600kw风力发电机组毕业设计论文.doc

机械工程学院毕业设计 论文 i 600kw600kw 风力发电机组毕业风力发电机组毕业 设计论文设计论文 目目 录录 1 1 绪论绪论 1 1 1 2 国内研究现状与发展趋势 1 1 3 研究目的与内容 2 2 2 600kW600kW 风力发电机组增速器设计风力发电机组增速器设计 3 3 2 1 传动方案的确定 3 2 2 增速器基本设计要求及设计步骤 5 2 3 传动方案及运动原理图 6 3 3 增速器整机设计增速器整机设计 8 8 3 1 第一级行星轮系传动设计及校核其装配条件 8 3 2 第二级平行轴圆柱斜齿轮设计 10 3 3 第三级平行轴圆柱直齿轮设计 10 3 4 齿轮的结构设计 11 机械工程学院毕业设计 论文 ii 3 5 行星轮传动部分结构设计 11 4 4 材料选择材料选择 1515 4 1 材料的选择 15 5 5 强度校核强度校核 1717 5 1 行星传动轮系的强度校核 17 5 2 第二级斜齿圆柱齿轮强度校核 24 5 3 第三级直齿圆柱齿轮强度校核 28 6 6 主要构件设计选用与计算主要构件设计选用与计算 3333 6 1 输入轴的设计与校核 33 6 2 行星轮心轴的设计与校核 34 6 3 圆柱斜齿轮传动轴的的设计 36 6 4 圆柱齿轮传动中间齿轮轴设计 37 6 5 圆柱齿轮传动输出轴的设计 39 7 7 太阳轮浮动用齿式联轴器的设计太阳轮浮动用齿式联轴器的设计 4444 7 1 浮动用齿式联轴器的结构设计 44 8 8 行星齿轮箱机体结构行星齿轮箱机体结构 4646 9 9 齿轮箱的润滑与冷却齿轮箱的润滑与冷却 4747 9 1 行星齿轮箱的润滑油的选用 47 机械工程学院毕业设计 论文 iii 9 2 行星齿轮箱的润滑油的维护 47 9 3 行星齿轮箱的冷却 48 参考文献参考文献 5050 谢谢 辞辞 5252 附附 录录 5353 机械工程学院毕业设计 论文 第 1 页 共 63 页 1 1 绪论绪论 1 21 2 国内研究现状与发展趋势国内研究现状与发展趋势 我国的风能资源储蓄局世界首位 据保守估算 仅陆上可开发的风电装机 容量就达 2 5 亿千瓦 与可开发的水电装机容量为同一数量级 再加上近海的 风能资源 我国可开发风能资源估计在 10 亿千瓦以上 具备大规模发展风电的 资源条件 所以国外专家评论 如果中国单靠风力发电以每年 30 的速度发展 到 2020 年占到全部电力的 10 具有可行性 相对水电 核电而言 风电更有望 成为解决我国能源和电力可持续发展战略最现实途径之一 风力发电机研究的目的 风力发电在我国迅猛发展的这几十年里 随着运 行时间的积累 发现在风力发电机的液压 监控 机械传动等几大系统中 传 动系统中齿轮箱的故障率最高 并且是更换维修最贵的部件之一 据统计 风 电齿轮箱的损坏在风电机组运行出现的故障中占据了很大比重 有的风力发电 厂齿轮箱损坏率竟高达 40 50 与其他工业齿轮箱相比 风电齿轮箱安装在距 地面几十米甚至一百多米的狭小机舱内 其维修不方便 维修成本高 要求有 较高的可靠性和较长的寿命 因此 高可靠性风电齿轮箱的设计制造技术成为 风力机快速发展的主要瓶颈 目前 发生在国内运行的大型风力发电机中的齿轮箱故障 主要表现在齿 轮箱的正常工作寿命达不到设计要求 对于大型风力发电机来说 由于设备本 身庞大 维修不便等原因 要求整机有较长的工作寿命 一般要说工作寿命为 20 年 分析其原因就是 一方面 我国的风机设计主要是建立在模仿国外设计 的基础上 国外的设计并不能很好的和我的风力条件及使用环境很好的契合 另一方面 即使按照设计 在理论上能够满足我国使用要求的齿轮箱 由于我 国的其他制造工艺水平的限制 如热处理 材料加工等方面 做出来的成品也 有部分不能满足正常工作时间需求 根据我国风电厂实际的运用表明 增速齿 机械工程学院毕业设计 论文 第 2 页 共 63 页 轮箱的故障率在整个机组中最高 其中齿轮部分的时效的故障率最高 因此 合理的设计齿轮箱系统则显得很重要 风电齿轮箱作为风力机传动系统的关键部件之一 也是目前风电设备中最 为薄弱的环节之一 我国目前虽然已经能够做到 750KW 以下机组的自主批量生 产 但是国产齿轮箱在实际的运行过程中并不尽如人意 其故障率与国外机型 相比偏高 轮齿部分有明显的局部断裂 断口处无明显的塑性变形 断裂面光 滑 在灯光下有光泽 断面靠近齿跟处有一明显的 V 形断裂 可见本失效主要 属于疲劳断裂 影响疲劳寿命的因素很多 包括材料本身的性能 工件本身的 结构 载荷特征等 本文主要针对齿轮的这种失效情况 提出了 750KW 风力发 电机增速齿轮箱轮系新的配置方案 力求减少这种情况的发生 按新的的轮系 配置方案建立了虚拟样机 对风力发电机的主要传动部件进行了动力学分析 并对最危险的齿轮进行了柔性体动力学分析 接触分析 疲劳寿命分析及模态 分析 证明了该方案的可行性 1 31 3 研究目的与内容研究目的与内容 风力发电机研究的目的 在风力发电在我国迅猛发展的这几十年里 随着 运行时间积累 发现在风力发电机的液压 监控 机械传动等几大系统中 传 动系统中的齿轮箱的故障率最高 并且是更换维修最贵的部件之一 据统计 风电齿轮箱的损坏在风电机组运行出现的故障中占据了很大比重 有的风力发 电厂齿轮箱损坏率高达 40 50 与其他工业齿轮箱相比 