风力发电机传动机构的设计（行星齿轮增速器传动系统）（全套含CAD图纸）
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1 附录 A 风力发电技术 风能是非常重要并储量巨大的能源，它安全、清洁、充裕，能提供源源不绝，稳定的能源。目前，利用风力发电已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。风能技术是一项高新技术，它涉及到气象学、空气动力学、结构力学、计算机技术、电子控制技术、材料学、化学、机电工程、电气工程、环境科学等十几个学科和专业，因此是一项系统技术，其难度毫不逊色于航天技术。 1 风能技术的划分 风能技术分为大型风电技术和中小型风电技术，虽然都属于风能技术，工作原理也相同，但是却属于完全不同的两个行业：具体表现在“政策导向不同、市场不同、应用领域不同、 应用技术更是不同，完全属于同种产业中的两个行业。因此，在中国风力机械行业会议上已经把大型风电和中小型风电区分出来分别对待。此外，为满足市场不同需求，延伸出来的风光互补技术不仅推动了中小型风电技术的发展，还为中小型风电开辟了新的市场。 型风电技术 我国大型风电技术与国际还有一定差距。 大型风电技术起源于丹麦、荷兰等一些欧洲国家，由于当地风能资源丰富，风电产业受到政府的助推， 大型风电技术和设备的发展在国际上遥遥领先。 目前我国政府也开始助推大型风电技术的发展，并出台一系列政策引导产业发展。大型风电技术都是为大型风力发电机组设计的，而大型风力发电机组应用区域对环境的要求十分严格，都是应用在风能资源丰富的资源有限的风场上，常年接受各种各样恶劣的环境考研，环境的复杂多变性，对技术的高度要求就直线上升。目前国内大型风电技术普遍还不成熟，大型风电的核心技术仍然依靠国外，国家政策的引导使国内的风电项 目发疯一样在各地上马，各地都期望能借此分得一杯羹。名副其实的“疯电”借着政策的东风开始燎原之势。虽然风电项目纷纷上马，但多为配套类型，完全拥有自主知识产权的大型风电系统技术和核心技术少之又少。还需经历几年环境考验的大型风电技术才能逐渐成熟。此外，大型风电技术中发电并网的技术还在完善，一系列的问题还在制约大型风电技术的发展。 小型风电技术 2 我国中小型风电技术可以与国际相媲美。 在本世纪 70 年代中小型风电技术在我国风况资源较好的内蒙、 新疆一带就已经得到了发展， 最初中小型风电技术被广泛应用在送电 到乡的项目中为一家一户的农牧民家用供电，随着技术的更新不断的完善与发展，不仅能单独应用还能与光电组合互补已被广泛应用于分布式独立供电。这些年来随着我国中小型风电出口的稳步提升。在国际上，我国的中小型风电技术和风光互补技术已跃居国际领先地位。 中小型风电技术成熟受自然资源限制相对较小，作为分布式独立发电效果显著不仅可以并网，而且还能结合光电形成更稳定可靠的风光互补技术，况且技术完全自主国产化。无论从技术还是价格在国际上都十分具有竞争优势；加上现在在国际已打响了中小型风电的中国品牌；“墙内开花墙外香”已愈演愈烈 。在国内最具技术优势和竞争力中小型风力发电一直是被政府和政策遗忘的一个角落，究其原因，在早期国家一直把中小型风力发电定位到内蒙、新疆等偏远地区农牧民使用且归入农机类，价格低廉、粗制滥造、性能可靠度低、安全无保障使用地多为人烟稀少区、国内市场大多都在丧失可靠性的前提下大打价格战；在人们潜意识里形成较差的认识，因此得不到国家的重视和发展。 目前国内中小型风电的技术中“低风速启动、低风速发电、变桨矩、多重保护等等一系列技术得到国际市场的瞩目和国际客户的一致认可，已处于国际领先地位。况且中小型风电技术最终是为满 足分布式独立供电的终端市场，而非如大型风电技术是满足发电并网的国内垄断性市场，技术的更新速度必须适应广阔而快速发展的市场需求。 光互补技术 风光互补技术是整合了中小型风电技术和太阳能技术，综合了各种应用领域的新技术，其涉及的领域之多、应用范围之广、技术差异化之大，是各种单独技术所无法比拟的。 风能和太阳能是目前全球在新能源利用方面技术最成熟、最具规模化和产业化发展的行业，单独的风能和单独的太阳能都有其开发的弊端，而风力发电和太阳能发电两者互补性的结合实现了两种新能源在自然资源的配置方面、技术方案的整合方面、性能与价格的对比方面都达到了对新能源综合利用的最合理，不但降低了满足同等需求下的单位成本，而且扩大了市场的应用范围，还提高了产品的可靠性。 此外：太阳能和风能同属新能源，太阳能比风能起步要晚的多，太阳能光伏发电 30 元/瓦左右的价格受大众所认可， 可转化率仅有 15%左右； 而中小型风力发电 的价格仅为同等的 1/5 转化率却有 60%仅此低的价格更有甚者还在打压，光电生产过程中 3 对环境造成的污染远大于风电，却比风电能得到长足的发展，这样的对比反差耐人沉思，如果从人们用能的角度，最终是为了满足用电，从发电量来衡量风能的成本要比太阳能经济许多。 风光互补整合了太阳能和风能优势，不仅为“节能、减排”开辟了新的天地，以应用科学来满足人类需求，为世界进入第四次革命打开了一页。 2 风力发电有三种运行方式 一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证 无风时的用电；二是风力发电与其他发电方式（如柴油机发电）相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。 在风力发电系统中两个主要部件是风力机和发电机。风力机向着变浆距调节技术、发电机向着变速恒频发电技术，这是风力发电技术发展的趋势，也是当今风力发电的核心技术。下面简单介绍这两方面的情况。 力机的变浆距调节 风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。 变距调节方式是通过改变叶片迎风面与纵向旋转轴的夹角，从而影响叶片的受力和阻力，限制大风时风机输出功率的增加，保持输出功率恒定。采用变距调节方式，风机功率输出曲线平滑。在额定风速以下时，控制器将叶片攻角置于零度附近，不做变化，近似等同于定浆距调节。