【JX104】高效风能增速机设计[KT+FY][4A0]
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【JX104】高效风能增速机设计[KT+FY][4A0],jx104,高效,风能,增速,设计,kt,fy,a0
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I 本科毕业设计 (论文 ) 题目 ： 高效风能增速机 系 别： 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： 2013年 5 月 要 随着化石燃料的日益减少，能源问题已成为关系国民经济发展和人类生存的重要问题，对可再生能源的开发和利用迫在眉 睫。风能是一种干净的、储量非常丰富的可再生能源，它不会随着其本身的转化和利用而减少，可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。由于风力发电其环境效益好，风电场建设周期短，占地面积小，广泛受到各国的关注，我国也正在大力研究风力发电技术。 本文主要做了以下几方面的工作：首先，确定增速箱的机械结构。采用一级行星加上两级圆柱齿轮传动综合行星齿轮传动的小型化和圆柱齿轮的大传动比，按照所给定的工作环境变量确定齿轮副参数和传动部件的结构其次，利用回差分析理论分析侧隙对回差的影响和齿轮传动中可能出现的三类回差来源（齿轮本身的固 有误差，装置误差，其它误差），并详细计算了各级传动中的回差的大小，检验结构精度分配的正确性，提出减小回差的措施。应用三维软件 建立增速系统模型，利用 限元软件对关键零件进行强度分析。 关键词： 风力发电；增速系统；行星传动；回差；接触分析 is of of of is a of it be be to be an be of of an of by is to of to of on in of of of of of is to D E to of of by 录 摘 要 . . 录 . 绪论 . 1 题背景 . 1 究的目的和意义 . 1 力发电在国内外的研究现状 . 1 外风力发电机的发展现 . 1 国风力发 电现状 . 2 力发电机系统 . 3 力发电机简介 . 3 力发电机的结构简介 . 3 力发电机增速系统简介 . 4 题研究的主要内容 . 4 2 增速装置的结构设计 . 6 动方案的确定 . 6 行星齿轮增速器装置 设计 . 8 计计算 . 8 取行星齿轮传动的传动类型和传动简图 . 8 齿计算 . 8 步计算齿轮的主要参数 . 9 合参数计算 . 9 何尺寸计算 . 12 配条件的计算 . 14 动效率的计算 . 15 构设计 . 16 轮强度验算 . 19 3 齿轮传动的回差分析 . 24 隙与回差的关系及来源 . 24 隙的分类 . 24 同侧隙的关系 . 25 章小结 . 26 4 中心轮和行星轮齿面接触分析 . 27 轮接触有限元算法 . 27 触分析 . 28 轮接触有限元模型 . 28 轮副齿面接触应力求解 . 29 维接触分析结果 . 29 章小结 . 30 5 总结 . 32 参考文献 . 33 致 谢 . 34 毕业设计（论文）知识产权声明 . 错误 !未定义书签。 毕业设计（论文）独创性声明 . 35 1 绪论 1 1 绪论 题背景 从能源发展战略来看，由于化石燃料的有限性和使用化石燃料发点对环境产生的污染，人类必须寻找 一条可持续发展的能源道路，因此开发利用纯净的新能源和可再生能源日益收到各国政府的重视，此时正是我们利用自然资源为人类谋福利的打好时机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，利用风能发电成本比较低，而且风电技术也日趋成熟，适合大规模开发和利用，因此利用风力发电能够改善能源结构、减少环境污染和保护生态环境。 本课题是为了响应世界可持续发展计划中应对能源及环境保护的要求在我国更好的实施，也为了适应我国风发电技术的不断更新及风电厂建设的逐步扩大而设立的。