风电齿轮箱安装在距 地面几十米甚至一百多米的狭小机舱内 其维修不便 维修成本很高 要求有 较高的可靠性和较长的寿命 因此 高可靠性风电齿轮箱的设计制造技术成为 风力机快速发展的主要与其他工业齿轮箱相比 风电齿轮箱安装在距地面几十 米甚至一百多米的狭小机舱内 其维修不便 维修成本很高 要求有较高的可 靠性和较长的寿命 因此 高可靠性风电齿轮箱的设计制造技术成为风力机快 速发展的主要瓶颈 本文的主要研究内容主要包括以下两个方面 1 600kW 风力发电组增速 器的设计 2 风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件 其主要需要 机械工程学院毕业设计 论文 第 3 页 共 63 页 研究的部件如下 箱体 行星架 齿轮 太阳轮 行星轮 内齿圈 斜齿轮 直 齿轮 轴 联接 键的联接 以及胀紧联接 2 2 600kW600kW 风力发电机组增速器设计风力发电机组增速器设计 2 12 1 传动方案的确定传动方案的确定 传动装置是大多数机器的主要组成部分 传动件及传动装置设计是否合理 制造和装配质量是否符合要求 将成为决定产品质量的关键 传动可以分为机 械传动 流体传动和电传动三类 而机械传动按其工作原理分为啮合传动与 摩擦传动 具体分为链传动 带传动 齿轮传动 蜗杆传动四类 根据风力发 电机组传动特点和工作环境要求 一般均选择齿轮传动 齿轮传动是机械传动中最重要 应用最广泛的一种传动形式 在各种机械 和机械设备中获得叫广泛的应用 例如 起重机械 工程机械 冶金机械 建 筑机械 石油机械 纺织机械 机床 汽车 飞机 火炮船舶和仪器 其主要 优点是 具有瞬时传动比恒定 可靠性高 寿命长 结构紧凑 齿轮传动分为 开式 半开式和闭式三种传动方式 由于风力发电机工作环境恶劣 一般采 用闭式传动以满足润滑要求 为了减速 增速和变速等特殊用途 经常采用一 系列互相啮合的齿轮所组成的传动系统 在 机械原理 中 便将上述齿轮传 动称之为轮系 增速器是指安装在原动机与工作机之问独立的闭式传动装置 用于增加转 速应相应减小转矩 增速器是风力发电机组的重要组成部分 它承担了调速 改变运动形式 动力和运动的传递和分配等功能 考虑到风力发电机要求传动 比大 结构紧凑 效率高等特点 本文采用两级行星齿轮传动加一级平行轴斜 齿轮传动的结构形式 风力发电机组齿轮箱的种类很多 按照传统类型可分为圆柱齿轮箱 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分为展开式 分流式和同轴式以及混合式等 增速器是指安装在原动机与工作机之问独立的闭式传动装置 用于增加转 速应相应减小转矩 增速器是风力发电机组的重要组成部分 它承担了调速 机械工程学院毕业设计 论文 第 4 页 共 63 页 改变运动形式 动力和运动的传递和分配等功能 风力发电机组齿轮箱的种类 很多 按照传统类型可分为圆柱齿轮箱 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 分为展开式 分流式和同轴式以及混合式等 常用齿轮箱形式及其特点和应用 见表 2 1 表 2 1 常用风力发电机组增速箱的形式和应用 传递形式传动简图传动比特点及应用 展开 式 60 8 21 i i ii 结构简单 但齿轮箱对于轴 承的位置不对称 因此要求轴 有较大刚度 高速级齿轮布置 在原理转矩输入端 这样 轴 在转矩作用下产生的扭转变形 可部分抵消 以减缓沿齿宽载 荷分布不均现象 用于载荷比 较平缓场合 分流 式 60 8 21 i i ii 结构复杂 但由于齿轮箱对 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 两 级 圆 柱 齿 轮 传 动 同轴式 60 8 21 i i ii 减速器横向尺寸较小 两对 齿轮浸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 机械工程学院毕业设计 论文 第 5 页 共 63 页 载能力难于充分利用 同轴分流 式 60 8 21 i i ii 每对啮合齿轮仅传递全部载 荷的一半 输入轴和输出轴只 承受转矩 中间轴只受全部载 荷的一半 风力发电机组齿轮箱的种类很多 按照传统类型可分为圆柱齿轮箱 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分为展开式 分流式和同轴式以及混 600kw 以上的风电增速箱由于功率大 大转矩的特点 通常采用功率分流 的行星传动 常见结构有 两级平行轴加一级行星和一级平行轴加两级级行星 传动两种形式 本文采用的是平行轴与行星轮系混合式齿轮箱 2 22 2 增速器基本设计要求及设计步骤增速器基本设计要求及设计步骤 表 2 2 基本参数范围 额定功率增速比输出转速输入转速分度圆压 力角 模数 600KW60 1001500 1700r min20 35r min20 5 15 1 根据传动装置的使用要求及工作特点确定传动形式为行星齿轮传动 2 确定行星传动的结构形式和选择传动方案 3 根据选定的电机的输入速度和经过减速机构减速后的输出速度 确定出这个 减速机构的传动比范围 输入转度 25r min 增速机构增速后的输出速度 1625r min 65 25 1625 