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600
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600kW风电机组主传动系统设计,600,kW,机组,传动系统,设计
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毕 业 论 文（设 计）题 目：600kW风电机组主传动系统设计 （Title）：Design of the Main Driven System in 600kW Wind Power Generator 院 别： 机电学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 答辩日期： 600kW风电机组主传动系统设计摘要风能是一种重要的清洁可再生能源，而风力发电是目前发展最快，且最具规模化开发条件的风能利用技术形式。截止到2008年底，全球发电机组的总装机容量超过了1亿kW，我国经过近几年的快速发展，风电机组总装机容量也达到1200万kW。根据国家发改委2005年的规划，到2020年，全国风电机组装机容量将达到3000万kW。我国的风能资源丰富，2020年以后还将得到持续的发展。因此，风能的规模化利用是国家能源可持续发展的重大需求。风电机组是一种复杂的机电一体化设备，其主体由风轮、偏航系统、传动与制动装置、发电机、机舱和塔架等主要部件组成，同时还需要相应的运行控制、安全保障与电源转换系统。本设计是600kW风电机组主传动系统设计，包括主轴、升速齿轮箱、制动部分以及其与发电机、底板的安装连接。本文主要针对设计任务书的要求，阐述600kW风电机组主传动系统设计的过程以及相关的文字叙述。关键词：风电机组；主传动系统；设计 Design of the Main Driven System in600kW Wind Power GeneratorAbstractWind energy is an important clean and renewable energy and wind power is the fastest, and the present development of the most large-scale development condition wind energy technology form.By the end of 2008,the total installed capacity of global generator set more than 1 billion kW,the rapid development of our country in recent years, through the wind generator also reached the total installed capacity of 12 million kW.According to the national development and reform commission 2005 planning,by 2020,the wind generator installed capacity will reach 30 million kW.Chinas wind energy resources are rich,by 2020,later will also get sustainable development.Therefore,wind energy utilization is the scale of sustainable development of major national energy needs. Wind generator is a complex electromechannical equipments by,the main body of the rotor,yaw system and transmission and braking device,generators,engine and tower and other major components,but also need the corresponding operation control,security and power conversion system.This design is the wind generator 600kW main drive system design, including the spindle, acc gear box, brake parts and