齿 轮增速箱是风力达电机组中主要的传动部件，因此，齿轮箱的设计便是风力发电机组能否建立成功的关键部分。 1 究的目的和意义 风力发电是清洁的、无污染可再生能源。 的优势已被人们所认识。但是风力发电成本与常规能源相比仍不具有优势。别是我国，力发电成本还难于同常规能源相竞争，制约了我国风电事业的发展。因此，面地研究我国风力发电成本、研业的发展、改进我国能源结构、治理我国的环境污染具有重要的现实意义。 力发电在国内外的研究现状 外风力发电机的发展现 国际能源研究报告表明，如果各国采取有力措施，风力发电到 2010 年可提供世界电力需求的 10%，创造 170 万个就业机会，并在全球范围内减少 100 多亿吨二氧化碳废气。风能将成为发展最快的能源，到 2010 2020 年达到 2010 年德国新增 500 万千瓦，西班牙新增 520万千瓦，年生产能力将达到 800 万千瓦，可满足全国电力需求的 10%。美国和加拿大是北美利用风能最好的国家。在美国的 50 个州中，大约有 30 个州已经开始利用风能资源。在 1998期间，美国风力发电的总装机容量已经超过6740以满足 160 万个中等家庭的日常用电需求。随着技术的进步和规模 2 的扩大，风电发电成本继续下降，估计 10 年后它完全可以和清洁的燃煤电厂竞争。风电技术开发的趋势是大容量和变转速运行。更大单机容量的机组仍在继续研制。随着风电容量在电力系统中的比例越来越大，对系统的影响日益明显。人们已经开始利用天气预报的技术预测风电场功率输出，以优化运行速度。由于600大型风力发电机组技术成熟，正在大批量生产， 2000风力发电机组不久将投入商业运行，风力发电的 造价由现在的 1000 美元 /可能下降为600元 /电成本从现在的 4分 /（ 下降到 3分 /（ 风力发电规模经济效益更加明显，可以和火电、水电、核电相竞争，这也是其它新能源所无法比拟的。由于风力发电是可再生洁净能源，其环境效益也十分明显，随着风力发电技术的日益成熟，发电成本的进一步降低，风力发电会越来越被更多的人认识和接受。这也是全世界很多国家都热衷风力发电的主要原因。风力发电的迅猛发展也使那些本地能源短缺的发展中国家收益，如巴西、阿根廷、摩洛哥、埃及和哥斯达黎加等 国是发展中国家风力发电的佼佼者。中国、印度也在积极发展风电。 国风力发电现状 我国幅员辽阔，陆疆总长 2 万多千米，海岸线 多千米，是一个风力资源丰富的国家，全国约有 2/3 的地带为多风带。风能总储量为 千瓦，实际可开发的风能储量为 千瓦，为可再生能源和新能源利用技术提供了强大的资源条件。两大风能地带 西北、华北、东北和东南沿海为风能资源丰富区，跨全国 21 个省、市、自治区。到 1999 年底已开发微小户用型风力发电机16 万台，并网型风电场 24 座，总装机容量 26 万千瓦，其中绝大多数 机组是从丹麦、德国、美国、比利时、瑞典引进的，最大单机容量为 600无疑问，中国风能等可再生能源的利用受到一系列因素的限制，其中包括资金和技术资源供应的不足、政策的不相配套等。和常规资源相比，它会缺乏竞争力。但从可持续发展的目的出发，从中央到地方的各级政府已对这些资源的开发给予了关注。目前，我国国产化机组产量仍然偏小，远未达到规模效益，使得零部件采购价格偏高，利润空间很小。因此，我国的风力发电装备市场至今仍由国外风力发电机组占据。这一现实要求我国的风力发电设备制造企业应加快适合中国国情的新型风力发电装 备的研制进度。尽快提高大型风力发电装备的设计和制造技术，加大风力发电装备国产化进程。还应注意稳定产品质量，提高国产机组可靠性，以取得风电场建设者的认可，逐步加大市场份额。据相关资料报道，到 2020 年，预计我国将新增发电能力 500中 121可再生能源。 2010 年以前，我国计划新建 20 座风力发电场，每座风场的发电能力达到 100上，且达到4000风力发电总目标，并要求风力发电设备本土化。 3 力发电机系统 力发电机简介 风力发机组室友两大部分组成的，即风力机和发电机。其中， 风力机的功能是将风能转换为机械；而发电机的功能是将机械能转换为电能。因此风力发电机装备的类型归属需要可以从两个角度规划。