i 机械工程学院毕业设计 论文 第 6 页 共 63 页 根据增速装置的用途和工作特点 传动形式定位两级定轴传动 单级行星传 动 行星传动的结构形式确定为 单级 2K H NWG 型行星传动机构 确保其 稳定性 行星轮数目为 3 其传动比范围为 由此 初定传动比5 6 1 2 1 i 分配情况如下 第一级行星齿轮传动 5 090 参考文献 1 i 7 第二级斜齿轮定轴传动 3 648 参考文献 2 i 7 第三级圆柱直齿轮传动 3 500 参考文献 3 i 7 增速器齿轮箱的主要设计要求如表 2 3 表 2 3 增速器齿轮箱的主要设计参数 转速 n r min 功率 P KW 扭矩 T N 传动比 i效率 轴 25618236192 235 090 99 轴 127 261245939 63 6480 99 轴 464 260612468 223 50 99 轴 16256003526 154 2 32 3 传动方案及运动原理图传动方案及运动原理图 根据国家有关标准规定 行星齿轮传动的分类说明如下 1 简单行星齿 轮传动 单级行星齿轮传动 2 差动行星齿轮传动 w 2 的行星齿轮传动 3 行星齿轮变速传动 多自由度的行星齿轮传动 4 组合行星齿轮传动 目前 国内生产的增速箱主要采用 2K H KGW 型行星传动 属于组合行星 齿轮传动 行星架为输入端 太阳轮为输入端 其具有如下优点 1 行星架采用焊接结构 工艺简单 重量较轻 便于加工和装配 2 动力由行星轮系系杆输入 刚性好 符合风力发电机受力大 转矩大的 特点 机械工程学院毕业设计 论文 第 7 页 共 63 页 3 第一级行星结构中太阳轮采用浮动轮的形式 通过齿轮联轴器与高速轴 而实现浮动 太阳轮重量小 惯性小 浮动灵活 结构简单 容易制造 通用 性强 当 3 时均载效果最为显著 同时简化了结构 使得结构更加的紧凑 均载效果好 缺点 功率太小 不适合大型风力发电场 蓄能装置负担较大 考虑到 600kW 风力发电机大功率 结构紧凑 高可靠性等特点 结合中国船级社风力 发电机组规范 本文采用的传动形式如图 2 1 图 2 1 600kW 风力发电机组增速箱传动简图 增速器传动结构分为三级 第一级为行星轮系 第一级行星架为输入端 由第一级太阳轮传递至第二级直齿圆柱齿轮平行轴轮系传动 第三级采用斜齿 轮平行轴轮系传动 直接与电机相联 此传动方案具有如下优点 1 低速级为行星传动 效率高 体积小 重量轻 结构简单 传递功率范 围大 成功实现了功率分流 轴向尺寸小 采用行星轮浮动 均载效果好 实 现了大传动比 2 高速级为平行轴圆柱直齿轮传动 合理分配了传动比 实现了平稳输出 降低了振动 机械工程学院毕业设计 论文 第 8 页 共 63 页 3 3 增速器整机设计增速器整机设计 3 13 1 第一级行星轮系传动设计及校核其装配条件第一级行星轮系传动设计及校核其装配条件 3 1 13 1 1 行星传动的配齿计算行星传动的配齿计算 1 单排 2K H 行星传动的装配条件为 两中心轮的齿数之和应为行星轮 数目的整数倍 即 即C n Zi w H 1 3 1 C Z 3 09 5 1 行星轮的数目 此处取 3 C 尽可能取质数 太阳轮的齿数 1 Z 依据 5 09 查行星齿轮传动设计与制造 机械工业出版社 表 4 1 可 3 1H i 得 取 因此可求得 3 43 C25 1 Z 根据传动比条件 由机械原理轮系的传动比计算可得 1 1 3 1H i H i13 1 3 Z Z 即可以表达如下 09 5 1 1 33 1 Z Z i H 机械工程学院毕业设计 论文 第 9 页 共 63 页 联立上式表达式可求得内齿圈的齿数 3 Z 104 1 3 1113 Hw iZZnCZ 根据行星齿轮传动同心条件可求出行星轮齿数 2 Z 40 2 1 132 ZZZ 初步选择齿轮的啮合角为标准值 20 3 1 23 1 2 校验行星轮齿装配条件校验行星轮齿装配条件 1 邻接条件 在设计行星齿轮传动时 为了进行功率分流 而提高其承载能力 同时也 是为了减少其结构尺寸 使其结构紧凑 经常在太阳轮与内齿轮之间 均匀的 对称的设置几个行星轮 为了使各行星轮齿顶不相碰 必须保证他们齿顶之间在 其连心线上有一定的间隙 即 ac w d n a 180 sin2 式中 行星轮的数目 此处取 3 啮合副中心距 a 行星轮齿顶圆直径 ac d 2 同心条件 所谓同心条件就是由中心轮 行星轮 的所有啮合齿轮副的实际中心距必 须相等 为了保证中心轮和行星架轴线重合 故需保证 21 ZZ 23 ZZ 3 装配条件 机械工程学院毕业设计 论文 第 10 页 共 63 页 一般行星传动中 行星轮数目大于 1 要使几个行星轮能均匀装入 并保 证与中心轮正确啮合而没有错位现象 所应具备的齿数关系即为装配条件 单排 2K H 行星传动的装配条件为 两中心轮的齿数之和应为行星轮数目的 整数倍 整数 C n ZZ w 21 行星轮的数目 此处取 3 太阳轮的齿数 1 Z 行星轮轮的齿数 2 Z 初步选模数 m 10mm 根据以上公式 初步确定行星齿轮传动的参数如表 2 4 表 2 4 第一级行星轮系参数 齿数 模数 变位系数齿顶圆齿根圆分度圆螺旋角 中心轮 251002702252500 行星轮 411004303854100 第 一 级 内齿圈 1041001020106510400 