在额定风速以上时，变浆距控制结构发生作用，调节叶片攻角，将输出功率控制在额定值附近。变浆距风力机的起动速度较定浆距风力机低，停机时传递冲击应力相对缓和。正常工作时，主要是采用功率控制，在实际应用中，功率与风速的立方成正比。较小的风速变化会造成较大的风能变化。 由于变浆距调节风力机受到的冲击较之其它风力机要小得多， 可减少材料使用率， 降低整体重量。且变距调节型风力机在低风速时， 可使桨叶保持良好的攻角， 比失速调节型风力机有更好的能量输出，因此比较适合于平均风速较低的地区安装。 变距调节的另外一个优点是，当风速达到一定值时，失速型风力机必须停机，而变距型风力机可以逐步变化到一个桨叶无负载的全翼展开模式位置，避免停机，增加风力机发电量。 变距调节的缺点是对阵风反应要求灵敏。失速调节型风机由于风的振动引起的功率脉 4 动比较小，而变距调节型风力机则比较大，尤其对于采用变距方式的恒速风力发电机，这种情况更明显，这样不要求风机的变距系统对阵风的响应速度要足够快，才可以减轻此现象。 速恒频风力发电机 变速恒频风力发电机常采用交流励磁双馈型发电机，其结构如图 1 所示。它的结构类似绕线型感应电机，只是转子绕组上加有滑环和电刷，这样一来，转子的转速与励磁的频率有关，从而，使得双馈型发电机的内部电磁关系既不同于异步发电机又不同于同步发电机，但它却具有 异步机和同步机的某些特性。 交流励磁双馈变速恒频风力发电机不仅可以通过控制交流励磁的幅值、相位、频率来实现变速恒频，还可以实现有功、无功功率控制，对电网而言还能起无功补偿的作用。 交流励磁变速恒频双馈发电机系统有如下优点 : 允许原动机在一定范围内变速运行，简化了调整装置，减少了调速时的机械应力。同时使机组控制更加灵活、方便，提高了机组运行效率。 需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分，使变频装置体积减小，成本降低，投资减少。 调节励磁电流幅值，可调节发出的无功功率；调节励磁电流相位，可调节发出的有功功率。应用矢量控制可实现有、无功功率的独立调节。 3 风能技术的发展需要不断的创新 目前，我国风能发展中技术创新还很薄弱，缺乏有自主知识产权的核心技术。因此，在很大程度上还要从国外引进技术。虽然，在知识经济到来的时代，所有国家都充分利用全球资源，通过技术引进和国际合作来缩小差距，提高竞争能力。但是，如果没有自主创新能力，就不知道引进什么先进技术，引进以后也没有能力消化吸收，更不能进行再创新，这是一方面；另一方面，国外的核心技术是引进不 来的，必须靠自主创新来掌握核心技术；再者，国内的自主创新技术需要政策给予配套、引导、扶持，拥有核心技术的风能产品要加大扶持力度，这样“墙内开花墙外香”的局面才能得以改变，创新的动力才能来自不断的创新。 总之：风电产业中的风能技术已从单一发电向各个需要用电的领域不断的创新，其附加产品也应运而生如 :路灯、景观、交通监控、通讯、灌溉、种植、养殖、海水淡化、防火、警报、海岛高山等。可见风能这个新兴产业的发展能带动了无数个传统产业的发展与 5 转型，而风能在各个领域的应用技术成了这些产业发展的风向标。即将引发的世界 革命必将来自于以风能技术等新能源产业的革命。 6 附录 B is of it is of of s is a it a of so of a of of is of is in is to of in on to to In to of up 1. of a of by of of to of a of to on to to a of of on up on in is of on to 7 in to of as of to a to In a of of 2. of of 970s, a is in to a of as of in of s to is by as a of of is a or in a In s of by in a of in to in to no of of to of of in a o in a of by 8 a is to to be to a 3. is of a of of it of is so a of is in of of of to of in of to of to of of of In to be 0 V / W by of be to a 15% of is , of on in of ., if of is to to of up of to to a of is a to or a to to is as to a or an or an is to is a or of 9 is of in is to is of is of 1 of by on is of is By is In of be do to In of in is at is in is to of to of by of at of is of of a of to a of of is to is is of in is of to of 10 At s in is of of of of to if is no of of to is on on is of be on to of of to of to be a be In to in a to of so of in be of of in s be by I 摘要 我国属于发展中国家，经济、能源与环境的协调发展是实现我国现代化目标的重要前提。我国是个能源大国，也是个能源消费大国，当前我国能源的发展面临着人均能耗水平低、环境污染严重、能源利用率以及可再生能源比例少等问题。因此，调整能源结构，减少温室气体排放，缓解环境污染，加强能源安全已成为全国关注的热点，对可再生能源的利用，特别是风能开发利用也给予了高度重视。风能是一种清洁的可再生能源，风力发电是风能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式之一 。 