海上风电机组齿轮传动系统设计(含CAD文件图纸+说明书)
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通知提交的稿件已被美国中西部研究所（MRI）的员工接收，MRI是美国政府授权的一个代理机构，授权合同号：DE- AC36-99GO10337。相应地，美国政府和MRI持有免版税许可，可以免费出版和再版该文献，但是他们并不是唯一的免版税机构。由于政府管理的目的，也允许其它机构出版和再版该文献。本报告是作为一个由美国政府机构的代理处主办的一项工作的工作报告。无论是美国政府还是其任何代理机构，还是他们的雇员，都不会以明示或暗示的方式对信息、仪器、产品或过程说明的准确性，完整性，有效性进行任何担保，或承担任何法律责任，也不会声称它的使用不侵犯任何人的权利。本文中涉及的任何具体的商品，工艺，或服务的商品名称，商标，制造商，或其它方面，并不意味着美国政府或其任何代理机构对其的认可，推荐，或帮助。本文作者的观点和看法并不代表美国政府或其代理机构的观点和看法。 可用于加工费美国能源部和它的承包商，在论文中，从：美国能源部科学技术信息办公室62信箱橡树岭，TN37831-0062电话：865.576.8401传真：865.576.5728电子邮件：reports在纸上向公众出售，可用，来自美国商务部国家技术信息服务5285皇家港路斯普林菲尔德，VA 22161电话：800.553.6847传真：703.605.6900电子邮件：orders网上订购：/ordering.htm印上含有至少50%的废纸造纸，包括20%消费后废物可再生能源实验室测功机试验台风力发电机测试Walt Musial国家风力技术中心国家可再生能源实验室1617科尔大道金，共80401布瑞恩麦尼夫麦尼夫轻工业43狗岛路港湾，我04642简要一个新的设施，最近已完成在国家可再生能源实验室，允许风力发电机组零部件全面的测功机测试，完成从发电机的风力涡轮机。本装置设有一个2.5兆瓦的电机，变速箱，变速驱动系统提供轴扭矩。模拟风力机载荷MTS疲劳额定负荷系统等方面充分集成到设备。这将允许致动器循环荷载的结构在各种不同的方式。正式安然水平风公司已安装在设备的第一测试文章帮助成熟z-750系列风机设计的。试验包括制动控制系统调整，耐久性试验齿轮和轴承元件，和结构测试。功率变换器的某些方面也将测试。本文介绍了测功机试验台及其功能。同时，在综述水平测试的程序设计。介绍风力发电系统有较大的增长在过去的十年。虽然风电成本继续下降，每个涡轮机成本增加使原型的实证方法现场测试的风险越来越大。新的涡轮机的设计，兆瓦级的原型是昂贵的建立和长，单位生产时间消耗的生产利润。随着从原型到生产典型高峰，制造商经常发现问题太晚在大批量生产运行修正开始。这会导致过早的失败和昂贵的改造。风电机组传动问题的记录，包括变速箱故障和磨损，轴承生活问题，发电机故障，控制器引起的系统故障。1-3中可能出现的问创业初始，极端风力条件下，或可长期操作相关。在任何情况下，本及时发现和解决这些问题是在第一单元测试。多年来，汽轮机制造商依靠实验室检测的关键部件，如转子叶片，减少灾难性的现场事件的潜在风险。 4 直到现在他们没访问能够测试整个涡轮驱动系统的设施，这是所有发电机组的核心设计。在国家可再生能源实验室（NREL）一种新的测功机试验台（DTB）建试验风机的传动系统和组件。从行业要求出世，这个新设施极大地改变到新的风力涡轮机系统的评价方法。它现在被用来验证的安然传动设计正式标记物风公司z-750涡轮系统。设备描述一般描述DTB位于美国国家风能技术中心（NWTC）是致力于测试风电机组传动系统。这些通常是由一些组合的齿轮，联轴器，轴承，轴，润滑系统，齿轮箱，发电机，控制器，和电源转换系统。这可以从100千瓦到2.5兆瓦的范围内测试系统大小。测功机的原动机是一个可变的扭矩，变速电动机控制的变频驱动系统。这4160伏电机连接到一个2.5兆瓦，三级行星变速箱。测试文章可以连接到电机的高速轴，齿轮箱的低速轴，或一个中间轴不同的速度和扭矩的要求 显示了作战能力在每个轴。系统的控制逻辑允许的转矩和速度可连续变化，通过手动操作命令信号或自动的方式数据采集与监控（SCADA）命令。图1显示了两个信封，每一个驱动轴的选项，和一个实际的风力涡轮机设计极限曲线，用以指导测功机设计。一组有代表性的实际风涡轮机的设计（现有的或计划中的）被表示为在这个图的数据点。这些数据根据其额定输出乘以1.3和1.7之间的一个因素。这是近似的的缩放因子，必须加快全寿命运行到几个月耐久性试验在连续运行。驱动电机和变速箱总成安装到169千牛（38吨）升降驱动表中有一个3.05-m垂直调整的跨度（10英尺），倾斜的能力从0到6度。一个1.52（5深口袋驾驶台下允许表的顶部将0.61米（2-ft）以下等级水平。这个范围可以容纳多达3.05-m轴的高度（10英尺）。图12.5MWNREL的测功机操作信封表2借助四222千牛（50吨）电动螺旋千斤顶，位于该表的每一个角落。螺旋千斤顶操作前后对绝对定位精度25毫米。（0.010）。这种微调能力是内置到系统允许精确分析传动系统的轴和试验第轴。在适当的位置时，表在两反应墙对驾驶台两侧的垂直面。此连接采用10角钢支架，螺栓通过驱动表和附加到垂直的T型槽，加工成钢板安装到墙上。表的运动是由一个可编程逻辑控制器（PLC）接收的确切位置从绝对位置编码器位于每个螺旋千斤顶的信息。这一信息翻译由PLC为轴的位置和角度。设施配备222千牛（50吨）电动桥式起重机运行的长度27.4-m（90英尺）试验台。吊挂件与多个控制速度的能力。所有的测试文章被机械地耦合到一个驱动系统中的三轴。测试的物品安装槽底板嵌入在工厂的南端地或网格或者网墙图22.5MWNREL的测功机电源回路图2显示的电源回路原理图工具布局A的形成。