3 23 2 第二级平行轴圆柱斜齿轮设计第二级平行轴圆柱斜齿轮设计 根据齿轮的传动比分配 第二级齿轮传动比 初步选取小斜齿 648 3 2 i 轮 20 m 10 根据传动比条件可计算出 73 故初步选择的齿数参 5 4 5 2 i 数如下表 表 2 5 第一级斜齿轮传动参数表 机械工程学院毕业设计 论文 第 11 页 共 63 页 齿轮模数变位系 数 齿顶圆齿根圆分度圆螺旋角 4 73100796 85751 8577712 第 二 级 5 19100232 84187 84212 8412 具体参数如上表 由此可计算标准中心距 a 494 92mm 3 33 3 第三级平行轴圆柱直齿轮设计第三级平行轴圆柱直齿轮设计 由第一级 第二级的尺寸大小初步选定 m 8 根据第三级的传动 7 25 比 故可计算齿轮参数如表 2 6 5 3 3 i 表 2 6 第三级平行轴直齿轮参数 齿轮模数变位系 数 齿顶圆齿根圆分度圆螺旋角 6 88805445155280 7 25802161902000 标准中心距 a 364mm 3 4 齿轮的结构设计 齿轮的结构与所用材料 毛坯大小及制造方法有关 锻造毛坯适用于齿顶 圆直径的齿轮一般制成腹板式 自由锻毛坯适用单件小批量生产 a d 500 模锻毛坯经常在大批量生产条件下采用 当齿顶圆直径时 用轧制圆钢做毛坯 可制成实心结构 a d 400 构 常用材料为铸钢和铸铁 结构尺寸可以查阅机械设计手册 机械工程学院毕业设计 论文 第 12 页 共 63 页 通过前面齿轮传动的强度计算 已确定出齿轮的主要尺寸 如齿数 模数 齿宽 螺旋角 分度圆直径等 现对齿轮的齿圈 轮辐 轮毂等的结构形式及 尺寸大小进行设计 由于大齿轮 1 的齿顶圆直径 所以大齿轮 1 做成轮mm100000mm4 a d 辐面为 十 字形的轮辐式结构 齿轮的主要尺寸见零件图 由于大齿轮 2 的齿顶圆直径 故大齿轮 2 选用腹板式mm500mm160 a d 结构 齿轮的主要尺寸见零件图 3 53 5 行星轮传动部分结构设计行星轮传动部分结构设计 3 5 13 5 1 太阳轮的结构及其工艺制造路线太阳轮的结构及其工艺制造路线 为便于轴与齿轮之间的连接 本文将太阳轮制成齿轮轴的形式 并利用鼓 形渐开线花键实现与上一级行星架的连接 可使中心轮在一定范围内轻微摆动 实现均载 如图 2 2 图 2 2 太阳轮机构 太阳轮的材料选择及工艺过程 太阳轮的材料选择为 20CrMnTi 其工艺 路线为锻造 退火 粗车 正火 半精车 粗滚齿 滚齿形齿 倒角 渗碳淬火 喷丸 精车 精滚齿 磨齿 检查 对于 m 4 的太阳轮 为了减少磨齿余量 提高磨齿效率 磨齿前可以采用 硬质合金刀滚刀进行半精加工 硬齿面的承载能力往往受抗弯疲劳强度的限制 机械工程学院毕业设计 论文 第 13 页 共 63 页 因此关键是如何提高硬齿面的翅根弯曲疲劳强度 对齿轮进行喷丸处理 可以 使齿根圆角处表面产生较大的残余压应力 另一方面使加工刀痕或热处理表面 缺陷压平碾实 从而提高齿轮的弯曲疲劳强度 尤其是对于渗碳淬火齿轮齿根 圆角处磨前滚齿留有刀痕时 受载时间比较长 循环次数大于 效果更明显 106 其疲劳强度可以成倍或几倍的提高 3 5 23 5 2 行星轮的结构行星轮的结构 行星轮的结构应根据行星齿轮传动的类型 承载能力的大小 行星轮转速 的高低和所选用的轴承类型及其安装形式而确定 在大多数的行星传动中 行 星轮应具有内孔 以便在该内孔中轴承或与心轴配合 同时这种带有内孔的行 星轮结构 可以保证在一个支承和支承组件上的安装方便和定位精确 为了减 少个行星轮间的尺寸差异 可以将同一个行星齿轮传动中的行星轮组合起来 进行加工 这样制造的行星轮可以装配在整体式行星架上 由于风力发电机传动比较大 故本文中采取轴承安装在行星齿轮轴孔内的 方式 以减小传动的轴向尺寸 并使装配结构简化 当一般壁厚度 m 3 为模数 时 为改善轴承受力情况 应使行星轮孔内两个轴承之间的距离最大 这样的装配形式也可使载荷沿齿宽方向分布均匀 在行星轮孔内装一个双列调 心滚子轴承也可以减小载荷沿齿宽分布的不均匀性 由于行星轮载荷较大 本 文中采用了安装两个双列调心滚子轴承的方式 行星轮结构如图 2 3 图 2 3 行星轮结构 机械工程学院毕业设计 论文 第 14 页 共 63 页 3 5 33 5 3 行星架的设计行星架的设计 行星架是行星齿轮传动装置中的主要构件之一 行星轮轴或轴承就装在行 星架上 当行星架作为基本构件时 它是机构中承受外力矩最大的零件 行星 架的结构设计和制造对各行行星轮的载荷分配以至传动装置的的承载能力 噪 声和振动等有很大影响 行星架的合理结构应该是重量轻 刚性好 便于加工和装配 其常见的结 构形式有双臂整体式 双臂分开式和单臂式三种 本次设计选用的行星架为双 臂整体式 毛坯选用铸钢材料 ZG340 640 这种结构具有良好刚性 结构如下 图 2 4 图 2 4 双臂整体式行星架 双臂整体式行星架的刚性好 这种结构如果采用整体锻造则切削加工量很 大 因此可用铸造和焊接方法得到结构和尺寸接近成品的毛坯 但应注意消除 铸造或焊接缺陷和内应力 否则将影响行星架的强度 加工质量及使用时可能 产生变形 双臂整体式 通过中间连接板联结在一起 连接板的数量和尺寸与行星轮 数目有关 当不装轴承时可按经验选取 0 25 0 3 0 2 