the generators, floor installation connection. This article mainly aims at the design plan descriptions, expounds the requirements 600kW wind generator main transmission system design process and relevant writing.Keyword: wind power generator; the main driven system; design目 录1概 述11.1国内外风力发电研究综述11.1.1国外风力发电现状11.1.2国内风力发电现状21.1.3风力发电展望21.2本课题的研究意义31.3目前产品存在的问题41.4设计的要求52 600kW风电机主传动系统的总体方案62.1风电机的工作原理及基本理论62.2风电机的分类62.3风电机各部分的功能72.4齿轮箱在风电机组中的布置形式82.5 600kW风电机主传动系统总体方案的确定102.6发电机的选择113 600kW风电机主传动系统中齿轮箱的设计133.1齿轮箱的选择133.2传动方案的确定133.3齿轮传动的设计143.3.1传动比的分配143.3.2齿轮材料的选择153.3.3配齿计算153.3.4齿轮传动参数计算163.3.5各级齿轮传动的几何尺寸253.4各级齿轮传动的结构设计263.4.1行星齿轮传动结构设计263.4.2平行轴齿轮传动结构设计273.5轴传动的设计与强度校核273.5.1各级齿轮传动轴结构分析273.5.2平行轴级高速轴的设计283.5.3各轴最小直径的确定及轴上轴承的选用303.6箱体结构的设计及其附件的选择313.6.1箱体结构的设计313.6.2箱体尺寸的确定343.6.3箱体附件的选择354 600kW 风电机主传动系统中其他部件的设计与选用394.1主轴轴承以及轴承座394.2主轴联轴器404.3弹性减震器414.4输出轴联轴器与制动器41总结43参考文献44致谢45附录 图纸表46600kw风电机组主传动系统设计1概 述1.1国内外风力发电研究综述 随着经济的快速发展，能源的消耗逐年增加，常规能源面临日益枯竭的窘境，迫切需要可再生的新型清洁能源。 在目前众多可再生能源与新能源技术开发中，潜力最大、最具开发价值的是风能。它是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。1.1.1国外风力发电现状风能是一种清洁的永续能源，与传统能源相比，风力发电不依赖外部能源，没有燃料价格风险，发电成本稳定，也没有碳排放等环境成本:此外，可利用的风能在全球范围内分布都很广泛。正是因为有这些独特的优势，风力发电逐渐成为许多国家可持续发展的重要组成部分，发展迅速。根据全球风能理事会的统计，全球的风力发电产业正以惊人的速度增长，在过去十年平均年增长率达到28% ，2007年底，全球装机总量达到了9400万千瓦，每年新增2000万千瓦，意味着每年在该领域的投资达到了200亿欧元。许多国家采取诸如价格、市场配额、税收等各种激励政策，从不同的方面引导和支持风力的发展。在政策的鼓励下，2007年全球风电新装机容量约为2000万千瓦，累积装机9400万千瓦。2008年是风电发展具有标志性的一年：这一年风电成为非水电可再生能源中第一个全球装机超过1亿千瓦的电力资源。风电作为能源领域增长最快的行业，共为全球提供近20万个就业机会，仅2006年风电场建设投资就接近170亿欧元，欧洲和美国在风电市场中占据统治地位，其中德国是目前风电装机最大的国家，装机容量超过2000万千瓦;美国和西班牙也都超过了1000万千瓦。印度是除美国和欧洲之外新装机容量最大的国家，装机总容量也超过600万千瓦。世界风电钱十名国家近05至07年发展情况如图 1.1所示。图1.1 世界风电前十名国家05-07发展情况比较就近几年来世界风电发展格局和趋势趋势分析来看，主要有一下几个特征；(1)、风电发展向欧盟、北美、和亚洲三架马车并驾齐驱的格局转变。 （2）、风电技术发展迅速，成本持续下降（3）、政府支持仍然是欧洲风电发展的主要动力（4）、中国是未来世界风电发展最重要的潜在市场之一1.1.2国内风力发电现状中国风力发电起步较晚，但发展较快。目前风力发发电机组的研制开发重点分两方面，一是1KW以下独力运行的小型风力发电机组，二是100KW以上并网运行的大型风力发电机组。20世纪80年代中期，中国开始规划风力发电场的建设。1983年在山东荣城引进3台丹麦55KW风力发电机组，开始并网风力发电技术的试验和示范。