风力发电机的传动机构主要由主轴、齿轮箱、输出轴等部分组成，首先对齿轮箱进行设计，根据某型风力发电机所要求的技术匹配参数，选择适当的齿轮传动方案，在此基础上进行传动比分配与各级传动参数如模数、齿数等的确定，对于齿轮箱中的轴进行设计，并对齿轮、轴以及轴承进行校核，再考虑行星架、箱体的选用问题，最后在考虑其他因素对风力发电机的影响，进行三维仿真模拟。 关键词：风力发电机传动机构；行星齿轮传动；模拟仿真 is a of is an to is a a s is a of of to a of to of is a is of in of of of is of is to by a of is On as of to of to of is to of on 目录 1 绪论 . 1 题的背景及意义 . 1 力发电机的研究现状 . 1 内发展 . 1 外发展 . 3 计内容 . 4 2 风力发电机的结构组成 . 5 力发电的原理 . 5 电机结构 . 5 3 传动机构设计 . 7 计参数 . 7 计方案 . 7 案的讨论 . 7 步确定总体结构设计 . 8 动比的分配 . 8 数的选择 . 8 数的选用 . 9 轮的校核 . 13 的设计 . 19 速级传动轴尺寸设计 . 19 间级传动轴的设计 . 19 速级轴的设计 . 19 的校核 . 20 星架的选用 . 22 体的设计与选用 . 22 轮箱箱体设计 . 22 轮箱的冷却和润滑 . 22 轮箱的使用及其维护 . 23 4 影响风力发电机功率的因素 . 24 力大小对功率的影响 . 24 片附着物对其转动产生的阻碍因素对功率的影响 . 24 轮箱设计对功率的影响因素 . 25 的合理设计对功率影响 . 25 5 齿轮箱的三维建模 . 26 件介绍 . 26 模截图 . 26 级行星系传动 . 26 级行星系传动 . 27 级平行轴传动 . 28 体图 . 28 体剖视图 . 30 6 技术经济性分析 . 32 件材料的经济性分析 . 32 案选择上的技术性分析 . 33 7 结论 . 35 致谢 . 36 参考文献 . 37 附录 A . 38 附录 B. 43 1 1 绪论 题的背景及意义 1）提供国民经济发展所需的能源 能源是国民经济发展和人类生活必需的重要物质基础。我国能源面临最突出的问题是国内化石类能源供应严重不足。一项关于我国未来能源供需报告曾预测， 2020 年国内可供应常规能源的量不到 2 亿吨标准煤，能源缺口将为 4 亿 至 5 亿吨，需要从国外进口。如果要减轻我国对石油和天然气进口的依赖，必须调整能源结构，大规模开发可再生能源。可再生能源将作为主要的替代能源，而风力发电则是可再生能源发展的重点，市场广阔、前景光明，将为国民经济发展提供更充足的物质保证。 2） 减少温室气体排放 风力发电是当前既能获得能源，又能减少有害气体排放的最佳途径之一。目前我国的电能结构中 75%是煤电，排放污染严重，增加风电等清洁能源比重刻不容缓。在减少温室气体二氧化碳和导致酸雨的二氧化硫等有害气体排放、保护环境、环节全球气候变暖方面，风电是有效 措施之一。 3） 提高能源利用效率 常规能源发电虽然直接成本较低，但其成本还应包括运输、环境、资源等社会因素，加在一起要比风力发电高得多。研究表明，这方面的成本大约要高出 40%,并且这些外部成本是以环境污染和资源消耗为代价的。风力发电由于基本没有外部成本，其社会成本就小得多。 力发电机的研究现状 内发展 风力发电 是我国现阶段用处最多，国民最喜欢的一种清洁的可再生能源，风力发电机的开发缓解了我国环境污染的现象，减少了 2生。煤炭的燃烧作为能源的使用大概是19 世纪之前采用的方式， 这种方式的大量使用 致使我国的环境现状一天天恶劣下去，部分地区出现了泥石流、洪水的侵袭等各种自然灾害。我国认识到这个问题之后，更加积极地将新能源的开发搬上国家建设的旅程表上，成为了全国上下一起努力的目标，这时出现的风力发电引起了国家的注意，当时我国属于刚起步状态，对于一些未知的技术我们处于无知状态，需要我们学习外国的先进技术，但是由于他们不是免费提供给我们，所以需要我 2 们花大价钱将其引进到国内，并对其进行研究和创新生产使用，应用到各个地区的开发的风力发电厂中。 由于风力发电机需要的地方广阔、周围居民少且建筑物少，因此大多将风力发电厂建立在偏远地区或者较荒芜的地区，但是这些地区的环境恶劣导致电网调节能力差，致使一些地区出现了弃电的现状。更是由于我国对于该新兴技术的不全面的了解，一些地区出现了安全隐患，如电的泄露、塔基的不稳定导致坍塌现象。 图 1风力发电现状 1国每年风电 利用小时数 概况 1-2 of of 3 图 1弃风数据表 1-3 1各省份近几年风力发电数据 1-4 in in 国外发展 1） 美国 美国 策（生产税抵免政策）延长实施四年或将促进 2017新增风电吊装容量创新高，接近 40电行业供需侧多种因素的影响下，预计大部分吊装容量将于2019、 2020 年实现并网，政治环境不稳定与施工资源短缺或将阻碍风电项目的开发。除此之外，近年来为了享有税务优惠而参与风电建设的投资商撑起了风电项目融资的半边天，超半数的吊装项目融资来自他们的资金支持，而如今遭遇企业所得税改革，对行业的投资热度将降低。边境政策的调整与其它电价措施的的出台也将阻碍本地供应链的发展，导致国内行业发展将越来越依赖于进口风机零部件。工程、采购与施工资源的短缺问题也迫在眉睫。 计加拿大风电市场将于 2017间，新增 装容量。 2017拿大东部省份 将成为新增容量主力地区，此后，由于政府对风电开发的支持力度不断削减、电力行业大规模的去碳化进程加快、电力需求走低，该区域的新增容量预测将减少。从 2019 年末起， 的电力采购需求将导致此后至 2026 年间，风电需求向西转移。对于加拿大东部的 而言，因美国东北部对加拿大水电需求较高，风电作为非水可再生能源可补足省内电力需求，该省将成为 2021 年后仍能保持较 4 高吊装容量水平的唯一一个东部省份。 2） 加拿大 加拿大自然资源部长称，随着加拿大将经济多样化提上日程，风能时代可能即将开始。