0 25 1 2 尺寸应比行星轮外径大 10mm 以上 连接板内圆半径按参考文献渐开线行 8 星齿轮传动设计 8 3 节进行确定 机械工程学院毕业设计 论文 第 15 页 共 63 页 4 4 材料选择材料选择 4 14 1 各零件的材料选择各零件的材料选择 在行星齿轮中 各齿轮轮齿较常见的失效形式有齿面点蚀 齿面磨损和轮 齿折断 在行星齿轮传动中 各齿轮的轮齿工作时 其接触应力是按脉动循环 变化的 若齿面接触应力超出材料的接触持久极限 则轮齿在载荷的多次重复 下 齿面表层产生细小的疲劳裂纹 裂纹的蔓延扩展 使表层金属微粒剥落而 形成疲劳点蚀 轮齿出现疲劳点蚀厚 严重影响传动的稳定性 且致使产生振 动和噪声 影响传动的正常工作 甚至引起行星传动的破坏 在本次设计的一级行星齿轮传动和二级平行轴式齿轮传动 由于行星齿轮 传动的中心轮处于输入轴上 且同时与三个行星轮相啮合 应力循环次数最多 承载载荷较大 工作条件较差 因此 该中心轮首先产生齿面点蚀 磨损和轮 齿折断的可能性较大 内啮合的齿轮副的接触应力一般比外啮合齿轮副要小得 多 但经过试验和实际使用发现 在低速重载的行星轮齿轮传动中 内齿轮轮 齿的吃面接触强度可能低于计算值 即使其齿面接触应力大于许用的接触应 力 从而出现齿面点蚀的现象 所以在设计行星齿轮传动中 确定该内啮合 齿轮副的许用接触应力时 必须考虑上述情况 由于风力发电机组具有工作环境恶劣 受力情况复杂等特点 因此 与一 般传动机构相比 除了要满足机械强度条件外 还应满足极端温差条件下的一 些机械特性 如低温抗脆性 低膨胀收缩率等 对于传动部件而言 一般情况 下不采用分体式结构或者焊接结构 齿轮毛坯尽可能采用轮辐轮缘整体锻件形 式以提高承载能力 齿轮采用优质合金钢锻造制取毛坯己获得良好的力学特性 表 2 6 列出本文所设计的增速器各传动部件的材料及力学性能 机械工程学院毕业设计 论文 第 16 页 共 63 页 材料的机械性能包括硬度 强度 韧性及塑性等 反映材料在使用的过程 中所表现出来的特性 齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力 齿根部有最大的 弯曲应力 可能产生齿面或齿体强度失效 齿面各点都有相对滑动 会产生磨 损 齿轮主要的失效形式有齿面点蚀 齿面塑性变形 齿面胶合和轮齿折断等 因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度与接触疲劳强度 齿面需有足够的硬度 和耐磨性 芯部得有一定的强度和韧性 根据材料的使用性能确定了材料牌号后 要明确材料的机械性能或者材料 硬度 然后我们可以通过不同热处理工艺达到所要求的硬度范围 从而赋予材 料不同的机械性能 如材料为 40Cr 合金钢的齿轮 当 840 860 油淬 540 620 回火时 调质硬度可达 28 32HRC 可改善组织 提高综合机械性能 当 860 880 油淬 240 280 回火时 硬度可达 46 51HRC 则钢的表面耐磨性 能好 芯部韧性好 变形小 当 500 560 氮化处理 氮化层 0 15 0 6mm 时 硬度可达 52 54HRC 则钢具有高的表面硬度 高的耐磨性 高的疲劳强度 较 高的抗蚀性 根据需求各零件材料选择如下表 表 2 7 各传动部件材料及力学性能 传动 件 材料热处理 接触强度 MPa 弯曲强度 MPa 加工精度 太阳轮 行星轮 20CrMnTi 渗碳淬火 1500480 磨齿 5 级 内齿圈 40CrNi 调质 720320 插齿 6 级 直 斜齿 轮 20CrMnTi 渗碳淬火 1500480 磨齿 5 级 机械工程学院毕业设计 论文 第 17 页 共 63 页 5 5 强度校核强度校核 5 15 1 行星传动轮系的强度校核行星传动轮系的强度校核 根据国家标准 渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法 GB T 3480 1977 在行星轮系传动中 太阳轮与三个行星轮相接触 其接触应力最大 故只需验证 该啮合副齿轮接触强度即可 由机械设计手册可以求得以下数据 5 1 15 1 1第一级行星轮系的强度校核第一级行星轮系的强度校核 1 太阳轮与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 20CrMnTi 渗碳淬火 齿面硬度 56 62HRC 查阅机械设计手册第一卷 选取 MPa1500 lim H MPa480 lim F 输入轴转矩 2 mN 229200 25 600 95509550 n P 太阳轮输入转矩为 mN 5 45029 09 5 229200 2 1 i T T 太阳轮轮齿上的转矩为 mN8 16510 3 5 45029 1 1 1 p p n T kT 式中 np 行星轮个数 np 3 机械工程学院毕业设计 论文 第 18 页 共 63 页 kp 太阳轮浮动时载荷分配的不均衡系数 使用系数参照 GB3480 kp 1 1 表 2 8 齿宽系数的选择 装置状况两支承相对于小 齿轮作对称布置 两支承相对于小齿 轮作不对称布置 小齿轮做悬臂布 置 0 8 1 4 1 2 1 9 0 7 1 15 1 1 1 65 0 4 0 6 1 大 小齿轮皆为硬齿面时 应取表中偏下值 若皆为软齿面或仅大 