1986年在新疆达坂城安装了台100KW风力发电机组，1989年又安装了13台150KW风力发电机组，同年在内蒙古朱日和也安装5台美国100KW机组，开始了中国风电场运行的试验和示范。特别近年来，中国的风力风电场建设取得了较好的经济效益和巨大的发展。据统计，到2020年，我国风电累计装机可以达到7000万千瓦。届时风电在全国电力装机中的比例接近6%，风电电量约占总发电量的28%。从2020年开始，风电和常规电力相比，成本优势已比较明显。至2030年，风电在全国电力容量中的比重将超过11%，可以满足全国57%的电力需求。1.1.3风力发电展望风力发电技术目前还在不断地发展，技术引进、消化吸收，增强自主创新能力是发展我国风电产业的重要途径。随着新技术、新工艺的发展，风力发电机组运行的可靠性与稳定性将得到提高，设备投资及发电成本将得到降低。此外，海上风电场技术也将成为新的大型风力发电机组的新应用领域。丹麦、德国、西班牙、瑞典等国都在规划较大的海上风电场项目。1.2本课题的研究意义我国幅员辽阔，陆疆总长达2万多公里，还有18000多公里的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个，风能资源丰富。根据中国气象科学研究院绘制的全国平均风功率密度分布图，中国陆地10m高度层的风能总储量为32.26亿KW，实际可开发的风能资源储量为2.53亿KW，近海风场的可开发风能资源是陆上的3倍，据此，我国可开发的风能资源约为10亿KW。我国现有风电场场址的年平均风速均达到6米秒以上。一般认为，可将风电场风况分为三类：年平均风速6米秒以上时为较好；7米秒以上为好；8米秒以上为很好。可按风速频率曲线和机组功率曲线，估算国际标准大气状态下该机组的年发电量。我国相当于6米秒以上的地区，在全国范围内仅仅限于较少数几个地带。就内陆而言，大约仅占全国总面积的11OO，主要分布在长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿，这些地区是我国最大的风能资源区以及风能资源丰富区，包括山东、辽东半岛、黄海之滨，南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛，内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北，新疆达板城，阿拉山口，河西走廊，松花江下游，张家口北部等地区以及分布各地的高山山口和山顶。风能可能是中国未来数年内最有发展潜力的可再生清洁能源。最近由中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会主导完成的一份报告指出，中国有能力在2020年实现4000万千瓦的风电装机容量，年发电量将达800亿千瓦时，可满足8000万人的用电需求，同时每年可减少4800万吨的二氧化碳排放量。该报告预测，如果上述目标能实现，那么到2020年之后，风电将超过核电，成为中国第三大电力来源。由于我国风力发电技术起步较晚，对于兆瓦级的风力发电机组技术还一直被外国垄断，还不能实现国内自主研发这一模式，还不能完全达到国产化的水平，都需要购买国外成熟的风电技术。然而在国内，像金风科技的600kW、750kW，都在国内成功生产并实现产业化，这些机组是国内的主力机型。在“九五”大型机组研制计划当中，第一拖拉机工程机械公司和国外公司建立合资公司，合作生产600KW风力发电机组。浙江风力发电发展公司和丹麦Micon公司合作，购买33台600KW机组，先引进17台，其余16台在国内组装，进行消化吸收，逐步实现风机国产化。对于600KW的风力发电机，该机组样机国产化程度已达80，其在国内有广阔的应用前景。从未来的发展形势来看，风电产业至少将有十多年的黄金发展期。对于我们国家来说，2008年底，1215万千瓦的风电装机容量占我国电力总装机容量的比例还仅为1.5%，预计到2020年这一比例将达到10%左右，即到2020年风电装机容量将达到1.4亿千瓦这样的水平，这是十分可观的数字。在兆瓦级风力发电机组技术还不能完全国产化的情况下，对于技术已经成熟、价格合理的600KW的风力发电机组来说，其在未来一段时期内，还是国内的主力机型。因此，这就必然要求600KW风力发电机组设计要更加合理与可靠，使用寿命能够延长。1.3目前产品存在的问题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。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。国家标准GB/Tl97032003和国际标准IS081400-4：2005都对风电齿轮箱设计提出了具体的设计规范和要求。