参加区域能源大会的风能倡导者和政府官员们视察了魁北克地区，因为北美的能源格局正在转变。加拿大风能协会主席罗伯特奥尔南表示，需要更多依靠低碳资源来拉动经济增长。 同时说道： “我们有资源并且有技术”。据加拿大政府估计，该国的风电投资组合占全球第 8 位，装机容量已达 1200 万千瓦。一些省级政府正在主动开发清洁能源，萨斯克切温省正在努力发展且承诺在 2030 年之前达到 50 的电能从可再生能源中获取。 加拿大自然资源部长吉姆凯尔 称 ： “这很明显，风能的时代已经到来，我们的政府已经承诺要处理气候变化，并且我们知道风能将在这些努力中扮演决定性的角色。” 计内容 齿轮箱的工作过程为：风作用到叶片上，驱使风轮旋转。旋转的风轮带动齿轮箱主轴转动将动能输入齿轮副。经过三级变速，齿轮副将输入的大扭矩、低转速动能转化成低扭矩、高转速的动能，通过联轴器传递给发电机。发电机将输入的动能最终转化为电能并输送到电网。 本次毕业设计主要设计的是风力发电机的传动机构部分，把叶片转动产生的机械能转化为电能达到最大值，并且储存起来供用户或者工厂使用，其次还要考虑一些其他机构的因素和外在风力大小对整个风力发电机的影响。主要步骤为： 1） 选择齿轮箱的传动形式 2） 根据提供的总传动比分配分传动比 3） 根据传动比查表选择合适的齿轮数 、模数，并对齿轮进行校核 4） 设计各级传动轴 ，并对轴径最小的轴进行校核计算 5） 根据总体要求选择合适的 行星架、 箱体 6） 对风力机功率的影响因素进行分析 7）绘制三维模型，并对其进行仿真模拟 8） 对课题进行技术经济性分析 5 2 风力发电机的结构组成 力发电的原理 风力发电的原理 ： 叶片带动轮毂转动是因为风能带动叶片旋转运动的结果，同时轮毂与齿轮箱的主轴相连接，所以齿轮箱内部结构也会跟随着转动，轴的转动带动齿轮旋转，一级一级的传递下去，最后从齿轮箱的输出轴传递出去到发电机部分。 风力发电是目前一项新兴的再生能源可回收利用的技术，在世界各地都广发地应，并受各国资源局的青睐，同时该项技术不但缓解环境污染的问题，而且可再生能源的利用可促进了生态平衡。在部分地区已经建立了多个风力发电机，并已投入使用，取得显著的成果。 风力发电机 的组成部分主要有 8 个部分且 每一 份组成部分都起到了关键性的作用，且缺一不可。即：叶片、轮毂、机体、发电机、塔基、齿轮箱、发电机以及偏航系统 。 如图所示 : 图 2风能 回转机械能 电能 2 电机结构 图 2工作流程 26 风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一以大气为工作介质的能量利用机械。 机舱：机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。 转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。 轴心：转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。 低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。 齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的 50 倍。 高速轴及其机械闸：高速轴以 1500 转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。 发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。 偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风力发电机偏航。通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。 电子控制器：包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。 液压系统：用于重置风力发电机的空气动力闸。 冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。 塔：风力发 电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。 风速计及风向标：用于测量风速及风向 。 7 3 传动机构设计 计参数 表 3数表 3目 数量 总传动比 i 额定功率 /入转速 /出转速 /数 /m 104 1500 1800 19 120 由于风力发电机运转的环境恶劣，受力情况复杂， 因此 要求所用材料除了要满足机械强度条件 以 外，还应 该 能满足 在 极端温差条件下所具有的材料特性，比如抵抗低温冷脆性、冷热温差影响下的尺寸稳定性等。 由以上条件可知 外齿轮制造精度不低于 6 级， 即 齿面硬度 60 62太阳轮）和 56 58星轮） 。 与此 同时为提高承载能力，齿轮、轴类采用合金钢制造，具体为外齿轮采用 20料，内齿圈采用 42料。 计方案 案的讨论 对于兆瓦级风力发电机的齿轮箱的传动比一般在 100 左右，分为两种传动传动形式：一级行星齿轮 +两级平行轴传动和二级行星齿轮 +一级平行轴传动。传动系统多采用行星传动，因行星传动具有很有优点，如下： 1） 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； 2） 合理使用内啮合，共轴线式的传动装置，使轴向尺寸大大缩小； 3） 运动平稳 、 抗冲击和振动能力较强 但是行星齿轮传动也有一定的缺点，如下： 1） 结构形式比定轴齿轮传动复杂 、 对制造质量要求高 ； 2） 因体积小散热面积小，导致油温升高，对润滑和冷却要求严格。 8 步确定总体结构设计 根据以上分析的结果，采用二级行星传动 +一级平行轴传动的方式，提高了速比，降低了齿轮箱的体积。与此同时，主轴内置于齿轮箱的内部。不需要现场主轴对中；主轴轴承采用稀油润滑，效果更好；大大减小了机舱的体积。 