齿轮为软齿面 其应取偏上值 根据上表取 宽为 根据计算公式可得齿83 0 d mm 5 207mm25083 0 111 dB 圆整后取 210 1 B205 2 B 齿轮参数的各系数确定如下 使用系数 根据机械设计第八版教材表 10 2 濮良贵编写 齿轮箱 所处环境为严重冲击状况 故取 1 75 动载系数 考虑齿轮的制造精度 运转速度对轮齿内部附加动载荷 影响的系数 的精确值可通过实际测量 或按 GB3480 1983 的一般方法确 定 其近似值可根据小齿轮相对于行星架的节点线速度和齿轮精度 由机械设 计第八版图 10 8 查取动载荷系数0123 1 V K m s666 1m s 100060 25 127250 100060 1 nd v 机械工程学院毕业设计 论文 第 19 页 共 63 页 由于齿轮选取为 6 级精度 故根据表 10 6 近似取0123 1 V K 齿向载荷分布系数 考虑沿齿宽方向载荷分布不均匀对齿面接触 H K 应力影响的系数 该系数主要与齿轮加工误差 箱体轴孔偏差 啮合刚度 大 小轮轴的平行轴 跑合情况 齿宽系数和行星轮数目等有关 对于轮齿修形后 使其接触情况良好的齿轮副 或经过仔细跑合后使载荷沿齿向均匀分布 则可 取 1 在无法实现时 对于中等或较重载荷工况 对调质齿轮的按表 H K H K 行星齿轮传动设计 饶振刚编著 表 6 8 计算 表中精度等级为齿轮第 公差 组精度 29 10003 0 18 01 1 2 1 bdbKH 式中 b 为齿宽 行星轮分度圆直径 1 齿向分布载荷系数 弯曲强度计算时的齿向载荷分布系数 表征齿面上载荷不均匀的程 F K 度对轮齿强度的影响 齿轮的可根据其 齿宽 b 与齿高比 b h 从图 F K 10 13 中查得257 1 F K 齿间载荷分布系数 根据机械设计第八版表 10 3 齿间载荷 F K H K 分配系数 如下表 2 9 所示 表 2 9 齿间载荷分配系数 b A K 100N mm 1 行星轮与内齿圈弯曲强度校核 内齿轮的材料选用 42CrMo 调质 齿面硬度 HBS 260 查机械设计手册第 一卷 选取 MPa720 lim H MPa320 lim F 由机械设计第八版表 10 7 选取齿宽系数取 0 5 由机械设计第八版公式 200mm 圆整后取 B 200mm 3 内齿轮齿根弯曲应力为 MPa9 484MPa 10200 4 132086 129 1 01 175 1 6 417 0 bm F KKKKYYY t FFVAFSF 齿根许用弯曲应力为 MPa392 735MPa 25 1 480 95 09 0120 1 21 lim F F XRrelTrelTSTNTFP S YYYYY 计算弯曲强度的寿命系数 查行星齿轮传动表 6 16 取 NT Y1 NT Y 机械工程学院毕业设计 论文 第 24 页 共 63 页 试验齿轮的应力修正系数 采用行星齿轮传动的时 取 ST Y limF 2 ST Y 相对齿根表面状况系数 查行星齿轮传动设计表 6 18 取 RrelT Y 120 1 RrelT Y 相对齿根圆角敏感系数 查行星齿轮传动图 6 33 取 relT Y 9 0 relT Y 计算弯曲强度的尺寸系数 查行星齿轮传动表 6 17 得 X Y 或者图 6 32 取 m01 0 05 1 X Y95 0 X Y 计算弯曲强度的最小安全系数 查表行星齿轮传动设计饶振刚编著 F S 书中 表 6 11 1 25 F S 齿根弯曲强度的安全系数为 52 1 9 484 392 735 F FP F S 由于其安全系数大于 1 故此参数设计合理 5 25 2 第二级斜齿圆柱齿轮强度校核第二级斜齿圆柱齿轮强度校核 材料选用 20CrMnTi 渗碳淬火 齿面硬度 56 60HRC 查阅手册 选取 MPa1500 lim H MPa480 lim F 输入轴转矩 查手册选取齿宽系数mN 3 38286 2 Trpm25 127 2 n 根据机械设计公式可得 B 1 圆整后取 1 1 213 213 mm215 2 Bmm220 1 B 齿轮 z1受到转矩为 mN 1 10506mN 648 3 3 38326 2 1 i T T 机械工程学院毕业设计 论文 第 25 页 共 63 页 各齿轮参数的系数确定如下 使用系数 根据机械设计第八版教材表 10 2 濮良贵编写 齿轮箱 所处环境为严重冲击状况 故取 1 75 动载系数 考虑齿轮的制造精度 运转速度对轮齿内部附加动载荷 影响的系数 的精确值可通过实际测量 或按 GB3480 1983 的一般方法确 定 其近似值可根据小齿轮相对于行星架的节点线速度和齿轮精度 由机械设 计第八版图 10 8 查取动载荷系数05 1 V K 小齿轮的速度 v 1 zm s17 5 m s 100060 21 464 8 212 100060 1 nd v 齿向载荷分布系数按表行星齿轮传动设计 饶振刚编著 表 6 8 H K 计算 表中精度等级为齿轮第 公差组精度 394 1 0003 0 18 0 15 1 2 1 bdbKH 弯曲强度计算时的齿向载荷分布系数 表征齿面上载荷不均匀的程 F K 度对轮齿强度的影响 齿轮的可根据其 齿宽 b 与齿高比 b h 从图 F K 10 13 中查得 348 1 F K 齿轮间载荷分布系数为 1 FH KK 