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风机故障的最主要原因，如图1.2所示，约占风机故障总数的20。图 1.2 风机故障数据图因此，关于本课题的主传动设计中，我将对齿轮箱的内部结构以及齿轮箱在风电机组中的布置形式进行优化性的设计，以达到最佳的设计效果，从而更好地解决齿轮箱常规存在的问题，使得齿轮箱更好地满足使用要求。1.4设计的要求经济性是风力发电机设计要考虑的基本问题。设计的基本目标的使机组的能量成本最低。能量成本受许多因素影响，主要有两个：机组本身的成本（机器、安装、运行、维护等）；年发电量（设计和风资源）。由此，在设计的过程中，所设计的零部件在保证强度足够（承受可能的极限载荷、运行可靠）、机构合理的前提下，不仅要体积最小，而且要根据行业标准进行设计，尽量多采用标准件。同时在设计的过程中要考虑好安装与维修等问题。2 600kW风电机主传动系统的总体方案2.1风电机的工作原理及基本理论 风电机的工作原理很简单，就是通过风轮把风能转化为风轮绕其轴心转动的机械能，通过升速装置提高轴的回转速度，再连接发电机，从而实现电能的输出。风电机的基本理论有风轮机的功率及风能利用系数，风轮机的叶尖速比（高速性系数），风轮机的转矩系数，风能利用系数、转矩系数与叶尖速比的关系，风轮机的功率转速特性曲线及转矩转速特性曲线，风能利用系数最大值（贝茨）理论，风轮机的输出功率曲线等等。在设计风电机之前必须认识并且理解这些概念和理论。2.2风电机的分类风轮机的结构形式是多种多样的。按照风轮旋转轴在空间的的方向，可分为水平轴风轮机及垂直轴风轮机两大类。此外，还有一些属于特殊类型的风轮机。水平轴风轮机的风轮叶片可以制成固定桨距的，也可以制成可调桨距地，后者可以通过调节叶片桨距来控制从流动的空气中吸收的能量。垂直轴风轮机除风轮叶片为直叶片外，风轮叶片是不可调的。为了从风中获取能量，水平轴风轮机具有调向机构；垂直轴风轮机则不需要调向机构。大多数情况下，水平轴风轮机与变速器（升速齿轮）及发电机一起放置于塔架的顶端；而垂直轴风轮机的风轮则可与变速器及发电机一起放置在靠近地面处。2.1 水平轴式风力发电机 2.2 垂直轴式风力发电机按照风轮机风轮上叶片数的多少，风轮机又可分为多叶片风轮机及少叶片风轮机两大类。一般风轮上叶片数目等于或少于3者称为少叶片风轮机，叶片数目在3以上者则认为是多叶片风轮机。按照风轮机的风轮在正常旋转工作时的转速，风轮机可分为高速风轮机及低速风轮机两类。在通常情况下，风轮机风轮的叶尖速比（亦称高速性系数）大于3者认为属于高速风轮机；叶尖速比小于3者则认为属于低速风轮机。风轮机除按结构特点分类外，还可以按风轮机的功率来划分。国际上通常将风轮机按其输出功率大小分为小型、中型及大型三类。我国的划分方法与国外基本相同，但在小型一下增加了微小型，其功率范围是指1千瓦以下。2.3风电机各部分的功能风轮机就其整体结构来看，除去风轮转子这一捕获风能并将其转化为机械能输出的主要部件外，还包括塔架、机舱（或机座）、回转体、调向机构、调速装置及停车制动装置等。各部分的功能如下：机舱（或机座）：位于塔架顶端，用来支撑风轮以及与风轮相连接的齿轮传动（变速）装置、调速装置及调向机构等。在小型风轮机中多为平板式机座形式，在中大型风轮机中则做成机舱形式。在机舱内除上述部件及装置外，还包括发电机、电气控制设备、液压泵及计算机等。调向器（或调向机构）：其功能是使风轮能随时都迎着风向，以最大限度获取风能。在不同形式和容量的水平轴风轮机中，调向机构可以是尾舵、尾翼、尾车或由电动伺服机构及内齿轮传动组成的电动调向机构。调速器（或调速装置）：其功能是当风速不断变化时使风轮的转速维持在一个接近稳定不变的范围内。在小型水平轴或立轴（直叶片）风轮机中多采用机械式调速机构，在中大型水平轴风轮机中可采用液压调速机构或电液联合调速机构。停车制动器（或刹车机构）：其功能是当风轮机需要停止运转或在大风时使风轮机停止运转以达到维修或保护风轮机。在小型风轮机中采用机械抱闸刹车方式实现制动停车，可以手动，也可自动实现停车；在中大型风轮机中多采用液压或电气制动方式实现抱闸停车。塔架：用来支撑风轮机及机舱内（或机座上）各种设备，并使之离开地面一定高度，以使风轮机能处于良好的风况环境下运转。根据风轮机容量的大小，塔架可以制成实心铁柱式（有时还配以钢缆绳，多用于小型风轮机），也可以制成钢材桁架结构或圆筒形结构（多用于中大型风轮机）。对于中大型风轮机，塔架可设计成刚性塔架或柔性塔架，两者各具有特点。刚性塔架一般和上风向风机相配合，塔影效应可以减少至最小。从塔架的设计及动力学的观点看，这种方式是最简单的。柔性塔架具有显著的减少材料消耗及降低造价的优点，比刚性塔架更轻，更经济，但是设计更复杂，要求对运行状况下的动力学，也即风轮机动态响应的精确计算。