如图所示： 图 3动机构的原理图 3of 动比的分配 根据参数，传动比为 1:104，电动机额定转速为800r/以风轮转速为 发n=i=18001041= （ 3 齿轮箱采用 号的形式，行星轮机构定为 2 级，每级传动比可按机械设计手册第四版第三卷中表 14得： 第一级行星轮传动比 ： 1i =二级行星轮传动比 ： 2i =一级平行轴的传动比 ： 3i=04= （ 3 数的选择 行星齿轮传动由于有多对齿轮同时参与啮合承受载荷，要实现这一目标行星轮各齿轮数必须满足一定的几何条件： 1） 同心条件：为了保证正确的啮合，各对啮合齿轮之间的中心距必须相等。太阳轮 的中心距等于行星轮 C 与内齿轮 B 的中心距。即： 9 （ 3 2） 装配条件：保证各行星轮能均布地安装在两中心齿轮之间，并且与两个中心轮啮合良好，没有错位现象。为了简化计算和装配，应使太阳轮和内齿轮的齿数和等于行星轮数目： =n （ 3 3） 邻接条件：必须保证相邻两行星轮互不相碰，并留有大于 模数的间隙，即行星轮齿顶圆半径之和小于其中心距 L。即： （CA ） 80 +2（ （ 3 4） 传动比条件： 1 （ 3 数的选用 1） 第一级行星轮系传动设计 第一级行星轮系选用 直齿圆柱齿轮 ，其 齿轮精度等级为 5级精度 。 当 1i =表 3星齿轮传动设计 19 0 119 则 = 4% 合理 （ 3 初选模数 m=16 齿顶高 1 =1 16=16 （ 3 齿根高 1 c ） m=（ 1+ 16=20 （ 3 齿高 1h = 11 fa =16+20=36 （ 3 齿宽 ： （ a=( 552=（ （ 3 10 太阳轮： 分度圆直径： 1m 16 19=304 （ 3 齿顶圆直径： 112104+2 16=336 （ 3 齿根圆直径： 11210420=264 （ 3 齿宽： （ 3 行星轮： 分度圆直径： 1Cd=6 50=800 （ 3 齿顶圆直径： 1100+2 16=832 （ 3 齿根圆直径： 10020=760 （ 3 齿宽： （ 3 内齿圈： 分度圆直径： 1m 16 119=1904 （ 3 齿顶圆直径： 1121904+2 16=1936 （ 3 齿根圆直径： 112190420=1864 （ 3 11 齿宽： （ 3 2） 第二级行星轮系传动设计 当 1i =，查表 3星齿轮传动设计 19 5 89 则 = = 4% 合理 (3 初选模数 m=14 齿顶高 =1 14=14 （ 3 齿根高 2 c ） m=（ 1+ 14= （ 3 齿高 2h = 22 fa =14+ （ 3 齿宽： （ a=( 378=(53.6) （ 3 太阳轮： 分度圆直径： 2m 14 19 =266 （ 3 齿顶圆直径： 22266+2 14=294 （ 3 齿根圆直径： 22226631 （ 3 齿宽： （ 3 12 行星轮： 分度圆直径： 2Cd=4 35=490 （ 3 齿顶圆直径： 290+2 14=518 （ 3 齿根圆直径： 29055 （ 3 齿宽： （ 3 内齿圈： 分度圆直径： 2m 14 89=1246 （ 3 齿顶圆直径： 222246+2 14=1274 （ 3 齿根圆直径： 2222246211 （ 3 齿宽： （ 3 3） 第三级平行轴圆柱直齿轮设计 当3i=， 1z 21 2z =55 初选模数 m=10 齿顶高 3 =1 10=10 （ 3 齿根高 3 c ） m=（ 1+ 10= （ 3 齿高 3h=33 fa =10+ （ 3 13 齿宽 a=( 380=（ 152456） （ 3 小 齿轮： 分度圆直径： 1d =m 1z = 2110 =210 （ 3 齿顶圆直径： 11d +2310+ 102 =230 （ 3 齿根圆直径： 11d 1085 （ 3 齿宽 b （ 3 大 齿轮： 分度圆直径： 2d =m 2z =10 55=550 （ 3 齿顶圆直径： 22d +2350+ 102 =570 （ 3 齿根圆直径： 12d 5025 （ 3 齿宽 b 轮的校核 在行星轮系传动中，太阳轮与行星轮间接触强度最大，故只需验证该啮合副齿轮接触强度即可。 功率的计算 P： 输出轴： 变P=1500 （ 3 14 轴： 3P=变P/ （ 3 轴： 2P = 3P / （ 3 轴： 1P = 2P / （ 3 主轴： P = 1P / （ 3 转矩的计算 T： 主轴 （ 3 轴 1T = （ 3 轴 1 2 7980 2212 T （ 3 轴 1 1980 2323 T （ 3 1） 第一级行星轮 传动 （ 1） 太阳轮 和 行星轮外啮合接触强度及弯曲强度校核： 太阳轮 A 和行星轮 C 的材料选用 20碳 +正火 +低温回火 ，齿面硬度 5662阅 机械设计 手册 （第四版） ，选取 =1500=480轴 转矩（输入轴） 3 15 太阳轮输入转矩为 4 3 9 8179 5 4 2 2 71 （ 3 太阳轮轮齿上的转矩为 = 19313 439 8151 . （ 3 式中 行星轮个数，； 太阳轮浮动时载荷分配的不均衡系数， 使用系数 动载系数为 3 式中 v 小齿轮 1z 的速度 m / 312230410060 . （ 3 计算 接触强度时的齿向载荷分布系数为 581400000303044001801510003018015122.)/(.d/b(.H （ 3 计算 弯曲强度时的齿向载荷分布系数 ( K （ 3 齿轮间载荷分布系数为 16 1 K （ 3 则综合系数为 （ 3 （ 3 齿面接触应力为 1 3 7 0 M P 8 9 4 （ 3中 钢制齿轮的弹性系数， 2N /m Z ； 节点区域影响系数， ； Z 螺旋角系数， 1 Z 重合度系数， 88036 5 31434 . （为 19 50) 圆周力 ，即： 151920002000 d (3齿面许用接触应力为 M P .i （ 3 17 式中 润滑系数 ，021220112125091011212509102240.)(.)(.速度系数 ，940955140115709304011570930 . 