本文只从机械角度介绍风力发电机。 (1) 垂直轴风轮按形成转矩的机理分为阻力型和升力型。阻力型的气动力效率远小于升力型，故当今大型并网型垂直轴风力机的风轮全部为升力型。 (2) 水平轴风力发电机组还可分为上风向及下风向两种机型，上风向机组其风轮面对风向，安置在塔架前方。上风向机组需要主动调向机构以保证风轮能随时对准风向。下风向机组其风轮背对风向安置在塔架后方。当前大型并网风力发电机几乎 都是水平轴上风向型。 (3) 下风向风力发电机，只在中、小功率机型中出现过。 (4) 水平轴上风向三叶片风力发电机是当代大型风力发电机的主流；两叶片的产品也比较多见。 力发电机的结构简介 由于本文只对风力发的增速系统的传动齿轮箱进行设计分析，所以这里只简单的介绍风力机。风力机的作用是把风能转化为机械能，它的结构包括风轮（包括叶片和轮毂）、传动装置、增速齿轮箱、制动结构、偏航装置（或称对风装置）变桨距机构以及附属部件。图 风力机的总体结构示意图，其组成： 1 为轮毂，驱动法兰面与机舱中齿轮箱的主轴用 螺栓进行固定连接，三个外伸端（夹角为 120）用延长节和叶片保持连接； 2 为传动轴； 3 为塔架，它的主要作用是支撑叶轮和机舱； 4 为偏航装置； 5 为风速风向仪； 6 为发电机，它是将风能转化为电能的设备； 7 为刹车系统； 8 为增速齿轮箱，因为发电机的转速高而风轮转速低，需要在风轮轴与发电机轴之间设一个增速器； 9 为变桨距机构，作用是控制叶片桨距角的变化。 4 图 力机结构示意图 力发电机增速系统简介 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。根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴（俗称大轴）与齿轮箱合为一体，也有将大轴与齿轮箱分别布置，其间利用胀紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动（定浆距风轮）或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。 题研究的主要内容 1、选择确定传动方案 传动方案 的确定包括传动类型和传动简图的确定。此次设计的增速器传动比达到 134，只有通过不断地比较和分析去合理的选择一种传动方案，尽量降低增速器的体积和重量。 2、设计计算 每级传动机构的设计计算，都大致包括：传动比的分配，传动系统运动学和动力学计算，传动零件的设计，轴的设计计算与校核，轴的选择与计算，键连接的选择与计算，箱体的设计，润滑与密封的选择和传动装置。 水平轴风力机主要由 以 下几部分组成：风轮、传动结构（增速箱）、发电机、机座、塔架、调速器或限速器、调向器、停车制动器等。其结构简图 示： 5 图 2力发电机组的结构图 本课题中主要研究是该装置系统中的传动装置，也就是图 2的设计。经过方案的比较，本文中的机组传动方式采用的是一级行星加上两级圆柱齿轮传动方式，它的主要特点有：低速级为行星传动，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，使用功率分流，合理使用了内啮合，轴向尺寸小，采用无多余约束浮动，浮动效果好；末两级为平行轴圆柱齿轮传动，可合理分配增速比，提高传动效率。该结构合理有效的综合利用了行星齿轮的小型化和圆柱齿轮传动的大传动比，从而降低了成本，提高了传动效率，节约了 能源。 2 增速装置的结构设计 6 2 增速装置的结构设计 动装置是机器重要组成部分，它起到的作用有减速（或增速）、调速、改变运动形式、增大转矩、动力和运动的传递和分配功能。应用于变速的方式主要有带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动。齿轮传动由于具有瞬时传动比恒定，传动效率高（可达 9899%） ,工作可靠，使用寿命长，结构紧凑，使用范围大。传递功率范围大等优点应用最广泛。齿轮传动的种类多种多样，以适应对传动的不同要求。