细的塔架将降低下风向安装的风轮机叶片上的塔影效应，这样风轮叶片上承受的交变负荷也将减少，叶片可能制作的更轻些，塔架顶端的重量及负荷也可以降低，因此最终塔架可以制作得更细一些，从而减少材料消耗，降低造价。2.4齿轮箱在风电机组中的布置形式风力发电机组轴系最为常见的布置形式如图所示，与风轮连接的大轴支撑在两个单独设置的轴承上，其末端通过涨紧套与齿轮箱相连。齿轮箱的支架安装在机舱底盘上，而齿轮箱的高速轴则用柔性联轴节与发电机相连。这就是所谓的“一字型”布置。风轮的异常载荷通常由两个大轴轴承承受，齿轮箱受到影响较少，各个主要部件间隔较大，便于安装和维修，只是机舱轴向尺寸较长。如图2.3图 2.3如果省去一个大轴的支撑轴承，使大轴末端直接与齿轮箱输入轴相连，则变为图所示的结构，在这种情况下，虽然能缩短轴向尺寸，但对齿轮箱不利，必须采取措施加强其支撑刚性，同时要尽可能消除风轮通过大轴对齿轮箱施加异常负荷的影响。如图2.4图 2.4由此在设计当中，以上面的两种传动形式为参考，利用弹性减震装置（用高强度橡胶和钢结构制成的弹性支承），对齿轮箱的固定形式进行改进，得到所谓的“三点式”布置。其特点为前支点为刚性支撑，后支点（齿轮箱）为弹性支撑，能够吸收自叶片来的突变负载，同时使主轴支撑的结构趋于紧凑，缩短载荷传递到机架的距离，有利于降低后支撑的载荷。如图2.5图2.5根据给定参数，选用合适的发电机，从主传动系统的最后一个环节开始，逆着传动方向，逐步设计。因为发电机的轴径直接影响升速箱输出轴的轴径，发电机的外轮廓尺寸也对主传动系统其它部件的外形尺寸有一定的影响。升速箱的输出轴转矩和轴径制约了制动器的类型和尺寸。由叶轮轴转速及发电机转速可以确定升速箱的传动比。升速箱的传动比一经确定，便可进而选定传动方案。升速箱的输入轴的轴径会直接影响叶轮轴的大小，从而间接影响叶轮轴支承的选用。2.5 600kW风电机主传动系统总体方案的确定根据专业理论知识以及风电机理论知识，参考当前风电机组的设计，确立600kW风电机组的设计参数如下：设计等级为IEC切入风速 3 m/s 额定风速 14 m/s 风轮额定转速 25r/min切出风速（10分钟均值） 25 m/s 切出极限风速(5秒均值) 30 m/s 工作温度 -300C-400C功率传动方式 上风向、水平轴叶片数量 3 片设计寿命 20年主传动系统总体方案如下：叶轮轴（叶轮安装在叶轮轴上，叶轮轴由一对轴承支承）联轴器（联接叶轮轴和升速箱输入轴）升速箱（选用行星齿轮传动）制动器（安装在底板上，必要时对升速箱输出轴进行制动，使整个风电机停车。不能用离合器代替。离合器虽然能使联接在一起的两根轴在达到一定转速后分开，但是离合器之前的传动系统并没有停下来。）联轴器（联接升速箱输出轴和发电机）发电机（根据给定参数选用）底板（把叶轮轴的一对支承，升速箱，制动器，发电机联接固定）底板和支撑通过轴和轴承配合（除了支承，还要考虑限速功能的实现）图2.6 主传动系统总体方案2.6发电机的选择大型风电机一般采用交流异步电机实现机械能到电能的转化。参考常用电机，根据使用条件（工作、安装形式）以及额定功率为600KW，选择YJ50异步风力发电机，其额定转速n为1519r/min，额定电压为690V，额定功率为50Hz。如图2.7图2.7 YJ 50异步风力发电机升速箱的输出轴径必须和发电机轴径相匹配，以利于用联轴器将其联接起来。升速箱的外轮廓尺寸最好与发电机的外轮廓尺寸相协调。3 600kW风电机主传动系统中齿轮箱的设计3.1齿轮箱的选择作为风力发电机组主传动关键部件，齿轮箱位于风轮和发电机之间传递动力提高转速，是一种在无规律变向载荷和瞬间强冲击载荷作用下工作的重载齿轮传动装置。特别需要指出的是，在狭小的机舱空间内减小部件的外形尺寸和减轻重量十分重要，因此齿轮箱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，同时要考虑便于维护的要求。选择稳定可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境极端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，是设计齿轮箱的必要前提条件。风力发电机组齿轮箱的种类很多，可分为圆柱齿轮箱、行星齿轮箱以及它们互相组合起来的混合式齿轮箱；同时按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；按照转动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等。