齿面接触应力为 机械工程学院毕业设计 论文 第 26 页 共 63 页 1046 7MPa 215213 29 97549 648 3 1648 3 1383 1026 1 75 188 0 99 0 45 2 9 188 1 1 bd F u u KKKZZZZ t HVAHEH 式中 钢制齿轮的弹性系数 行星齿轮传动设计表 6 10 可得 E Z 2 N mm 9 188 E Z 节点区域影响系数 圆柱斜齿轮查机械设计第八版图 H Z45 2 H Z 10 30 螺旋角系数 根据行星齿轮传动 计算参照式 6 66 Z 99 0 12coscos Z 重合度系数 参考行星齿轮传动饶振刚编著式 6 63 Z 为与的重合度 88 0 3 675 1 4 3 4 Z 20 1 Z 2 Z73 675 1 圆周力 t FN29 97549 213 10389100022 2 d T Ft 齿面许用接触应力为 MPa1370 1 1500 1945 0 967 098 0 02 1 lim H H WRXVLHP S ZZZZZ 接触强度的安全系数为 31 1 7 1046 1370 H HP H S 式中 润滑剂系数 润滑区的油粘度的影响 其数值主要与油粘度 L Z 有关 根据行星齿轮传动设计 饶振刚编著图 6 17 选取02 1 L Z 机械工程学院毕业设计 论文 第 27 页 共 63 页 速度系数 根据行星齿轮传动饶振刚编著图 6 19 可得查 V Z98 0 V Z 98 0 808 1 40 1 157 0 93 0 40 1 157 0 93 0 v ZV 粗糙度系数 其值可以由行星齿轮传动设计图 6 19 查得 R Z 0 945 或由 R Z 945 0240 583 1 1 10 531 0 1 531 0 08 0 3 08 0 3 1 du R Z z R 工作硬化系数 考虑加工的硬齿面在运转中对调质刚内齿圈齿面 W Z 产生冷作硬化 查行星齿轮传动设计 式 6 68 1 2 130 1700 或者由图 6 20 查得 1 W Z 接触强度计算时的尺寸系数 查行星传动设计 表 6 15 材料选 X Z 择为渗碳淬火钢 其计算公式 0 967m0109 0 076 1 X Z 第二级齿轮 齿根弯曲应力为 MPa8 274MPa 10215 29 97549 1338 1 026 1 75 1 2 487 069 0 bm F KKKKYYY t FFVAFSF 式中 重合度系数 Y69 099 0 675 1 75 0 25 0 cos 75 0 25 0 22 Y 螺旋角系数 Y87 0 120 1 Y 齿形系数 FS Y2 4 FS Y 齿根许用弯曲应力为 机械工程学院毕业设计 论文 第 28 页 共 63 页 MPa656MPa 25 1 480 95 0 9 012 lim F F XRrelTrelTSTFP S YYYY 输入齿根弯曲强度的安全系数为 387 2 8 274 656 F FP F S 5 35 3 第三级直齿圆柱齿轮强度校核第三级直齿圆柱齿轮强度校核 材料选用 20CrMnTi 渗碳淬火 齿面硬度 56 60HRC 查阅手册 选取 MPa1500 lim H MPa480 lim F 输入轴转矩 mN 1 10389 2 Trpm21 464 2 n 查手册选取齿宽系数1 d 计算齿宽为 mm200mm2001 111 db 取mm195 2 Bmm200 1 B 小齿轮受到转矩 mN3 2968mN 5 3 1 10389 2 1 i T T 齿轮参数各系数确定如下 使用系数根据机械设计第八版教材表 10 2 濮良贵编写 齿轮箱所处环境 为严重冲击状况 故取 75 1 A K 动载系数 考虑齿轮的制造精度 运转速度对轮齿内部附加动载荷 影响的系数 的精确值可通过实际测量 或按 GB3480 1983 的一般方法确 定 其近似值可根据小齿轮相对于行星架的节点线速度和齿轮精度 由机械设 计第八版图 10 8 查取动载荷系数067 1 V K 机械工程学院毕业设计 论文 第 29 页 共 63 页 为小齿轮的线速度m s67 10m s 100060 1 1544132 10060 1 nd vv 由于齿轮选取为 6 级精度 故根据表 10 6 近似取067 1 V K 齿向载荷分布系数 考虑沿齿宽方向载荷分布不均匀对齿面接触 H K 应力影响的系数 该系数主要与齿轮加工误差 箱体轴孔偏差 啮合刚度 大 小轮轴的平行轴 跑合情况 齿宽系数和行星轮数目等有关 对于轮齿修形后 使其接触情况良好的齿轮副 或经过仔细跑合后使载荷沿齿向均匀分布 则可 取 1 在无法实现时 对于中等或较重载荷工况 对调质齿轮的按表 H K H K 行星齿轮传动设计 饶振刚编著 表 6 8 计算 表中精度等级为齿轮第 公差 组精度 378 1 0003 0 18 01 1 2 1 bdbKH 式中 b 为齿宽 直齿轮分度圆直径 1 齿向分布载荷系数 弯曲强度计算时的齿向载荷分布系数 表征齿面上载荷不均匀的 F K 程度对轮齿强度的影响 齿轮的可根据其 齿宽 b 与齿高比 b h 从图 F K 10 13 中查得 334 1 F K 齿间载荷分布系数 根据机械设计第八版表 10 3 齿间载荷 F K H K 分配系数 1 FH KK 齿面接触应力为 