一轴功率转换设备它是由测试电气能源和可再生反馈到第nwtc电网在480。4160伏供电或电压，它是由reused测功机。只有在传动系统的功率损失需要添加的属性显示在外面10枢纽设施保持系统运行在稳定州立。图3显示图片的数据。轴的弯曲载荷大多数的风力涡轮机所经历的负载是由风的作用在主轴轴的扭转和弯曲。虽然许多动力，动力，和惯性的影响结合创建不同的负载情况下，每一个的情况下，通常可以减少扭转和在主轴/集线器接口弯曲反应。轴的扭转往往是足够的测试时一个给定的设计齿轮的齿。然而，如果一个测试的齿轮箱，轴承，轴，支撑台板，偏航，或联轴器所需的附加轴的弯曲载荷，必须应用。测功机驱动生产扭振，但弯曲载荷必须由侧加载千斤顶轴系统中的应用。在国家可再生能源实验室测功机，轴弯曲采用液压伺服系统，和致动器能够提供高达110的事。采用液压驱动系统，轴的弯曲载荷，可随着涡轮轴的旋转同步给周期，每转轴荷载，代表再生能力在现场的瞬态条件下的风力涡轮机驱动系统的组件可能加速或减速。对于一个真正的模拟操作风轮机的转动惯量和刚度测功机的旋转部件应符合试验第转子系统。这是不容易的因为这些属性是固定在测功机的设计。然而，惯性匹配可以通过增加或减少测功机驱动功率闭环转矩控制下的实现模拟代表转子质量属性的期望加速度，在转速变化。刚度匹配可以通过聪明的杰克轴设计完成。转矩和速度控制测功机驱动可以运行在转矩控制和速度控制。在速度控制模式，测功机可以使用手动油门控制盘操作，或者它可以通过驱动按照规定的速度时程的SCADA系统。这种模式具有测试是有用的z-750变频调速系统的。然而，速度控制可能不是很有用，当测试一个固定的速度异步或同步发电机系统，或当惯性的影响是至关重要的。转矩控制模式并不完全决定它，但它可能证明比起发电功率输出固定或可变转矩负载更加有用的影响我们的发电机速度。瞬态负载测试将需要平衡旋转惯性扭矩控制t。最终目标是形成风的力量测试项目的实际控制系统来符合时间随机的湍流波动。在闭环控制，随机风时程将被用来计算实时扭矩值，通过简单的CP与（能量系数与尖端的速度比）的传输函数，或通过更复杂的代码，如aerodynamics你aerodyn6 。涡轮来控制适当的控制器功能。类型的测试测功机测试的主要优点是负载测试机可以控制。的测试类型分为风力机系统测试和组件测试。在大多数情况下，你必须安装的风力发电机组传动系统进行测试，代表从传递荷载测功机。一些测试，也可以进行不同类型的描述如下，但作者不认为这是一个详尽的列表。风力发电系统试验传动系统的耐久性试验耐久性试验是为了证明一个特定的疲劳寿命驱动系统确保它能够生存的整个工作生活。耐久性试验将涉及3至6在高负荷下连续运行数月，结合重大应用瞬态负载的情况下，长期运行的频谱部分。横向轴载荷作用下模拟实际操作转子弯曲载荷可以影响齿面接触应力和疲劳，轴承的寿命，轴和轴承座。这样的测试要求高，稳态功率水平的变化1.31.7倍的额定容量的测试文章。紊流风场模拟测试，这种测试可以证明的正确操作在设计工况下汽轮机系统。操作底盘测功机的闭环转矩控制下，随机风场数据是利用反馈计算机算法转换成轴扭矩从机的控制系统。严重的随机转矩条件下可以模拟要求在所有条件下其操作的限制进行汽轮机控制系统。加载事件测试这种类型的测试可以在极端测量汽轮机系统的响应操作事件。短暂的扭转和弯曲载荷对传动系统进行模拟真实的战场环境。惯性系统可以使用的再生动力系统匹配电动变速传动。横向弯曲载荷可应用于传动轴，轴承座或偏航系统重现特定的设计载荷情况。这种类型的测试还包括自诱导载荷来自测试机的部件和不进入转子系统。的例子自我诱导的负载制动系统试验，发电机故障和电网故障，发电机和正常瞬变。组件测试个别涡轮组件的测试通常是测试与评价的重点对于整个系统。测功机可以用于各种其他成分的排位和优化在现场安装或改造。可以进行测试，对齿轮，轴，轴承座，轴承，分离发电机，控制系统，制动，或电力电子元件，有或没有代表性的传动组件。变速箱试验齿轮箱在风在广泛的现场故障源工业。它往往是必要的测试，评估，优化操作对个人的影响变速箱的部件来增加或降低机组成本的生活。 7 一些齿轮测试包括：评估和减轻轮齿载荷，评估和减轻齿面磨损机制，优化齿轮的润滑性能，优化油系统的水平，温度，和过滤，齿轮箱应力测量，轴承寿命试验，并评估适当的齿啮合特定负载下建立最佳的铅和剖面修改。发电机发电机是的动力系统的一个重要组成部分。它有助于显着的机械载荷产生在正常运行时，整个传动系统故障。的一系列的条件下发电机的性能可以被分离和测试仪。一些发电机测试包括：评价电气特性和故障设置，评价轴承和绕组温度，转矩速度特性测量，确定起动转矩和极端的操作性能，决定系统的效率，并瞬态响应特性的测量。控制系统也可以在这个过程中，评估。这可能是高还是低了速度（直接驱动）发电机。为了适应直接驱动发电机，可能有过大的径向尺寸，测功机测试湾坑建成的试验段地板。在这些情况下，部分发电机可以安装在坑下面的测试海湾地板表面允许适当的高度以测功器输出轴匹配。z-750测试程序z-750背景在成本分担美国能源部（DOE）/国家赞助的近期研究测试包，探测器已经努力降低的安装成本制造z-750系列风机通过价值工程方法。支持活动，公司已经安装了一个完全风力涡轮机配置z-750DTB评估降低成本的同时保持措施高质量和忍受各种操作和设计荷载的能力。我们的组件在这个测试程序集中包括齿轮箱，齿轮元件，轴和联轴器，制动器，并且，在某种程度上，轴承。测试分成四个阶段：接触试验，制动事件测试，微点蚀试验，和耐久性试验。这些讨论，下面描述的目标和过程。 齿面接触试验接触进行测试，以验证正确啮合的齿轮弹性加载过程中发生的。这是在不同的负载水平，使用一个简单的齿轮齿的绘画技术显示磨损模式。