行星齿轮传动的主要特点有以下几点：（1）体积小，质量轻，结构紧凑；（2）承载能力大，传递功率范围及传动比范围大，传动效率高；（3）功率分流，采用数个行星轮传递载荷，运动的平稳性、抗冲击性和抗振动的能力好；（4）能够采用优质材料与实现硬齿面等化学处理，精度和技术要求容易达到；（5）合理地应用内啮合，结构合理，简化制造工艺，易于推广普及。根据叶轮额定转速26.8r/min，发电机转速1519r/min，得出齿轮箱的传动比为56.56。齿轮箱的增速比在 50 100，为了使结构紧凑，本设计采用一级行星与两级平行轴齿轮组合传动。3.2传动方案的确定根据行星齿轮传动的基本构件的配置情况，可将其分为2Z-X、3Z和Z-X-V三种基本传动类型，2Z-X传动类型又分为A、B、C、D、E(1)、E(2)型。所谓2Z-X轮系，就是以两个中心轮（2Z）和一个系杆（X）作为基本构件。根据齿轮箱运行中主要要求（传动效率高、承载能力强、结构简单、工艺性较好且传递功率的合理分配）以及传动比，本设计选用A型，即2Z-X(A)。此轮系由内啮合和外啮合齿轮副，以及公用齿轮组成。图 3.1 齿轮箱的传动形式3.3齿轮传动的设计3.3.1传动比的分配传动比的分配影响到箱体的结构尺寸，因此在保证足够的传动比的同时，传动比的分配要合理；同时每级的传动比不应该大于8；而且从输入到输出，每级的传动比要逐级减少。由此，传动比的分配如表3.1：表 3.1 传动比的分配行星齿轮级平行轴低速级平行轴高速级总传动比定义传动比=4.58=483=3.384，故本设计中行星架的毛胚用锻造来取料，并采用双侧板整体式转臂结构，固定行星齿轮的轴承安装在行星齿轮中。同时，行星架采用一对圆柱滚子轴承来固定，初选Nu1080圆柱滚子轴承。通过轴承的寿命计算以及静强度校核，此对轴承都符合使用要求。基本结构尺寸见零件图。如图3.2图 3.2 行星架3.4.2平行轴齿轮传动结构设计在低速级中，考虑到小齿轮的齿根圆直径与轴径接近，本设计中小齿轮采用齿轮轴的形式，将齿轮与轴做成一体。而由于大齿轮的齿顶圆直径大于500mm，实际中常采用轮辐式结构，本设计也采用此结构。在高速级中，考虑到小齿轮的齿根圆直径与轴径接近，本设计中小齿轮采用齿轮轴的形式，将齿轮与轴做成一体。而由于大齿轮的齿顶圆直径大于500mm，实际中常采用腹板式结构，本设计也采用此结构。3.5轴传动的设计与强度校核3.5.1各级齿轮传动轴结构分析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、中间轴或电机传动轴相联接。为了提高可靠性和减小外形尺寸，平行轴齿轮级采用实心轴的形式，而在行星齿轮级则采用空心轴的形式。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,均应作抛光处理，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，为了提高轴向固定的可靠性，工作载荷用轴上的止推轴肩来承受，相反方向则利用轴套紧固件来固定。轴的材料采用碳纲和合金纲。在本设计中除了齿轮轴以外，其余轴的材料都采用40Cr调质处理。由于本设计中，齿轮箱的四根轴中只有平行轴低速齿轮级支撑大齿轮的轴在制造中是与齿轮分开的，其余的轴都做成齿轮轴的形式，故在设计时平行轴低速齿轮级支撑大齿轮的轴按弯曲和扭转条件来进行最小轴径的设计，其余轴则根据齿轮齿根圆直径来确定轴径的大小，进行必要的强度校核即可。3.5.2平行轴级高速轴的设计（1）最小轴径计算此轴材料选用40Cr调质处理，查表得循环弯曲许用应力-1=60Mpa。（2）初步确定轴的最小直径根据公式 ，并由表查取A0=112,得 dmin=(3.34) 因为输出轴最小直径处安装联轴器，应将轴径增大 5%-7% ，即86.387.9 mm ,取 轴径为200 mm。（3）轴承的选用此轴两端的轴承都选用圆柱滚子轴承，远离齿轮端的轴承初选22220C/W33，靠近齿轮端的轴承初选N2220E；通过轴承的寿命计算以及静强度校核，此对轴承都符合使用要求。（4）轴上键槽的设计平键连接中，键的定心性较好，装拆方便；对于方头键，其用盘形铣刀加工，轴的应力集中较小；此轴轴上键都采用此结构形式，键的材料采用45钢，工作在轻微冲击的环境中，p=取100Mpa；（5）计算各支反力齿轮的圆周力 (3.35)径向力 (3.36) 利用力矩平衡的方式定出水平方向与垂直方向的支反力如下：=9686.4N, =32227.1N, =3911.2N, =11344N；(6) 计算轴的弯矩MH=FNH1L2=N.mm(3.37) MV1=FNV1L2= N.mm(3.38)MV2=FNV2L3=N.mm(3.39)合成弯矩5525077.4N.mm5124097.2N.mm(3.40)（7）按弯矩组合强度条件校核轴的强度 通常只校核轴上承受最大弯矩和转矩的截面的强度。 必要时也对其他危险截面进行强度校核。