粗糙度系数， 即： 953030463211053101531008030803 .).(.d)u( 工作硬化系数， 1 接触强度计算时的尺寸系数 ，即： 9701600500510050051 .Z 所以 接触强度的安全系数为 : 合理 （ 3 太阳轮齿根弯曲应力为 M P 8 9 4 （ 3 式中 Y 重合度系数 7016531 750250750250 22 . .s. Y 螺旋角系数， 11201 Y ; 18 齿形系数， 。 齿根许用弯曲应力为 : MP 6MP l i mr e l Tr e l （ 3 齿根弯曲强度的安全系数为 : 合理 （ 3 （ 2)行星轮与内齿圈弯曲强度校核： 内齿 圈齿 轮的材料选用 42质，齿面硬度 60，查手册，选取H ， F 内齿轮齿根弯曲应力为 M P 8 9 4 （ 3 齿根许用弯曲应力为 MP l i mr e l Tr e l (3齿根弯曲强度的安全系数 1 故符合要求 (32） 第二级行星轮 传动 同 以上计算过程得： 19 94 20 1 故符合要求 (33） 第三级直齿轮 传动 同以上计算过程得： 7 9 91 9 6 1 故符合要求 (3的设计 速级传动轴尺寸 设计 因 为 传递的功率适中对重量 和 结构尺寸 没有 特殊要求，参考机械设计手册 ， 选用 轴 的材料 为 45 号 钢，调质处理。 根据轴的直径计算公式： m (3计算轴的最小直径并加大 3%用来考虑键槽的影响 . 查机械设计手册 知 A=107118，取 A=113 初定最小直径 ， 低速级传动轴不长，采用两端螺钉固定方式。然后按轴上零件的安装顺序，确定轴各数据。 间级传动轴的设计 因 为 传递的功率适中对重量 和 结构尺寸 没有 特殊要求，参考机械设计手册 ， 选用 轴 的材料 为 45 号 钢， 采用 调质处理。 根据轴的直径计算公式： mm购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 I 摘要 我国属于发展中国家，经济、能源与环境的协调发展是实现我国现代化目标的重要前提。我国是个能源大国，也是个能源消费大国，当前我国能源的发展面临着人均能耗水平低、环境污染严重、能源利用率以及可再生能源比例少等问题。因此，调整能源结构，减少温室气体排放，缓解环境污染，加强能源安全已成为全国关注的热点，对可再生能源的利用，特别是风能开发利用也给予了高度重视。风能是一种清洁的可再生能源，风力发电是风能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式之一 。 风力发电机的传动机构主要由主轴、齿轮箱、输出轴等部分组成，首先对齿轮箱进行设计，根据某型风力发电机所要求的技术匹配参数，选择适当的齿轮传动方案，在此基础上进行传动比分配与各级传动参数如模数、齿数等的确定，对于齿轮箱中的轴进行设计，并对齿轮、轴以及轴承进行校核，再考虑行星架、箱体的选用问题，最后在考虑其他因素对风力发电机的影响，进行三维仿真模拟。 关键词：风力发电机传动机构；行星齿轮传动；模拟仿真 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 is a of is an to is a a s is a of of to a of to of is a is of in of of of is of is to by a of is On as of to of to of is to of on 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 目录 1 绪论 . 3 题的背景及意义 . 1 力发电机的研究现状 . 1 内发展 . 1 外发展 . 3 计内容 . 4 2 风力发电机的结构组成 . 5 力发电的原理 . 5 电机结构 . 5 3 传动机构设计 . 7 计参数 . 7 计方案 . 7 案的讨论 . 7 步确定总体结构设计 . 8 动比的分配 . 8 数的选择 . 8 数的选用 . 9 轮的校核 . 13 的设计 . 19 速级传动轴尺寸设计 . 19 间级传动轴的设计 . 19 速级轴的设计 . 19 的校核 . 20 星架的选用 . 22 体的设计与选用 . 22 轮箱箱体设计 . 22 轮箱的冷却和润滑 . 22 轮箱的使用及其维护 . 23 4 影响风力发电机功率的因素 . 24 力大小对功率的影响 . 24 片附着物对其转动产生的阻碍因素对功率的影响 . 24 轮箱设计对功率的影响因素 . 25 的合理设计对功率影响 . 25 5 齿轮箱的三维建模 . 26 件介绍 . 26 模截图 . 26 级行星系传动 . 26 级行星系传动 . 27 级平行轴传动 . 28 体图 . 28 体剖视图 . 30 6 技术经济性分析 . 32 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 件材料的经济性分析 . 32 案选择上的技术性分析 . 33 7 结论 . 35 致谢 . 36 参考文献 . 37 附录 A . 38 附录 B. 43 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 1 1 绪论 题的背景及意义 1）提供国民经济发展所需的能源 能源是国民经济发展和人类生活必需的重要物质基础。我国能源面临最突出的问题是国内化石类能源供应严重不足。一项关于我国未来能源供需报告曾预测， 2020 年国内可供应常规能源的量不到 2 亿吨标准煤，能源缺口将为 4 亿 至 5 亿吨，需要从国外进口。如果要减轻我国对石油和天然气进口的依赖，必须调整能源结构，大规模开发可再生能源。可再生能源将作为主要的替代能源，而风力发电则是可再生能源发展的重点，市场广阔、前景光明，将为国民经济发展提供更充足的物质保证。 2） 减少温室气体排放 风力发电是当前既能获得能源，又能减少有害气体排放的最佳途径之一。目前我国的电能结构中 75%是煤电，排放污染严重，增加风电等清洁能源比重刻不容缓。