测功机需要做的好是因为它很难选择正确的并在该领域的可重复的负载水平。结果在设计，制造，质量流程优化齿轮的几何形状和材料。这一阶段已成功完成的z-750s当前齿轮组。图4显示的例子的磨损模式观察运行在恒定的负荷测功机1小时。图4控制磨损齿轮的齿面接触模式的例子制动事件试验z-750配备的高速，安装于轴上，弹簧制动，液压释放允许停止转子在发生变桨系统故障。这种冗余的系统称为在国际电工委员会（IEC）标准 8 和德国劳埃德批准文件。第二阶段的测试减少制动反应载荷通过驱动器列车虽然各种减灾技术。这些技术主要集中在减少制动反应时间而提供的转矩上升温和和传动反应。作为通过麦尼夫等人 3 在一个显而易见的和可重复的描述，在这些传动负载减少方式可以允许同时减少需要正确地传递这些载荷系统元素。这，当然，会导致较低的成本结构。这一阶段也被成功地完成后四这种方法的评价。微点蚀试验微观点蚀的研究3期目前正在进行中，而且，迄今为止，最激动人心的一，因为它可以有一个广泛的各大未来风电齿轮箱的设计实践的影响水轮机模型。微蚀是失败的前兆，是目前流行的水平在整个风电行业（以及其他行业以及），是保形的啮合齿轮表面研磨效果结果在细（100在）在表面凹坑。这些细坑在短时间内深的凹陷，穿透硬化。最终，可适当降低表面传递和反应的接触应力和弯曲载荷，从而加剧了问题。这可以导致宏观点蚀和牙齿过早失效。安然想主动减少任何可能的过早损坏曝光评估各种微点蚀的抑制方法。鉴于此，3阶段的重点是第一建立基线微点蚀特征通过加速高功率操作。然后各种缓解方法将测试量化的差异。这些方法包括替代表面光洁度，表面电镀，和特种润滑油和润滑油添加剂。耐久性试验最后，最好从测试前三个阶段产生的产品配置进行评估在4期的最后一个耐力测试。这耐力测试将需要几乎连续运行（与系统检查和定期维修站）在一个约1000千瓦的功率水平的升高。此外，非对称转子载荷，横摆动作，和其他的时刻也会使用轴模拟安装执行器。预计1600至2000小时将需要模拟人生30年这个测试的文章。总结一个2.5兆瓦发电测功机设施已在国家风能技术中心完成的，和首先本文试验已被用于成熟的风力发电机组和设备本身。预计这种新的测试工具将加快风力涡轮机的设计的成熟和更可靠的风在100千瓦范围内的涡轮机和传动部件2.5兆瓦。设计工况模拟可以直接应用到完整的风力涡轮机在实验室环境中。这样的模拟包括瞬态加载，耐力测试，和不寻常的负载的情况下。齿轮的齿面接触测试和制动负荷减轻测试已经完成了第一次测试的文章，z-750安然风。齿轮齿微点蚀机制和减灾技术测试现在下路，和涡轮不久将进行一个完整的系统耐久性试验。致谢我们要感谢许多人帮助在测功机发展活动他继续做这个项目的顺利。特别感谢风公司和安然支持和耐心，他们在等待测功机可完成了促进第一次测试的文章。个别的，我们要认识到安然风人员，汤姆nemila，阿米尔米哈伊尔，克雷格克里斯特森，卡尔寇地兹，杰森诺特，弗莱德大通。同时，我们将想认识齿轮神，ED海勒拜克和鲍勃errichello谁已经提供了非常宝贵的建议在整个项目。教育过度，导致技术人员和测功机的看门人在NREL也称赞他的部分保持平稳运行。感谢托比Stensland，科罗拉多永融，谁负责SCADA系统及软件开发。吉姆和约翰逊李明博fingersh贡献从一开始就和在使测功机在线工具。最后，感谢美国能源部资金支持致力于发展测功试验台。参考文献1。麦尼夫，B.，W.D.的位置，和R.errichello，不同风齿轮疲劳寿命的变化涡轮制动策略。1990，太阳能研究所：黄金，科罗拉多美国。2。汤姆森，K.S.Petersen，变速箱持续加载对失速试验研究和变桨距风力涡轮机。”1992，罗斯基勒，丹麦Risoe国家实验室。3。麦尼夫，B和Y，J manwell，谢。一个风力涡轮传动系统分析程序的开发。美国风能协会-风能94。1994。明尼阿波利斯，锰。4。范格罗尔，S.，强度和大型风力机转子的疲劳试验结果在转子叶片的机械试验ecn-i95-0041995，ECN佩滕问卷，荷兰。5。凯利，北达科他州，NWTC设计规范（snlwind-3d），随机，全流场，紊流风用叶和基础设计规范空气动力学仿真。2000，民族风技术中心。6。汉森，交流和C.P.巴特菲尔德，水平轴风力机空气动力学。年度流体力学的评论，1993（25期）。7。AGMA，“风和规格的变速箱设计的推荐做法涡轮发电机系统”。1997，美国齿轮制造商协会：亚历山大，VA美国。8。iec-8898FDIS，风力涡轮发电机系统，1部分：安全要求。”1999，国际电工委员会：日内瓦 届毕业设计（论文）开题报告题 目海上风电机组齿轮传动系统设计(一级行星轮系)作者姓名学号所学专业机械设计制造及其自动化1、 研究的意义：近年来，随着人们对风力发电越来越重视，风电产业迅猛发展。目前，水平轴风力发电机在风力发电中仍占据重要位置，而由于风电齿轮箱的故障率较高，风电齿轮箱设计制造的关键技术一直是困扰我国乃至世界风电快速发展的重要因素，特别是随着风力机单机容量的不断增大，大型风电齿轮箱设计制造需要考虑的因素越来越多。风电机组在运行过程中，齿轮箱往往过早损坏，其原因主要是风电齿轮箱轴承在复杂载荷作用下的寿命难以估算，导致轴承过早损坏，另一方面，尽管目前对轴承寿命的计算方法繁多，但并没有能准确评估现代轴承寿命的计算方法。此外，对风电齿轮箱的强度计算方法和复杂载荷的处理也不尽完善。因此，对大型风电齿轮箱装置展开系统、深入的分析研究对风电的发展具有重要意义。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。2、国内外现状：目前我国兆瓦以上风电此轮增速箱多依赖国外厂商供应，成本居高不下，不利于风电市场进一步大规模开发，风电技术的国产化是我国发展风电领域正在面临的重要问题。