18.4MPa-1=60MPa (3.41) 故设计的轴有足够的强度，并有一定的裕度。（8）作轴弯矩图图 3.3 水平方向，如图3.4图 3.4垂直方向，如图3.5图 3.5合成弯矩图，如图3.6图 3.63.5.3各轴最小直径的确定及轴上轴承的选用经过弯扭合成强度的计算和受力分析，以及轴承的寿命和静强度的校核，定出如表3.5的轴径、轴承型号以及材料：表 3.5 各级轴的轴承选用轴径d/mm轴承选用材料最小轴径孔径输入端输出端行星级太阳轮轴226100NA4852/20CrNi2MoA平行轴低速级轴200100Nu1052N24840Cr平行轴中间轴140/N2228N222820CrNi2MoA平行轴输出轴90/N2220E22220C/W3320CrNi2MoA风机主轴300100见5.1见5.140Cr行星齿轮轴10050Nu420Nu42040Cr3.6箱体结构的设计及其附件的选择3.6.1箱体结构的设计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。由此，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。同时，应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。常用的材料有球墨铸铁和其他高强度铸铁。采用铸铁箱体可发挥其减振性，易于切削加工等特点，适于批量生产。设计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。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，设计时常须加大箱体受力部分的横截面积，在轴承座处加装钢制轴承座套，相应部位的尺寸和重量都要加大。目前除了较小的风力发电机组尚用铝合金箱体外，大型风力发电齿轮箱应用轻铝合金铸件箱体已不多见。单件、小批生产时，常采用焊接或焊接与铸造相结合的箱体。为减小机械加工过程和使用中的变形，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。箱体支座的凸缘应具有足够的刚性，尤其是作为支承座的耳孔和摇臂支座孔的结构，其支承刚度要作仔细的校核计算。为了减小齿轮箱传到机舱机座的振动，齿轮箱可安装在弹性减振器上，最简单的弹性减振器是用高强度橡胶和钢垫做成的弹性支座块。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。放油孔周围应留有足够的放油空间。采用强制润滑和冷却的齿轮箱，在箱体的合适部位设置进出油口和相关的液压件的安装位置。在本设计中，箱体材料采用铸铁，能承受较大载荷、振动和冲击，后处理是退火及时效处理。考虑到齿轮箱是多级传动，由行星级与平行轴级组成，所以箱体结构不能铸成一整体。同时，为了便与箱体内部各零件的安装，把箱体设计成卧式轴向剖分机体结构，主要有三大部分，分别是内齿圈前端盖（如图3.7）、平行轴部分（如图3.8）及其后端盖（如图3.9），通过螺栓以及密封垫来把箱体组成一整体。内齿圈前端盖受到内齿圈结构的限制，也做成盖形结构，而平行轴部分是两级展开式形式，把低速轴与输出轴设置在同一水平面上，中间轴的高度则比其低256mm，这样设计既能缩短箱体的宽度，又能达到两个大齿轮齿顶部分能同时浸到同一油面的效果。至于用来固定刹车系统的支座则通过螺栓连接的形式安装在平行轴部分的后端盖上。为了便于装配, 机座旁设有连体吊钩，供起吊整台齿轮箱用。考虑到箱体支座的凸缘应具有足够的刚性，在箱体两旁设计了耳孔作为箱体的支承结构，采用弹性减振器来减小齿轮箱传到机舱机座的振动。齿轮箱通过浸油飞溅来润滑和冷却，不设有进出油口。图 3.7图 3.8图 3.93.6.2箱体尺寸的确定根据上述设计要求结合本设计实际定出箱体主要结构尺寸如表3.6：表 3.6 箱体主要结构尺寸名称尺寸/mm内齿圈前端盖壁厚52内齿圈壁厚75内齿圈后端盖壁厚52平行轴级壁厚75平行轴级后端盖壁厚97行星架轴承端盖大径714内齿圈前端盖大径1416内齿圈大径1356内齿圈后端盖大径1416平行轴级长度2054平行轴级宽度881.5平行轴级高度1452行星级宽度702箱体支座壁厚200箱体支座耳孔径200箱体支座耳朵半径200箱体支座外伸总长400吊钩孔径303.6.3箱体附件的选择根据上述设计要求结合本设计实际定出箱体主要附件如表3.7：表3.7 箱体主要附件名称尺寸/mm行星架轴承端盖壁厚12行星架轴承端盖内径400行星架轴承端盖毡圈400平行轴级低速轴端盖壁厚12平行轴级低速轴端盖内径440平行轴级低速轴端盖毡圈105平行轴级中间轴端盖壁厚12平行轴级中间轴端盖内径250平行轴级输出轴端盖壁厚12平行轴级输出轴端盖内径180平行轴级输出轴端盖毡圈90通气器通气器362油标M20外六角螺塞M30纸封油圈32图3.10 行星架轴承端盖及毡圈图3.11 平行轴级低速轴端盖及毡圈图 3.12 平行轴级中间轴端盖图 3.13 平行轴级输出轴端盖及毡圈齿轮箱工作时温度升高，使箱内空气膨胀，为防止箱体的剖分面和轴的密封处漏油，必须使箱内热空气能从通气器或通气塞排出箱外，使冷空气进入箱内。