高剪切均质机总体设计-开题报告

毕业设计 (论文)开题报告题目：高效风能增速机系 （部）： 机电信息系 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 20012 年 12 月 26 日1.毕业设计（论文）题目背景、研究意义及国内外相关研究情况1.1 引言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。近年来，随着我国能源的持续紧缺及生态环境的日益恶化，风能作为最有开发利用前景和技术最成熟的一种可再生的清洁能源，越来越受到重视。我国的风能资源非常丰富，风电技术也日趋成熟，风力发电的发展非常迅速。 风力发电机组是将风能转化为电能的机械，风轮是风力发电机组最主要的部件，由桨叶和轮毅组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在气流作用下产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速，驱动发电机转变成电能。齿轮箱作为风电机组中的核心部件，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。 齿轮箱安装在距地面几十米甚至一百多米高的狭小机舱内，其本身的体积和重量对机舱、塔架、基础、机组风载、安装维修费用等都有重要影响，因此减小齿轮箱外形尺寸和重量显得尤为重要。同时，由于维修不便、维修成本高，通常要求齿轮箱的设计寿命为 20 年，对可靠性的要求也极为苛刻。载荷特点、工作环境以及尺寸、重量、可靠性的要求，决定了风电增速箱是工业齿轮箱中设计制造难度最大的产品之一。 本设计的主要目的在于了解风电齿轮箱的工作原理、构造形式、实际应用等情况后基础上，根据计算载荷设计出合理的发电齿轮箱及其主要零部件。1.2 风齿轮箱的结构型式 目前国内外的大型风电齿轮箱的主要结构型式有三种：（1）二级平行轴， （2）三级平行轴， （3）一级行星加二级平行轴， （4）二级行星。在大功率的风电齿轮箱中主要是第种结构型式，即为一级行星加二级平行轴的结构型式。其传动路线是；桨叶传动轴收缩套行星架太阳轮第二级平行轴大齿轮第二级平行轴小齿轮第一级平行轴大齿轮第一级平行轴小齿轮发电机。 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:一级行星十两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。行星传动是典型的低速、重载、变转矩和增速传动。风电增速齿轮箱通过行星架输入风轮叶片传来的转矩，由于行星架结构复杂，承受力矩最大，质量和尺寸也较大，所以它的变形对行星级的内外啮合齿轮传动的质量和可靠性有很大影响。因此，要求行星架要有足够的强度、刚度和较小的尺寸、质量。 1.3 风电齿轮箱的主要零部件 （1）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，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。（2）行星架 行星架是行星机构中结构较为复杂的零件，承受力矩最大，要求足够的强度与刚度，受载变形要小。通常采用整体双壁式结构。(3)齿轮、轴 风力发电机组运转环境非常恶劣，受力情况复杂，对齿轮和轴类零件而言，由于其传递动力的作用而要求极为严格的选材和结构设计，一般情况下不推荐采用装配式拼装结构或焊接结构，齿轮毛坯只要在锻造条件允许的范围内，都采用轮辐轮缘整体锻件的形式。当齿轮顶圆直径在 2 倍轴径以下时，由于齿轮与轴之间的连接所限，常制成轴齿轮的形式。由于制动器一般装于高速端，瞬间制动对高速轴的冲击较大，高速轴故障频率较高，高速轴设计安全系数宜大不小。由于制动器一般装于高速端，瞬间制动 对高速轴的冲击较大，高速轴故障频率较高，高速轴设计安全系数宜大不小。 同时应考虑高速轴维修方便，以在机舱上能完成维修任务为佳。(4)轴承 由于风电增速箱可靠性要求高，要求采用进口高可靠性及高性能的轴承，原则上轴承设计寿命为 13 万小时。 输入端大轴承采用单列满滚子轴承较为普遍，对于中小功率齿轮箱也有采用双列调心滚子轴承的。 行星轮中间的轴承以采用短圆滚子轴承或双列调心滚子轴承为宜。(5)联接平键联接 常用于具有过盈配合的齿轮或联轴器与轴的联接。 花键联接 通常这种联接是没有过盈的，因而被联接零件需要轴向固定。过盈配合联接 过盈配合联接能使轴和齿轮（或联轴节）具有最好的对中性，特别是在经常出现冲击载荷情况下，这种联接能可靠地工作，在风力发电齿轮箱中得到广泛的应用。 胀紧套联接 利用轴、孔与锥形弹性套之间接触面上产生的摩擦力来传递动力，是一种无键联接方式，定心性好，装拆方便，承载能力高，能沿周向和轴向调节轴与轮毂的相对位置，且具有安全保护作用。1.4 风电齿轮箱的设计技术发展现状目前国内兆瓦级以上风电齿轮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课题。 而风电增速箱又是风电机组中的核心部件，是瓶颈技术。风电增速箱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、原材料以及制造和安装水平都不一样，大部分进口或国产齿轮箱都运行不足 3 年而停机大修，原因有很多，其中设计落后是最重要的一方面。 国内风电齿轮箱的发展前景广阔，但起步晚，技术落后，机遇与挑战并存。在设计的过程中综合考虑质量、体积、可靠性、经济性、安全、实际结构、热处理、工作环境等因素，指导生产实践，是我国风电产业当前的发展要务。 2.本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1 主要内容：本课题需要了解风电齿轮箱的工作原理和控制特点，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） ，设计润滑、冷却和加热系统，完成风电变桨机构整个部件的装配图及零件加工图。 