而风电增速箱又是风电机组的核心部件，是瓶颈技术。风电增速箱的结构往往受机组选型的限制。国内研制出的风电齿轮箱多是对国外产品的单一仿制。由于国内外的风况、气候不同，风电场使用保养水平、原材料以及制造安装水平都不一样，大部分进口或国产齿轮箱都运行不足三年而停机或者大修。原因有很多其中设计落后是最重要一方面。国内风电齿轮箱的发展前景广阔，但是起步晚、技术落后。机遇与挑战并存。在设计的过程中综合考虑体积、质量、可靠性、经济性、安全、实际结构、热处理、工作坏境等因素，指导生产实践没事我国风电产业当前发展的要务。3、存在的问题： 虽然我国风力发电事业发展很迅猛，我国也已经进入风电大国的行列。但是其生产设备却长期依赖进口，在自主开发风力发电机等方面还比较落后。特别是像兆瓦级风电机的齿轮传动系统等技术领域还有待进一步发展。同时风能一般分布在沿海的岛屿、交通不便的边远山区、地广人稀的草原牧场以及远离电网的边疆。相比其他能源来讲有着密度低、不稳定、地区差异大的劣势。这对我国风电事业的发展也是一个巨大的考验。 纵观世界风电产业发展现状，风力发电技术将呈现如下发展趋势：开发更先进的风况分析系统研制大容量、高可靠性、低成本风力发电机组以及轻量型、高可靠性的海上风力发电机组；风力发电方式将以陆上风力发电为主，并积极拓展海上风力发电。1、 研究目标、内容和拟解决的关键问题（根据任务要求进一步具体化）研究目标： （1） 对齿轮箱选用合理的结构、增速比和材料。设计质量好、重量轻、空间体积小、运行稳定的大容量风电机组齿轮传动系统。（2） 引用风力机的风轮叶片设计及塔架设计，从而完成整个风力发电机的设计。主要内容：本设计需要先了解风电发电机及其传动系统齿轮箱的工作原理和结构特点，确定计算载荷，设计主要零部件（包括齿轮、轴承和主轴的设计），对各部件进行强度校核，润滑与冷却，完成风电传动部件齿轮箱的装配图及零件图。最后，引用风力机的风轮叶片设计及塔架设计，从而完成整个风力发电机的设计。进程： 第一阶段：开题阶段 3月9日至3月20日，收集、查阅和整理设计资料，完成3000字的文献翻译，完成毕业实习报告和开题报告。 第二阶段：设计阶段 3月231日-4月10日， 齿轮传动系统方案选择、传动比分配，传动结构造型等整体方案设计与计算。 第三阶段：计算阶段 4月13日至4月24日 齿轮、轴、轴承等关键传动结构件的设计计算，绘制零件图。 第四阶段：绘图阶段 4月27日至5月 8日 传动系统装配图绘制。 第五阶段：毕业答辩 5月11日至 5月22日 设计计算说明书的编制、整理、修改、定稿，准备答辩解决的关键问题风力发电机床系统主要是将能量由叶轮传递至发电机。传动系统主要包括主轴、主轴承、齿轮箱、高速轴、联轴器等部件。而本课题的主要部分是对风电机传动系统的设计，所以有可能遇到的主要问题：（1）准确对传动方案的分析；（2）确定齿轮箱的传动比的分配；（3）对轴承的尺寸进行确定；（4）选择合理的轴承类型； （5）对箱体和总体结构的确定；（6）对箱体主要部件载荷的计算和校核； （7）确定冷却温度和润滑系统； （8）对整个部件的装配图和零件图的绘制；这些问题都是设计该风机传动系统的关键问题，在设计过程中，本人将通过查阅有关文献资料和向老师咨询的方法来解决。2、 拟采取的研究方法、步骤、技术路线(1)查阅资料，熟悉国内外风电机及其传动系统齿轮箱的现状和发展趋势。(2)理解风电传动系统齿轮箱工作原理及结构分析，确定齿轮箱总装设计思路。(3)建立准确的分析模型，准确求解受载轮齿的载荷分布。(4)完成主要零部件设计并进行强度校核。(5)绘制零件加工图，选定加工工艺。(6)编写设计说明书。3、 拟使用的主要设计、分析软件及仪器设备主要设计、分析软件： CAD软件（绘制二维装配图和零件图）仪器设备： 本课题主要是对大容量风电机组齿轮传动系统设计，所采用的设备仪器是普通计算机。 4、 参考文献 B：1 潘存云， 机械原理M、 长沙、 中南大学出版社、 2011 2、何显富、风力机设计、制造与运行 北学工业出版社 2009 3、芮晓明、 风力发电机组设计 北京、 机械工业出版社 、20104、姚兴佳、 风力发电机组原理与应用北京、 机械工业出版社、 20095、赵振宙、 风力发电机原理与应用、北京、 中国水利水电出版社、20116、TonyBurton 、风能技术、 北京、 科学出版社、 20077、牛山 泉、风能技术、 北京、 科学出版社、 20098、诺迈士、 风电传动系统的设计与分析、 上海、上海科学技术出版社、20139、李俊峰、 风力 北京、 化学工业出版社、200510、李 斌、 未来世界风电发展大趋势J、北京、哈尔滨大电机研究所、200811、刘忠明、风力发电机齿轮箱设计制造技术的发展与展望J、机械传动、200612、成大先、机械设计手册第三卷、 北京、 化学工业出版社、1993 13、叶伟昌、机械工程及自动化简明设计手册、 机械工业出版社 14、关慧贞、机械制造装备设计、 北京、 机械工业出版社 15、濮良贵 纪名刚、 机械设计、 北京、 高等教育出版社 16、郝桐生、 理论力学、 北京 高等教育出版社 17、刘鸿文、 材料力学、 北京 高等教育出版社 18、李俊峰、 中国风电发展报告、 北京、 中国环境科学出版社，2008 19、施鹏飞、关于中国风电发展的思考、电力技术经济、 2006 20、熊礼俭、风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及规范使用手册、 北京、中国科技出版社、2003 21、GBT 19073、风力发电机组一齿轮箱、 北京、中国标准出版社、2003 22、赵洪杰、风力发电的发展状况与发展趋势、水利科技与技术、 2006 