机械工程学院毕业设计 论文 第 30 页 共 63 页 580 5MPa 200200 1 29683 5 3 15 3 1378 1067 175 1 78 0 15 2 9 188 1 1 bd F u u KKKZZZZ t HVAHEH 式中 钢制齿轮的弹性系数 E Z 2 N mm 9 188 E Z 节点区域影响系数 H Z5 2 H Z 螺旋角系数 Z1cos Z 重合度系数 为与的 Z78 0 647 1 11 Z 22 1 Z 2 Z65 重合度 88 2 圆周力 t FN 1 29683 200 3 2968100022 2 d T Ft 齿面许用接触应力为 MPa1424 1 1500 1945 0 005 198 0 02 1 lim H H WRXVLHP S ZZZZZ 试验齿轮的齿根弯曲疲劳极限 N limH 2 润滑系数 L Z02 1 220 112 1 25 0 91 0 112 1 25 0 91 0 22 40 L Z 速度系数 V Z98 0 783 4 40 1 157 0 93 0 40 1 157 0 93 0 v ZV 粗糙度系数 R Z 945 0 8 174 6315 31 10 531 0 1 531 0 08 0 3 08 0 3 1 du R Z z R 机械工程学院毕业设计 论文 第 31 页 共 63 页 工作硬化系数 根据行星齿轮传动设计 取 W Z1 W Z 接触强度计算时的尺寸系数 X Z0 967m0109 0 076 1 X Z 齿面接触强度安全系数为 45 2 5 580 1424 H HP H S 齿根弯曲应力为 MPa26 155MPa 8200 1 29683 1334 1 067 1 75 1 8 417 0 bm F KKKKYYY t FFVAFSF 式中 重合度系数 Y7 0 0 cos 647 1 75 0 25 0 cos 75 0 25 0 22 Y 螺旋角系数 Y1 120 1 Y 齿形系数 FS Y8 4 FS Y 齿根许用弯曲应力为 MPa656MPa 25 1 480 95 0 9 012 lim F F XRrelTrelTSTNTFP S YYYYY 计算弯曲强度的寿命系数 NT Y 试验齿轮的应力修正系数 采用行星齿轮传动的时 取 ST Y limF 2 ST Y 相对齿根表面状况系数 RrelT Y 相对齿根圆角敏感系数 relT Y 机械工程学院毕业设计 论文 第 32 页 共 63 页 计算弯曲强度的尺寸系数 X Y 计算弯曲强度的最小安全系数 查表行星齿轮传动设计饶振刚编著 F S 书中 表 6 11 1 25 F S 齿根弯曲强度安全系数为 22 4 26 155 656 F FP F S 由上述校核可知 该传动设计方案基本符合强度要求 切实可行 该方案 选取大齿宽和高等级制造精度保证机构运动平稳 避免了点蚀和胶合等失效情 况的出现 选取合适的传动比来满足传动要求 结构较安全可靠 机械工程学院毕业设计 论文 第 33 页 共 63 页 6 6 主要构件设计选用与计算主要构件设计选用与计算 6 16 1 输入轴的设计与校核输入轴的设计与校核 1 初步计算输入轴的最小尺寸 选取轴的材料为 40CrNi 调制处理 260 290HBS 取 于是得MPa1100 900 b MPa650 s 0 110 mm 5 317 25 600 1103 3 0min n p Ad 此处考虑轴的材料为 40CrNi 故初步选择轴的直径为 250mm 以减少齿轮箱的 尺寸 2 输入轴连接形式选择及校核计算 考虑到风力发电机的输入轴的安装和拆卸麻烦 并且受重在冲击 所以输 入轴采用胀紧连接 胀紧连接的主要用途是代替单键和花键的连接作用 以实现机件与轴的连 接 用以负荷 其功能在使用中分胀紧与锁紧两大类 胀紧套在使用时通过高 强度螺栓的作用 使内环与轴之间 外环与轮毂之间产生巨大的抱紧力 使内 环与轴之间产生抱紧 常称作锁紧盘或锁紧环 如 型 当承受负荷时 7 Z 10 Z 靠胀紧套与机件的结合力及相伴产生的摩擦力传递转矩 轴向力或两者的复合 载荷 胀紧连接是一种新型传动连接方式 与一般过盈连接 有键连接相比 有 许多独特的优点 1 使用胀套使主机零件制造和安装简单 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 胀套安装时无需加热 冷却或加压设备 只需将螺栓按要求的转矩拧紧即可 且调整方便 可以将轮毂在轴上方便地调 整到所需位置 胀套也可用来连接焊接性差的零件 机械工程学院毕业设计 论文 第 34 页 共 63 页 2 胀套的使用寿命长 强度高 胀套依靠摩擦传动 对被连接件没有键槽 削弱 也无相对运动 工作中不会产生磨损 3 胀套连接在超载时 将失去连接作用 可以保护设备不受破坏 4 胀套连接可以承受多重负荷 其结构可以做成多种式样 根据安装负荷 大小 还可以多个胀套串联使用 5 胀套拆卸方便 且具有良好的互换性 由于胀套能把较大配合间隙的轴 毂结合起来 拆卸时将螺栓宁松 即可使被连接件容易拆开 胀紧时 接触面 紧密贴合不易锈蚀 也便于拆开 2 按弯扭合成应力校核轴的强度 根据表中的数据及轴的单向旋转 扭转切应力为脉动循环变应力 其轴的 应力 2 2 0 1 43 15 17710 2 0 6 229200 2 0 31