能力的主要设计标准源于 DIN 3990。该标准包括 5 个子集，与国际标准 ISO 6336 基本对应。对于齿轮胶合承载能力的计算，相关的参照标准为ISO/TR 13989-2000。（2）风电齿轮箱专用标准我国于 2003 年 9 月颁布了 G B/ T19073 - 2003 风力发电机组齿轮箱标准 ( 以下简称 19073 标准) ,对风轮扫掠面积大于等于 40m 2 的风电齿轮箱的技术要求、试验方法、检验规则及标志、包装、运输和储存提出了概括性要求 ; 美国风能协会 (AWEA) 和齿轮协会(AG MA) 于 2003 年 10 月制定了新的风力机齿轮箱标准 “ Standard for Design and Specification of Gearbox for Wind Turbines ” , 用于替代 AG MA/ AWEA 921 - A97 , 并于 2004 年 1 月上升为美国国家标准 , 即 ANSI/ AG MA/AWEA6006 - A03 ( 以下简称 6006 标准 ) 。该标准对 40kW 2MW 的风力发电齿轮箱的设计、制造、使用等作了详尽的规定。 6006 标准被世界上许多国家采用 ,是风电齿轮箱领域影响最大的一个标准。国际标准化组织 2005 年采用快速程序 , 直接采用该标准作为国际标准 ISO81400 - 4 :2005 。19073 标准规定齿轮箱的工作环境温度为 - 40 50 , 齿轮箱最高温度不得大于 80 , 机械效率应大于 97 % , 噪声应不大于 85dB , 机械振动应满足G B8543 中 C 级要求。 19073 标准和 6006 标准都要求齿轮箱正常工作寿命不小于 20 年 , 但也有资料要求风功率密度 4 级时的设计寿命为 20 年 ,3 级时为 30 年。对零部件来说 , 通常要求齿轮寿命达到 17. 5 万小时 7 , 轴承寿命 13 万小时 6 ,7 。6006 标准的正文部分包括适用范围、引用标准、定义和符号、设计规范、齿轮箱设计和制造要求以及润滑等内容 , 对齿轮强度计算方法以及轴承使用情况、要求寿命、最大应力等作了具体规定。2.齿轮箱的设计2.1 增速齿轮箱方案设计根据传动链布局和风轮主轴支撑形式的要求，齿轮箱的结构可能有较大差异，但其主体一般由箱体、传动机构、支撑构件、润滑系统和其他构件构成。- 10 -齿轮箱体需要承受来自风轮的载荷，同时要承受齿轮传动过程中产生的各种载荷。箱体也是主传动链的基础构件之一，需要根据风电机组总体布局设计要求，为风轮主轴、齿轮传动机构和主传动链提供可靠地支撑与连接，将载荷平稳传递到主机架。传动机构是实现齿轮箱增速传动功能的核心部分，通常由多级齿轮传动副和支撑构件组成。可靠的润滑系统是齿轮箱的重要配置，可以实现传动构件的良好润滑。同时，为确保极端环境温度下的润滑油性能，一般需要考虑设置相应的加热和冷却装置。风电齿轮箱还应设置对润滑油、高速端轴承等温度进行实时监测的传感器，防止外部杂质进入的空气过滤器，以及雷电保护装置等附件。齿轮传动装置的种类较多，按其传动形式大致可分为定轴齿轮、行星齿轮和组合传动的齿轮箱；按传动级数可分为单级或多级齿轮箱；按布置形式可分为展开式、分流是和同轴式等形式的齿轮箱。风电齿轮箱要求的增速比通常较大，一般需要多级的齿轮传动。目前大型风电机组的增速齿轮箱典型设计，多采用行星齿轮与定轴齿轮组成混合齿轮系的传动方案。其中NGW传动是一种行星齿轮的典型设计形式。对于兆瓦级风电齿轮箱，传动比多在 100 左右，一般有两种传动形式：一级行星+两级平行轴圆柱齿轮传动，两级行星+一级平行轴圆柱齿轮传动。相对于平行轴圆柱齿轮传动，行星传动的以下优点：传动效率高，体积小，重量轻，结构简单，制造方便，传递功率范围大，使功率分流；合理使用了内啮合；共轴线式的传动装置，使轴向尺寸大大缩小而；运动平稳、抗冲击和振动能力较强。在具有上述特点和优越性的同时，行星齿轮传动也存在一些缺点：结构形式比定轴齿轮传动复杂；对制造质量要求高：由于体积小、散热面积小导致油温升高，故要求严格的润滑与冷却装置。这两种行星传动与平行轴传动相混合的传动形式，综合了两者的优点。依据提供的技术数据，经过方案比较，总传动比 i=97，采用一级行星派生型传动，即一级行星传动+两级高速轴定轴传动。为补偿不可避免的制造误差，行星传动一般采用均载机构，均衡各行星轮传递的载荷，提高齿轮的承载能力、啮合平稳性和可靠性，同时可降低对齿轮的精度要求，从而降低制造成本。对于具有三个行星轮的传动，常用的均载机构为基本构件浮动。由于太阳轮重量轻，惯性小，作为均载浮动件时浮动灵敏，结构简单，被广泛应用于中低速工况下的浮动均载，尤其是具有三个行星轮时，效果最为显著。设计齿轮箱的转动比为 1：97，- 11 -由于减速比较大，按照此转动比，齿轮箱的结构形式可设计为：一级行星传动+两级斜齿轮传动。齿轮传动方案一两级 NGW 型行星齿轮特点：结构比较复杂，可满足较大速比的传动要求，传动比 40160图 2.1 双极 NGW 型传动方案齿轮传动方案二行星齿轮与平行轴圆柱齿轮混合式特点：低俗部分为行星齿轮传动，可使功率分流，同时合理应用了内啮合，结构较紧凑。后两级为定轴圆柱齿轮传动，可合理分配速比，提高传动效率- 12 -图 2.2 行星齿轮圆柱齿轮混合式依据提供的技术数据，经过方案比较，行星传动有以下优点：传动效率高，体积小，重量轻，结构简单，制造方便，传递功率范围大，使功率分流；合理使用了内啮合；共轴线式的传动装置，使轴向尺寸大大缩小而

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