23、周思刚、我国风力发电技术的现状及发展、中国电工技术学会、2005 24、李树吉、风电齿轮箱的优化设计 、 新能源出版社、 2000 25、秦大同、兆瓦级风力机齿轮传动系统动力学分析与优化、 重庆大学学 报、2009 26、杜朝辉、风力发电的现状与关键技术、上海交通大学机械与动力工程学 院、上海、2004 27、王品晶、风电齿轮箱的发展及技术分析、机械传动、 2008 28、刘忠明、风力发电齿轮箱设计设计制造技术的发展与展望、机械传动、2006 29、汤克平、风电增速箱结构设计叙谈、 机械传动、 2004 30、饶振钢、行星齿轮传动设计、 北京、化学工业出版社、2003 31、机械设计手册编委会、 机械设计手册、 北京、 机械丁业出版社、 2004 32、齿轮手册编委会、齿轮手册、 北京、 机械工业出版社、 2000 注：1、开题报告是本科生毕业设计（论文）的一个重要组成部分。学生应根据毕业设计（论文）任务书的要求和文献调研结果，在开始撰写论文之前写出开题报告。2、参考文献按下列格式（A为期刊，B为专著）A：序号、作者（外文姓前名后，名缩写，不加缩写点，3人以上作者只写前3人，后用“等”代替。）、题名、期刊名（外文可缩写，不加缩写点）年份、卷号（期号）：起止页码。B：序号、作者、书名、版次、（初版不写）、出版地、出版单位、出版时间、页码。3、表中各项可加附页。5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 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 ProE Then, the tooth surface contact stress of the gear transmission is calculatedKey Words：the wind power ，Gearbox for Wind Turbine；Structure Design；Parametric Modeling目录Abstractii1.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。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%。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。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。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。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，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；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。两者比较决定采用第二种方案,即一级行星+两级平行轴圆柱齿轮传动。 图2.3本设计采用的结构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系各齿轮齿数必须要满足一定的几何条件。(1)保证两太阳轮和系杆转轴的轴线重合，即满足同心条件 。 (2)保证3个均布的行星轮相互间不发生干涉，即满足邻接条件。 （2.1）(3)设计行星轮时，为使各基本构件所受径向力平衡，各行星轮在圆周上应均匀分布或对称分布。为使相邻两个行星轮不相互碰撞，必须保证它们齿顶之间在连接线上有一定问隙。保证在采用多个行星轮时，各行星轮能够均匀地分布在两太阳轮之间，即满足安装条件 c为整数，装配行星轮时，为使各基本构件所受径向力平衡，各行星轮在圆周上应均匀分布或对称分布。(4)保证轮系能够实现给定的传动比，即满足传动比条件。当内齿圈不动时有 以上各式中： 中心太阳轮齿数；行星轮齿数；内齿圈齿数；K行星轮个数；ha*齿顶高系数。2.2齿轮参数确定2.2.1行星轮系的齿轮参数根据行星轮系的传动所需要满足的条件。两级定轴的传动比，则一级行星传动，角标1表示低速级输入端， ，每个行星轮的传递的功率P=5000KW，工作寿命为20年。参数计算：1.选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数：1）选择直齿圆柱齿轮。2）齿轮精度等级为5级精度。3）材料选择为20CrMnMo,热处理应为淬火。4）初选小齿轮齿数为，取30。 ，A= /=3.8 E = A =5.472 查得 =5.1式中：齿轮的接触疲劳极限； 载荷不均匀系数； 对分度圆直径的齿宽系数； 动载荷系数 接触强度计算的寿命系数； 接触强度计算的齿向载荷分布系数； 齿面工作硬化系数；2.按齿面接触强度设计 （2.2）1)确定公式内各计算数值2)计算 根据经验选取螺旋角压力角 (1)配齿计算取 /= C ， 适当调整=5.1 5.1/ 3 = 34, =20 , = c-=82=0.5(-)=31 采用不等角变位，取=30，则 j=1.01查图可得适用的预计啮合角2426 1820.8 预选=25(2) 按接触强度初算a-c传动的中心距与模数 太阳轮和行星轮材料选用渗碳淬火，齿面硬度HRC58-62，选取 齿宽系数， 齿数比模数 取=28 未变位时 按预取啮合角=24.5可得ac传动中心距变动系数 则中心距 a= a取a=720计算a-c传动的实际中心距变动系数Y和啮合角 =25.05(3)计算ac传动的变位系数查图校核，在与线之间，为综合性能较好区，可用。