通气器一般用在较大或工作环境较差的齿轮箱上，这正符合本设计的需要。图 3.14 通气器图 3.15 油标图 3.16 外六角油塞及纸封油圈4 600kW 风电机主传动系统中其他部件的设计与选用4.1主轴轴承以及轴承座目前，在风力发电机主轴位置上固定端使用一个双列调心滚子轴承的方案，并不是一个值得优先考虑的方案。分析表明使用预紧的双列圆锥滚子轴承可以提高主轴的刚性，从而减小轴承滚道和齿轮箱输入零部件发生假性压痕的可能性。预紧并优化的内部游隙甚至可以在最极端的风力情况下，确保很好的系统稳定性，滚道的形状经过优化后甚至可以在非常大的偏心情况下正常使用。有一些风力风电机在主轴位置上使用两个调心滚子轴承。固定端调心滚子轴承承受轴向力和径向力，浮动端调心滚子轴承只承受径向力。安装时两个轴承都有一定的径向游隙这对轴承轴向和径向的刚性有着重要的影响。因此，主轴的径向偏移和轴承轴向移动都要受到初始游隙及轴孔配合的影响。减小轴承的径向偏移对提高轴承和系统的性能都有好处。在固定端使用一个预紧的双列圆锥滚子轴承，在浮动端使用圆柱滚子轴承对于风机主轴来说是一种更好的轴承布置形式。在主轴位置一端采用双列圆锥滚子轴承，另一端采用圆柱滚子轴承方案的好处在于：改善载荷分布，减小轴承每列的径向和轴向变形；减小主轴的轴向偏移；最大程度提高系统的刚度；优化了预紧，最大程度地提高承载区和轴承调整寿命；在运行时是纯滚动从而减小滚子滑移；减小了轴向偏移从而降低滚道发生疲劳损坏的风险，而且在静载下降低了假性压痕的可能性，并降低了轴向挤压齿轮箱输入轴的风险；可以在比较高的偏心情况下正常运行等。因此，本设计也采用在主轴位置一端采用双列圆锥滚子轴承（3510/500），另一端采用圆柱滚子轴承（Nu1080）方案来支撑主轴。圆柱滚子轴承集成与齿轮箱当中，与行星架共用一个圆柱滚子轴承，构成浮动结构。轴承座采用四螺柱轴承座（SD564）的形式把双列圆锥滚子轴承固定，同时轴承座也采用四螺柱的形式与机舱底座进行固定。如图4.1图 4.14.2主轴联轴器胀套式联轴器是一种新型传动联接方式。20世纪80 年代国际上先进工业国家、如德国、日本、美国等在重型载荷下的机械联接已广泛采用了这一新技术。它与一般过盈联接、无键联接相比，胀套式联轴器具有许多独特的优点：制造和安装简单，安装胀套的轴和孔的加工不像过盈配合那样要求高精度的制造公差。安装胀套也无须加热、冷却或加压设备，只须将螺栓按规定的扭矩拧紧即可。并且调整方便，可以将轮毂在轴上很方便地调整到所需位置。 有良好的互换性，且拆卸方便。这是因为胀套能把较大配合间隙的轮毂联接起来。拆卸时将螺栓拧松，即可使被联结件容易地拆开。 胀套式联轴器可以承受重负载。胀套结构可作成多种式样，一个胀套不够，还可多个串联使用。 胀套的使用寿命长，强度高。因为它是靠摩擦传动，对被联接件没有键槽削弱，也没有相对运动，工作中不会摩损。胀套在胀紧后，接触面紧密贴合不易锈蚀。胀套在超载时，可以保护设备不受损坏。 Z10型胀套，适用于轴和轴上零件的联接，以传递扭矩、轴向力或两者的复合负载。在本设计中，胀套式联轴器直接套在行星架与主轴的连接部位上，通过拧紧安装螺栓，进而把主轴与行星架连接好，实现动力的传递。如图4.2图 4.24.3弹性减震器弹性减振器是用高强度橡胶和钢垫做成的弹性支座块，柱销与齿轮箱的支座进行连接，利用螺栓把弹性减震器固定在机舱的底座上，进而达到固定齿轮箱和减少震动的效果。如图4.3图 4.34.4输出轴联轴器与制动器齿轮箱高速轴与发电机轴的轴的连接构件一般采用柔性联轴器，以弥补安装与发电机组运行过程中轴系误差，解决主传动链轴系的不对中问题。同时，柔性联轴器还可以增加传动链的系统阻尼，减少振动的传递。对于典型的机械制动系统，多采用液压驱动的盘式制动机构，由一个或多个制动环节装置组成制动装置，制动器也应具备对制动转矩在整个制动过程中的自适应调节功能，尽可能使制动过程保持均匀和柔性。制动器布置在高速轴上主要是为了让制动扭矩小，进而让制动装置的结构尺寸减少。本设计中，采用带制动盘的联轴器WGP5与一对采用液压驱动的盘式制动结构组成一个刹车系统，在保证有足够的刹车强度的前提下，进而缩短了轴向的长
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