在减少温室气体二氧化碳和导致酸雨的二氧 化硫等有害气体排放、保护环境、环节全球气候变暖方面，风电是有效措施之一。 3） 提高能源利用效率 常规能源发电虽然直接成本较低，但其成本还应包括运输、环境、资源等社会因素，加在一起要比风力发电高得多。研究表明，这方面的成本大约要高出 40%,并且这些外部成本是以环境污染和资源消耗为代价的。风力发电由于基本没有外部成本，其社会成本就小得多。 力发电机的研究现状 内发展 风力发电 是我国现阶段用处最多，国民最喜欢的一种清洁的可再生能源，风力发电机的开发缓解了我国环境污染的现象，减少了 2生。煤炭的燃烧作为能源的使用大概是19 世纪之前采用的方式， 这种方式的大量使用 致使我国的环境现状一天天恶劣下去，部分地区出现了泥石流、洪水的侵袭等各种自然灾害。我国认识到这个问题之后，更加积极地将新能源的开发搬上国家建设的旅程表上，成为了全国上下一起努力的目标，这时出现的风力发电引起了国家的注意，当时我国属于刚起步状态，对于一些未知的技术我们处于无知状态，需要我们学习外国的先进技术，但是由于他们不是免费提供给我们，所以需要我 2 们花大价钱将其引进到国内，并对其进行研究和创新生产使用，应用到各个地区的开发的风力发电厂中。 由于风力发电机需要的地方广阔、周围居民少且建筑物少，因此大多将风力发电厂建立在偏远地区或者较荒芜的地区，但是这些地区的环境恶劣导致电网调节能力差，致使一些地区出现了弃电的现状。更是由于我国对于该新兴技术的不全面的了解，一些地区出现了安全隐患，如电的泄露、塔基的不稳定导致坍塌现象。 图 1风力发电现状 1国每年风电 利用小时数 概况 1-2 of of 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 3 图 1弃风数据表 1-3 1各省份近几年风力发电数据 1-4 in in 国外发展 1） 美国 美国 策（生产税抵免政策）延长实施四年或将促进 2017新增风电吊装容量创新高，接近 40电行业供需侧多种因素的影响下，预计大部分吊装容量将于2019、 2020 年实现并网，政治环境不稳定与施工资源短缺或将阻碍风电项目的开发。除此之外，近年来为了享有税务优惠而参与风电建设的投资商撑起了风电项目融资的半边天，超半数的吊装项目融资来自他们的资金支持，而如今遭遇企业所得税改革，对行业的投资热度将降低。边境政策的调整与其它电价措施的的出台也将阻碍本地供应链的发展，导致国内行业发展将越来越依赖于进口风机零部件。工程、采购与施工资源的短缺问题也迫在眉睫。 计加拿大风电市场将于 2017间，新增 装容量。 2017拿大东部省份 将成为新增容量主力地区，此后，由于政府对风电开发的支持力度不断削减、电力行业大规模的去碳化进程加快、电力需求走低，该区域的新增容量预测将减少。从 2019 年末起， 的电力采购需求将导致此后至 2026 年间，风电需求向西转移。对于加拿大东部的 而言，因美国东北部对加拿大水电需求较高，风电作为非水可再生能源可补足省内电力需求，该省将成为 2021 年后仍能保持较 4 高吊装容量水平的唯一一个东部省份。 2） 加拿大 加拿大自然资源部长称，随着加拿大将经济多样化提上日程，风能时代可能即将开始。参加区域能源大会的风能倡导者和政府官员们视察了魁北克地区，因为北美的能源格局正在转变。加拿大风能协会主席罗伯特奥尔南表示，需要更多依靠低碳资源来拉动经济增长。 同时说道： “我们有资源并且有技术”。据加拿大政府估计，该国的风电投资组合占全球第 8 位，装机容量已达 1200 万千瓦。一些省级政府正在主动开发清洁能源，萨斯克切温省正在努力发展且承诺在 2030 年之前达到 50 的电能从可再生能源中获取。 加拿大自然资源部长吉姆凯尔 称 ： “这很明显，风能的时代已经到来，我们的政府已经承诺要处理气候变化，并且我们知道风能将在这些努力中扮演决定性的角色。” 计内容 齿轮箱的工作过程为：风作用到叶片上，驱使风轮旋转。旋转的风轮带动齿轮箱主轴转动将动能输入齿轮副。经过三级变速，齿轮副将输入的大扭矩、低转速动能转化成低扭矩、高转速的动能，通过联轴器传递给发电机。发电机将输入的动能最终转化为电能并输送到电网。 本次毕业设计主要设计的是风力发电机的传动机构部分，把叶片转动产生的机械能转化为电能达到最大值，并且储存起来供用户或者工厂使用，其次还要考虑一些其他机构的因素和外在风力大小对整个风力发电机的影响。主要步骤为： 1） 选择齿轮箱的传动形式 2） 根据提供的总传动比分配分传动比 3） 根据传动比查表选择合适的齿轮数 、模数，并对齿轮进行校核 4） 设计各级传动轴 ，并对轴径最小的轴进行校核计算 5） 根据总体要求选择合适的 行星架、 箱体 6） 对风力机功率的影响因素进行分析 7）绘制三维模型，并对其进行仿真模拟 8） 对课题进行技术经济性分析 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 5 2 风力发电机的结构组成 力发电的原理 风力发电的原理 ： 叶片带动轮毂转动是因为风能带动叶片旋转运动的结果，同时轮毂与齿轮箱的主轴相连接，所以齿轮箱内部结构也会跟随着转动，轴的转动带动齿轮旋转，一级一级的传递下去，最后从齿轮箱的输出轴传递出去到发电机部分。 风力发电是目前一项新兴的再生能源可回收利用的技术，在世界各地都广发地应，并受各国资源局的青睐，同时该项技术不但缓解环境污染的问题，而且可再生能源的利用可促进了生态平衡。在部分地区已经建立了多个风力发电机，并已投入使用，取得显著的成果。 风力发电机 的组成部分主要有 8 个部分且 每一 份组成部分都起到了关键性的作用，且缺一不可。即：叶片、轮毂、机体、发电机、塔基、齿轮箱、发电机以及偏航系统 。 如图所示 : 图 2风能 回转机械能 电能 2 电机结构 图 2工作流程 26 风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一以大气为工作介质的能量利用机械。 