查图分配变位系数艺=022，=O251(4)计算c-b传动的中心距变动系数及啮合角c-b传动未变位时的中心距 =734.28mm =25.27(5)计算c-b传动的变位系数 =-0.547(6)重合度计算 =1.4336 =1.0508其中行星轮系的参数为分度圆直径齿宽内齿轮R精度等级为6级。2.2.2圆柱级齿轮参数1.高速轴上的齿轮的设计 输入功率，小齿轮转速为294.79/min,传动比i=3.9811,工作寿命20年。 （1）选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数：1）选择斜齿圆柱齿轮。2）齿轮精度等级为5级精度。3）材料选择为20CrMnMo,热处理应为淬火。4）初选小齿轮齿数为。5）初选螺旋角。（2）按齿面接触强度设计1)确定公式内各计算数值2)计算 计算齿宽b及模数 m=30 计算纵向重合度=1.586 计算载荷系数=1.4332.中间轴上的齿轮设计 输入功率=5315.3KW，小齿轮的转速为61.71r/min。传动比i=4.774,传递的转矩=N.mm，使用寿命为20年。（1）选定齿轮类型，精度等级，材料及齿轮1）选择斜齿圆柱齿轮。2）齿轮精度等级为5级精度。3）材料选择为20CrMnMo,热处理应为淬火。4）初选小齿轮齿数为。5）初选螺旋角（2）按齿面接触强度设计1)确定公式内各计算数值2)计算 计算齿宽b及模数 m=13 计算纵向重合度=1.0317 计算载荷系数=1.4121高速轴上的一对齿轮系参数为：中间轴上的一对齿轮的参数为：2.3受力分析与静强度校核2.3.1受力分析行星齿轮传动的主要受力构件有中心轮、行星轮、行星架、轴及轴承等。为进行齿轮的强度计算，需要对行星轮以及太阳轮进行受力分析。当行星轮数目为3。假定各套行星轮载荷均匀，只需分析其中任一套行星轮与中心轮的组合即可。通常略去摩擦力和重力的影响，各构件在输入转矩的作用下平衡，构件间的作用力等于反作用力。图2.4行星传动受力分析行星架输入功率为，太阳轮输出功率为，增速传动比为i，太阳轮节圆直径为dl，根据斜齿圆柱齿轮传动受力分析公式，齿轮所受切向力、径向力、轴向力分别为：式中：法面压力角 分度圆螺旋角 主动轮齿宽中点处直径 主动轮分度圆直径 表示额定转矩 按照上述公式计算低速级各个齿轮的受力情况行星轮传动强度的校核计算齿轮强度计算（齿面接触疲劳强度计算）a-c传动的接触强度太阳轮 （2.4）行星轮 （2.5） 许用应力计算 （2.6）满足要求满足要求2c-b传动的接触强度（计算应力）行星轮内齿圈许用应力计算满足要求满足要求表2.1 5MW风力机输入级齿轮接触强度校核结果太阳轮 行星轮行星轮 内齿圈1.31.31.051.051.251.251111112.52.50.960.92111500110015001100111111111111875.8342.761172.76524.312501000a-c传动的齿根弯曲疲劳强度（计算应力） （2.7）许用应力计算 满足条件b-c传动的齿根弯曲疲劳强度许用应力计算 满足条件表2.2 5MW风力机齿轮弯曲强度校核结果太阳轮 行星轮行星轮 内齿圈0.850.671.051.051.31.31.251.25113.23.053.052.9511600480600480220.920.92111111525.3342.76286.4280.5513.87513.892.3.2低速级外啮合齿面静强度计算（1）低速级接触强度计算：依据要求，按3倍额定功率计算静强度。(其余啮合齿轮副的计算步骤，结论与此相似。)载荷：式中: 计算切向载荷，N； 齿轮分度圆直径，mm 最大转矩，N.m 修正载荷系数：因已经按最大载荷计算，取使用系数。计算安全系数 式中：静强度最大齿面应力， （接触应力）式中：小轮分度圆直径； 齿宽； 齿数比； 使用系数； 动载荷系数； 寿命系数； 节点区域系数； 弹性系数； 接触强度计算的齿向载荷分布系数； 接触强度计算的齿间载荷分布系数； 接触强度计算的重合系数； 接触强度计算的螺旋角系数； （式中各数据通过查机械设计手册第三版第三卷表14-2-9（强度计算公式中个参数的确定方法）得到。） 使用系数查表 =1.3 动载荷系数 其中， （齿轮精度5级，查表得）； 齿向载荷分布系数 太阳轮浮动，对对称支承，查表得： 齿间载荷分布系数 查机械设计手册得 =1 节点区域系数 （其中） 弹性系数 重合度系数 （其中，按算） 螺旋角系数 其中按接触应力 =878.83 寿命系数 工作硬化系数 而安全系数 代入上述值：得到 故符合要求，具有高的可靠度。（2）中间级接触强度计算参照上述低速级接触强度计算步骤和公式，得到中间级齿面计算接触应力各项系数如下表所示： 表2.3 中间级齿面计算接触应力各项系数系数值1.31.0251.1312.252189.80.87450.9950.91 代入以上系数，计算接触应力 按接触应力 =928.74 计算安全系数 =1.438 故符合要求。（3）高速级接触强度计算参照上述低速级接触强度计算步骤和公式，得到高速级齿面计算接触应力各项系数如下表所示：表2.4高速级齿面计算接触应力各项系数系数值1.31.061.38312.33189.80.72940.9850.911代入以上系数，计算接触应力 按接触应力 =961.76 计算安全系数 =1.42 故符合要求。2.4本章小结依据技术指标，综合行星传动与平行轴传动的有点，选取一级行星派生型传动，采用太阳轮浮动的均载机构，计算确定了齿轮箱各级传动的参数。对行星传动进行受力分析，得出各级传动齿轮的受力结果。依据标准，进行静强度校核，结果符合安全要求。3.传动轴和箱体的设计3.1高速轴的设计(1)最小轴直径的设计（A=105135）功率P=5060.2KW，转速n=294.79r/m，A取125。