研究方法： 2.1.1 查阅资料，熟悉国内外风力发电风电齿轮箱的现状和发展趋势；2.1.2 理解风电齿轮箱工作原理及结构分析，确定齿轮箱总装设计思路； 2.1.3 建立准确的分析模型，准确求解受载轮齿的载荷分布；2.1.4 完成主要零部件设计并进行强度校核，绘制零件加工图，选定加工工艺； 2.1.5 编写设计说明书。3.本课题研究的重点及难点，前期已开展工作3.1 重点及难点:风力发电齿轮箱的作用是将风力带动的槳叶经齿轮箱增速后传给发电机发电，风电齿轮箱是风力发电动力传递的核心装置，一旦齿轮箱出了问题，整台发电设备就处于瘫痪状态，而且齿轮箱处于几十米的高空，维修吊装极为困难，由于齿轮箱使用工况很不稳定，工况极其恶劣，而且要持续每年天以上运行。这些都应该在齿轮箱的设计中考虑和解决的问题。因此齿轮箱的设计必需安全可靠，经久耐用。因此风力发电齿轮箱设计思想是3.1.1 思想上不要局限在国外已有产品的水平上，要打破框框，要根据国内的材料、工艺加工、使用等实际情况设计风电齿轮箱。3.1.2 核心的问题是提高齿轮强度提高安全系数，提高可靠性，达到上述 K、W 设计要求。在提高可靠性的同时，要保持同型号的齿轮箱的重量和外形尺寸基本一致，尽可能保持安装尺寸的通用性，当然重量变轻、尺寸能缩小更好。3.1.3 由于齿轮箱的维修非常困难，且不经济，最好做到更换小零件不用吊到地面，在舱内就可以进行。平时能最大限度的观测齿轮箱内部的运行情况，及时发现问题和检修。3.1.4 轴承的选用以寿命长为原则，在同样的条件下应选用额定负荷最大的轴承，使用寿命最长。3.1.5 彻底解决漏油问题。3.2 前期工作：3.2.1 查阅了相关专业资料为设计做好准备；3.2.2 完成和分析最佳方案、文献综述；3.2.3 完成了总体零件图的测绘及其工艺性分析；3.2.4 进行了风电增速机结构的分析，拟订了备选结构方案。4.完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）12 周：熟悉课题，根据老师给的资料运用 Auto CAD 等软件绘制零件图，翻译外文资料。 34 周：确定风电增速机结构，绘制结构草图，准备开题答辩。 58 周：对增速机尺寸及公差进行设计计算，并运用 Auto CAD 辅助完成部分设计，准备中期答辩。 914 周：运用 Auto CAD 完成整体结构图，完成选材、工艺规程的编制、装配图及零件图的 绘制等工作。1518 周：对所有图纸进行校核，编写设计说明书，所有资料提请指导教师检查，准备毕业答辩。 5.指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师： 年 月 日6.所在系审查意见：系主管领导： 年 月 日参考文献1 刘忠明，段守敏，王长路风力发电齿轮箱设计制造技术的发展与展望 机械传动 ，2006 年第 30 卷第 6 期 2 董进朝大型风电齿轮箱关键技术研究郑州机械研究所硕士学位论文，2007 年 7月 3 凡增辉兆瓦级风电齿轮箱设计与研究北京交通大学机电学院硕士学位论文，2009年 6 月 4 刘忠明，尚珍，董进朝，张和平，张志宏风电增速箱齿轮设计计算若干问题探讨 机械传动 ，2008 年第 32 卷第 6 期 5 李俊峰等2008 中国风电发展报告中国环境科学出版社， 2008 年 10 月 6 施鹏飞关于中国风电发展的思考 电力技术经济 ，2006 年第 18 卷第 4 期 7 肖英风力发电机增速装置的研究哈尔滨工业大学硕士学位论文，2006 年 8 月.8 李华敏，李瑰贤等齿轮机构设计与应用机械工业出版社，2007 年 6 月 9 施火结渐开线变位齿轮参数化精确造型与齿根应力分析的研究福建农林大学硕士学位论文，2007 年 7 月 10 赵洪杰，马宇春风力发电的发展状况与发展趋势 水利科技与技术 ，2006 年第12 卷第 9 期 11 秦大同等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 年第 32 卷第 4 期 12 王晶晶，吴晓铃风电齿轮箱的发展及技术分析 机械传动 ，2008 年第 32 卷第 6期 13 张立勇，王长路，刘法根风力发电及风电齿轮箱概述 机械传动 ，2008 年第 32卷第 6 期 14 张志宏，刘忠明，张和平，阳培大型风电齿轮箱行星架结构分析及优化 机械设计 ，2008 年 9 月 15 郭爱贵，范为民，魏静，孙伟太重型风力发电增速齿轮箱有限元分析 机械设计 ，2009 年第 33 卷第 6 期 16 邢子坤基于动力学的风力发电机齿轮传动系统可靠性评估与参数优化 重庆大学学报 ，2007 年 1 月 17 陈达，张玮风能利用和研究综述 节能技术 ，2007 年 4 月 18 雷涛，廖承渝，袁滨风电齿轮的重点装备 现代零部件 ，2008 年 6 月 19 渡边哲雄日风力发电机变速箱轴承的高可靠性技术国外轴承技术2006 年 2月 20 Richard Dorling，Barry JamesA New Methodology for Wind Turbine Gearbox design and AssessmentRomax Technology ， Nottingham，England，2008 21 Kousaku OHNO，Naoyuki TANAKA Contact Stress Analysis for Helical Gear with 3-Dimensional Finite Element Method，2001:1-7 22 Robert Errichello and Jane Muller. Overview of AGMA/AWEA 6006 Standard for Design and Specification of Gearboxes for Wind Turbines.GEARTECH Reprot No.2070，2002 23 Joseph L. Hazelton