机舱：机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。 转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。 轴心：转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。 低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。 齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的 50 倍。 高速轴及其机械闸：高速轴以 1500 转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。 发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。 偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风力发电机偏航。通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。 电子控制器：包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。 液压系统：用于重置风力发电机的空气动力闸。 冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。 塔：风力发 电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。 风速计及风向标：用于测量风速及风向 。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 7 3 传动机构设计 计参数 表 3数表 3目 数量 总传动比 i 额定功率 /入转速 /出转速 /数 /m 104 1500 1800 19 120 由于风力发电机运转的环境恶劣，受力情况复杂， 因此 要求所用材料除了要满足机械强度条件 以 外，还应 该 能满足 在 极端温差条件下所具有的材料特性，比如抵抗低温冷脆性、冷热温差影响下的尺寸稳定性等。 由以上条件可知 外齿轮制造精度不低于 6 级， 即 齿面硬度 60 62太阳轮）和 56 58星轮） 。 与此 同时为提高承载能力，齿轮、轴类采用合金钢制造，具体为外齿轮采用 20料，内齿圈采用 42料。 计方案 案的讨论 对于兆瓦级风力发电机的齿轮箱的传动比一般在 100 左右，分为两种传动传动形式：一级行星齿轮 +两级平行轴传动和二级行星齿轮 +一级平行轴传动。传动系统多采用行星传动，因行星传动具有很有优点，如下： 1） 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； 2） 合理使用内啮合，共轴线式的传动装置，使轴向尺寸大大缩小； 3） 运动平稳 、 抗冲击和振动能力较强 但是行星齿轮传动也有一定的缺点，如下： 1） 结构形式比定轴齿轮传动复杂 、 对制造质量要求高 ； 2） 因体积小散热面积小，导致油温升高，对润滑和冷却要求严格。 8 步确定总体结构设计 根据以上分析的结果，采用二级行星传动 +一级平行轴传动的方式，提高了速比，降低了齿轮箱的体积。与此同时，主轴内置于齿轮箱的内部。不需要现场主轴对中；主轴轴承采用稀油润滑，效果更好；大大减小了机舱的体积。 如图所示： 图 3动机构的原理图 3of 动比的分配 根据参数，传动比为 1:104，电动机额定转速为800r/以风轮转速为 发n=i=18001041= （ 3 齿轮箱采用 号的形式，行星轮机构定为 2 级，每级传动比可按机械设计手册第四版第三卷中表 14得： 第一级行星轮传动比 ： 1i =二级行星轮传动比 ： 2i =一级平行轴的传动比 ： 3i=04= （ 3 数的选择 行星齿轮传动由于有多对齿轮同时参与啮合承受载荷，要实现这一目标行星轮各齿轮数必须满足一定的几何条件： 1） 同心条件：为了保证正确的啮合，各对啮合齿轮之间的中心距必须相等。太阳轮 的中心距等于行星轮 C 与内齿轮 B 的中心距。即： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 9 （ 3 2） 装配条件：保证各行星轮能均布地安装在两中心齿轮之间，并且与两个中心轮啮合良好，没有错位现象。为了简化计算和装配，应使太阳轮和内齿轮的齿数和等于行星轮数目： =n （ 3 3） 邻接条件：必须保证相邻两行星轮互不相碰，并留有大于 模数的间隙，即行星轮齿顶圆半径之和小于其中心距 L。即： （CA ） 80 +2（ （ 3 4） 传动比条件： 1 （ 3 数的选用 1） 第一级行星轮系传动设计 第一级行星轮系选用 直齿圆柱齿轮 ，其 齿轮精度等级为 5级精度 。 当 1i =表 3星齿轮传动设计 19 0 119 则 = 4% 合理 （ 3 初选模数 m=16 齿顶高 1 =1 16=16 （ 3 齿根高 1 c ） m=（ 1+ 16=20 （ 3 齿高 1h = 11 fa =16+20=36 （ 3 齿宽 ： （ a=( 552=（ （ 3 10 太阳轮： 分度圆直径： 1m 16 19=304 （ 3 齿顶圆直径： 112104+2 16=336 （ 3 齿根圆直径： 11210420=264 （ 3 齿宽： （ 3 行星轮： 分度圆直径： 1Cd=6 50=800 （ 3 齿顶圆直径： 1100+2 16=832 （ 3 齿根圆直径： 10020=760 （ 3 齿宽： （ 3 内齿圈： 分度圆直径： 1m 16 119=1904 （ 3 齿顶圆直径： 1121904+2 16=1936 （ 3 齿根圆直径： 112190420=1864 （ 3 购买后包含有 纸和说明书 ,咨
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