所以d=560mm（2）结构设如下 图3.1高速轴3.2低速轴的设计最小轴直径的设计功率P=5378.8KW，转速n=1173.7所以d=140mm。根据轴承精度选择， 图3.2低速轴齿轮采用的是斜齿，因此轴主要承受扭矩，其工作能力按扭转强度条件计算。根据以上情况，可得低速级传动轴的受力简图：图3-3 低速轴受力图 由上受力图经行轴的强度校核 扭转强度条件为： mm 45钢3040 轴的强度满足要求。式中，轴的扭转切应力， ； 轴所受的扭矩， ； 轴的抗扭截面模量， ； 轴的转速， ； 轴所传递的功率，Kw; 轴的许用扭转切应力，； 取决于轴材料的许用扭转切应力 的系数，其值可查机械设计手册。 故满足强度要求。3.3中间轴的设计（1）最小轴直径的设计功率P=5271.2KW，转速n=61.71r/m。所以d=600。， （2）结构设如下： 图3-5中间轴齿轮采用的是直齿，因此轴主要承受扭矩，其工作能力按扭转强度条件计算。根据以上情况，经行轴的强度校核。 扭转强度条件为： mm 45钢3040 根据条件，按照强度校核公式计算：故满足强度要求。 3.4箱体箱体是齿轮箱的重要零件，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。箱体的设计应按照风力发电机组动力传动的布局、加工和装配、检查以及维护等要求来进行。应注意轴承支撑和机座支撑的不同方向的反力及其相对值，选取合适的支撑结构和壁厚，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。箱体的应力情况十分复杂且分布不均，只有采用现代计算方法，如有限元、断裂力学等辅以模拟实际工况的光弹实验，才能较为准确的计算出应力分布情况。利用计算机辅助设计，可以获得与实际应力十分接近的结果。采用铸铁箱体可发挥其减震性，易于切削加工等特点，适于批量生产。常用的材料有球墨铸铁和其他高强度铸铁。设计铸造箱体时应避免壁厚突变，减小壁厚差，以免产生缩孔和疏松等缺陷，用铝合金或其他轻合金制造的箱体，可使其重量较铸铁轻20%-30%，但从另一个角度考虑，轻合金铸造箱体，降低重量的效果并不显著。这是因为轻合金铸件的弹性模量较小，为了提高刚性，设计时常需加大箱体的受力部分的横截面积，在轴承座处加装钢制轴承套，相应部分的尺寸和重量都要加大。目前除了较小的风力发电机尚用铝合金箱体外，大型风力发电机应用轻铝合金铸件箱体已不多见。单件小批量生产时，常采用焊接或焊接与铸造相结合的箱体。为减少机械加工过程中和使用中的变形，防止出现裂纹，无论是铸造或是焊接箱体均应进行退火，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，在箱体上应设有观察窗。机座旁一般设有连体吊钩，供起吊整台齿轮箱用。 4齿轮箱及其他部件的设计4.1齿轮箱的密封 齿轮箱漏油是普遍的现象，但在使用过程中漏油严重影响生产的连续进行,而且对周围环境造成严重污染,对基础有腐蚀作用。 漏油的原因: (1)根据波义耳马略特定律PV=RT,随着运转时间的延长,齿轮箱内温度上升,而体积不变,故箱内压力增加。由于油的渗透性强,哪里密封不好就会在哪里渗漏。 (2)齿轮箱稀油润滑系统设计和计算不合理。应按如下步骤:根据摩擦啮合部件的功率损失和发热量确定总耗油量;拟定润滑系统图;计算和选择 润滑设备和元件;选定管路尺寸和验算液压损失然后绘制正式工作图。 (3)装配操作不规范,如密封圈敲打后变形等。保证密封的原则方法: (1)均压。设置合适的通风罩。齿轮箱高速连续运转5min后,用手摸通风罩,感到压差很大,说明应加大或升高通风罩。 (2)畅流。设置回油槽孔,使油不在轴头密封处存留以防逐渐渗出。 (3)采用优质密封圈和密封剂 齿轮箱轴伸部位的密封一方面应能防止润滑油外泄，同时也能防止杂质进入箱体内。常用的密封分为非接触式密封和接触式密封两种。1.非接触式密封。所有的非接触式密封不会产生磨损，使用时间长。轴与端盖孔间的间隙行程的密封，是一种简单的密封。间隙大小取决于轴的径向跳动大小和端盖孔相对于轴承孔的不同轴度。在端盖孔或轴颈上加工出一些沟槽，一般24个，形成所谓的迷宫，沟槽底部开有回油槽，使外泄的油液遇到沟槽改变方向输回箱体中。也可以在密封的内侧设置甩油盘，阻挡飞溅的油液，增强密封效果。2.接触式密封。接触式密封使用的密封件应密封可靠、耐久、摩擦阻力小。容易制造和装拆，应能随压力的升高而提高密封能力和有利于自动补偿磨损。常用的旋转轴用唇形密封有多种方式，可按标准选取。密封部位轴的表面粗糙度R=0.2-0.63.与密封圈接触的轴表面不允许有螺旋形机加工痕迹。轴端应有小于30的导入角，倒角上不应有锐边、毛刺和粗糙的机加工残留物。本次设计采用了以上的第二种密封方式。4.2齿轮箱的润滑、冷却齿轮箱的润滑十分重要，良好的润滑能够对齿轮和轴承起到足够的保护作用。为此，必须高度重视齿轮的润滑问题，严格按照规范保持润滑系统长期处于最佳状态。齿轮箱常用飞溅润滑或强制润滑，一般以强制润滑为多见。因此，配备可靠的润滑系统尤为重要。在机组润滑系统中，齿轮泵从油箱将油液经过滤油器输送到齿轮箱的润滑系统，对齿轮箱的齿轮和传动件进行润滑，管道上装有各种监控装置，确保齿轮箱在运转过程中不会出现漏油。保持油液的清洁作业十分重要，即使是第一次使用新油，也要经过过滤，系统中除了主滤油器之外，最好加装旁路滤油器辅助滤油器，以确保油液的洁净。对润滑油的要求应考虑能够起齿轮和轴承的保护作用。此外好应具备以下性能：1.减少摩擦和磨损，具有高强的承载能力，防止胶合；2.吸收冲击和振动；3.防止疲劳点蚀；4.冷却，防锈，抗腐性。风力发电齿轮箱属于闭式齿轮动类型，其主要的失效形式是胶合与点蚀，故在选择润滑油时，重点是保证有足够的油膜厚度和边界膜强度。润滑油系统中的散热器常用风冷式的，有系统中的温度传感器控制，在必要时通过电控旁阀自动打开冷却回路，使油液先流经散热器散热，再进入齿轮箱。齿轮和轴承轴承在转动过程中他们实际都是非直接接触的，这中间是靠润滑油建成油膜，使其形成非接触性的滚动和滑动，这是油起到了润滑的作用。虽然他们是非接触的滚动和滑动，但由于加工精度等原因使其转动中有相对的滚动摩擦和滑动摩擦，这都会产生一定的热。如果这些热量在转动的过程中没有消除，势必会越积越多，最后导致高温烧毁齿轮和轴承，因此齿轮和轴承在转动过程中必须用润滑油来进行冷却。所以润滑油一方面其润滑作用，另一方面起冷却的作用。 对于齿轮箱，对于所有齿轮和轴承，我们都要采用强制润滑，原因有： 1) 强制润滑可以进行监控，而飞溅润滑是监控不了的，从安全性考虑，采用强制润滑。2) 现在风机齿轮箱功率越来越大，其功率损耗也越来越大因此飞溅润滑已经满足不了冷却的作用这是需要进行强制润滑的。4.3轴系部件的结构设计轴承盖用以固定轴承，调整轴承间隙及承受轴向载荷，轴承盖有嵌入式和凸缘式两种。嵌入式轴承盖结构简单，为增强其密封性能，常与O形密封圈配合使用。由于调整轴承间隙时，需打开箱盖，放置调整垫片，比较麻烦，故多用于不调整间隙的轴承处。凸缘式轴承盖，调整轴承间隙比较方便，密封性能好，应用较多。凸缘式轴承盖多用铸铁铸造，应使其具有良好的铸造工艺性。对穿通式轴承盖，由于安装密封件要求轴承盖与轴配合处有较大厚度，设计时应使其厚度均匀。当轴承采用箱体内的润滑油润滑时，为了将传动件飞溅的油经箱体剖分面上的油沟引入轴承，应在轴承盖上开槽，并将轴承盖的端部直径做小些，以保证油路畅通。4.4行星架的结构设计 行星架是行星齿轮传动中的一个重要构件，在行星轮系中起着承上启下的作用，直接影响齿轮箱的寿命和齿轮箱的噪声，一个结构合理的行星架应当是外廓尺寸小，质量小，具有足够的强度和刚度，动平衡性好，能保证行星轮间的载荷分布均匀，而且应具有良好的加工和装配工艺。从而，可使行星齿轮传动具有较大的承载能力，较好的传动平稳性以及较小的振动和噪声，为此对行星架的制作有以下要求： 1) 行星架的材料应选用QT700，,其力学性能应分别符合GB/T1348-2009，BG/T3077-1999，JB/T6402-2008的规定，也可使用其他具有等效力学性能的材料。 2) 行星轮孔系与行星架回转轴线的位置度应符合GB/T1184-1996的5级精度的规定。 3) 行星架精加工后应进行静平衡。 4) 行星架若才赢焊接结构，则应对其焊缝进行超声波探伤，并应符合GB/T11345-1989的要求。4.5传动齿轮箱箱体设计箱体是传动齿轮箱的重要零件，它承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反力。箱体必须有足够的刚性去承受力和力矩的作用，防止变形，保证质量。箱体的设计应该按照风力发电机组动力传动的布局，加工和装配，检查以及维护等要求来进行。应该注意轴承支撑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，增加必要的加强筋。同时加强筋的位置必须与引起箱体变形的作用力方向一致。对于传动齿轮箱箱体材料选择，采用铸铁箱体可以发挥其减震性，易于切削加工等特点，适于批量生产。常用的材料有球墨铸铁和其他的高强度铸铁和其他高强度铸铁。设计铸造箱体时应该避免壁厚突变，减小厚壁差，以免产生缩孔和缩松等缺陷。在大型风力发电机的单件小批量生产时，多采用的是焊接或焊接与铸造相结合的箱体。为减少机械加工过程中和使用中的变形，为防止出现裂纹，无论是铸造或是焊接箱体均应该进行退火，时效处理，以消除内应力。为了方便装配和定期检查齿轮的啮合情况，在箱体上应该设有观察窗。机座一旁设有连体吊钩，供起吊整台齿轮箱5齿轮箱的使用及其维护5.1安装要求齿轮箱的主动轴与叶片轮毂的联接必须可靠紧固。输出轴若直接与电机联接时，应采用合适的联轴器，最好的弹性联轴器，并串接起来保护作用的安全装置。齿轮箱轴线上和与之相连接的部件的轴线应保证同心，其误差不得大于所选用联轴器的齿轮箱的允许值，齿轮箱体上也不允许承受附加的扭转力。齿轮箱安装后用人工搬动应灵活，无卡滞现象。打开观察窗盖检查箱体内部机件应无锈蚀现象。用涂色法检验，齿面接触斑点应达到技术条件的要求。5.2定期更换润滑油第一次换油应在首次投入运行500h后进行，以后的换油周期为每运行5000-10000h。在运行过程中也要注意箱体内油质的变化情况，定期取样化验，若油质发生变化，氧化生成物过多并超过一定比例时，就应及时更换。齿轮箱应每半年检修一次，备件应按照正规图纸制造，更换新备件后的齿轮箱，其齿轮啮合情况符合技术条件的规定，并经过试运转与载荷试验后再正式使用。5.3齿轮箱常见故障 齿轮箱的常见故障有齿轮损伤、轴承损坏、断轴和渗透油、油温高等。齿轮损伤的影响因素很多，包括选材、设计计算、加工、热处理、安装调试、润滑和使用维护等。5.3.1齿轮损伤常见的齿轮损伤有齿面损伤和轮齿折断两类。过载折断总是由于作用在轮齿上的应力超过其极限应力，导致裂纹迅速扩展，常见的原因有突然冲击超载、轴承损坏、轴弯曲或较大硬物挤入啮合区等。断齿断口有呈放射状花样的裂纹扩展区，有时 断口处有平整的塑性变形，断口副常可拼合。仔细检查可看到材质的缺陷，齿面精度太差，轮齿根部未作精细处理等。在设计中应采取必要的措施，充分考虑预防过载因素。安装时防止箱体变形，防止硬质异物进入箱体内等等。疲劳折断发生的根本原因是轮齿在过高的交变应力重复作用下，从危险截面（如齿根）的疲劳源
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