按照工作条件不同可以分为开式、半开式和闭式传动；按照齿轮硬度的不同可以分为软齿面、中硬齿面及硬齿面 传动。 风电系统中用的增速装置一般也采用齿轮传动，目前我国 300风机主要应用于运输和安装条件不理想的沿海地区， 600风机主要应用于地形平坦、运输条件和安装条件较好的新疆、内蒙以及沿海地区，兆瓦（ 1000000风机技术还不成熟，在实际生产中应用很少。 动方案的确定 风力发电机齿轮箱的种类多种多样，按照传统类型可分为圆柱齿轮箱、行星齿轮箱以及它们相互组合起来的齿轮箱；按照传动的级数分为单级和多集齿轮箱；按照传动的布置形式可以分为展开式、分流式和同轴式以及混合式。 2 表 名称 传动方式简图 传动特点 展开式 结构简单、但齿轮相对于轴承的位置不对称，因此要求轴有很大的刚度。 7 分流式 结构复杂、但由于齿轮相对于轴承对称分布，载荷沿齿宽分布均匀、轴承受载均匀。 同轴式 横向尺寸小、轴向尺寸和重量较大，且中间轴较长，刚度差，沿齿宽受载分布不均匀。 分流同轴式 每对啮合齿仅传递全部载荷的一半，输入和输出轴只承受扭矩，中间轴只承受全部载荷的一半，轴颈尺寸小。 单级 寸小、重量轻、但制造精度要求高，结构较复杂。 两级 寸小、重量轻、但制造精度要求高，结构复杂。 8 行星齿轮增速器装置 设计 设计某风力发电装置所需配用的行星齿轮增速器，已知该行星传动的输入功率 2入转速 500r/动比 34，允许的传动比偏差 要求该行星齿轮传动结构紧凑、外廓尺寸较小和传动功率较高。 计计算 取行星齿轮传动的传动类型和传动简图 根据上述要求：短期间断，传动比大，结构紧凑和外轮廓尺寸较小。据行星齿轮传动设计传动类型的工作特点可知， 3Z 型适用于 短期间断的工作方式，结构紧凑，传动比大。为了装配方便，结构更加紧凑，适用具有单齿圈行星齿轮的 3Z(行星齿轮传动较合理，其传动简图如图 1 所示。 3 图 I)型行星齿轮 增 速传动 齿计算 根据 3Z（ 行星传动的传动比 和按其齿轮计算公式可求得内齿轮 b，e 和行星齿轮 c 的齿数 虑到该行星齿轮传动的外轮廓尺寸较小，故选择中心轮的齿数 5 和行星齿轮数目 3。为了使内齿轮 b 与 e 的齿数差尽可能小，即应取 zb=将 代入公式，则的内齿轮 b 的齿数 ： 1 )z()1( e 的齿数 b+9+3=72 因 27 为奇数，应按如下公式求得行星轮 c 的齿数 ： 1（ 1（ 728 再按传动比验算公式验算其实际的传动比 9 be zz 6972 721569 +1 =传动比误差 i 为： i = = =34 和中心 距如下公式可得到行星齿轮 c 的变位系数 cx= 2） 轮在 轮副中，8 17， bz 12 34 和42 34 和66 由此可知，该齿轮副的变位目的是为改善啮合性能和修复啮合齿轮副。故其变位方式应采用高度变位，即 0 可得内齿轮 ce 12 何尺寸计算 对于该 3Z(行星齿轮传动可按下面计算公式进行其几何尺寸的计算。各齿轮副的几何尺寸的计算结果见表 表 I)型行星齿轮传动几何尺寸计算 项目 计算公式 轮副 轮副 轮副 变位系数 x 1x 2x =x 1x 1x =x =x =x =x =x =度圆直径 d 1d = 12d = 21d =45 2d =207 1d =84 2d =207 1d =84 2d =216 基圆直径11d 2ad 1圆直径d 1d =2 a121 zz z2d =2 a122 zz z1d =d =d =d =d =84 2d =216 齿顶圆直径)(21 )(22 12啮合 )(2 1 )(22yx 12 4 e2 13 12 )(2 1 - e )(2 2 2221f e 1 e2齿根圆直径)(2111a )(2222a 内啮合 )(2 111f a 用插齿刀加工 0202 2 1212于用插齿刀加工内齿轮，起齿根圆直径2 已知模数 m =3齿刀齿数0z=25，齿顶高系数 0位系数0x=0（中等磨损程度）。试求被插制内齿轮的齿根圆直径2 齿根圆直径2 202a式中：0齿刀的齿顶圆直径； 02a插齿刀与被加工内齿轮的中心距。 0 000 2 a =3 25 = 现对内啮合齿轮副 别计算如下。 （ 1） 啮合齿轮副（ x ，9） 14 vt = 20in 0t a 2 =表得02a= 7129 02y= o o o sc o 20 b 加工中心距02a为 02a= 20 b （ 按一下公式计算内齿轮 b 齿根圆直径为 020 = 2)啮合齿轮副（ x ，2） 02 in = 20in 0t a 4 =表得02a= 7321 02y= 1c o sc o 20 e= 2 53 02a= 20 e （ 则得内齿轮 e 的齿根圆直径为： 0 2 0 0 20 装配条件的计算 对于所设计的上述行星轮传动应满足如下的装配条件： 按如下公式验算其邻接条件，即 将已知的得 ： 15 ,故该 3Z(星传动的传动功率 采用如下公式进行计算，即 =已 知 =69/15=啮合损失系数： 和 可按如下公式 计算，即有 = = 取齿轮的啮合摩擦因数 1.0将cz、得 16 = 0 4 8 = 0 5 0 即有 =以，其传动效率为 = 9 可见，该行星齿轮传动的效率较高，可以满足短期间断工作方式的使用要求。 构设计 根据 3Z(星传动的工作特点、传递功率的大小和转速的高低等情况 ，对其进行具体的结构设计。首先应确定中心轮 a 的结构，因为它的直径 d 较小，所以，轮 a 应该采用齿轮轴的结构型式；既将中心轮 a 与输出轴连成一个整体。且按该行星的输入功率 P 和转速 n 的初步估算输入轴的直径 同时进行轴的结构设计。为了便于轴上零件的装拆，通常将轴制成阶梯形。总之，在满足使用要求的情况下，轴的形状和尺寸应力求简单，以便于加工制造。 30 pc =1123 150022=27照 3 大，试取为 30有单键槽的输入轴直径确定为 30过台阶 36足密封元件的孔径要求。轴环用于轴承的轴向定位和固定。可知 45宽度为 135据轴承的选择确定轴肩 2mm， 38 30 m in pc =112 =50有单键槽，与齿轮 e 同体相连作为输出轴。取 57择 16 （ 1）内齿轮 b 采用紧固螺钉与箱体连接起来，从而可以将其固定。其尺寸如上已算 出。 （ 2）内齿轮 e 采用齿轮轴设计，既将轮 e 与输出轴连成一个整体。且按该轮的输入功率 P 和转速 n 的初步估算输出轴的直径时进行轴的结构设计。 17 总之，在满足使用要求的情况下，轴的形状和尺寸应力求简单，以便于加工制造。 一个结构合理的转臂 x 应是外廓尺寸小，质量小，具有足够的强度和刚度，动平衡性好，能保证行星齿轮间的载荷分布均匀，而且具有良好的加工和装配工艺。对于 3Z(中的转臂 x 不承受外力矩的作用，也不是行星传动的输入或输出构件（此时它不是基本构件），故采用双侧 板整体式转臂（其侧板两端无凸缘）。双侧板整体式转臂，可采用连接板将两块侧板连接在一起。整体式转臂的毛皮是采用锻造或焊接的范式得到的，即在其毛坯上已将两侧板与连接板制成一个整体。转臂 x 中所需连接板得数目一般应等于行星齿轮数厚为 a = 壁厚为 15，其中 a 为实际啮合中心距。沟槽宽度为 80圆直径 D 268外圆直径 170 转臂 各行星齿轮轴孔与转臂轴线的中心极限偏差 按公式计算： 已知高速级的啮合中心距 a=66得 1 0 0 06681 0 0 08 33 af a 取2.3 m 各行星齿轮轴孔的孔距相对偏差 1 按公式计算，即 1 0 0 1 0 0 1 a 取 1 0 m 转臂 偏心误差 的 12 ，即1=15 m 先已知低速级的啮合中心距 a=66得 10006681000833 2.3 m 各行星齿轮轴孔的孔距相对偏差 1 按公式计算，即 1 0 0 1 0 0 1 a 取 1 0 m 转臂 的 12 ，即 me x 1521 18 按照行星传动的安装类型的不同，则该行星减速器选用卧式不剖分机体，为整体铸造机体，其特点是结构简单，紧凑，能有效多用于专用的行星齿轮传动 中，铸造机体应尽量的避免壁厚突变，应设法减少壁厚差，以免产生疏散等铸造缺陷。材料选为灰铸铁 7。 壁厚 ：40 . 5 6 6t d d T 其中： 体表面的形状系数，取 1 内齿轮直径有关的系数，取 d作用在机体上的转矩。 螺钉的选择：大多紧固螺钉选择六角螺钉。吊环的设计参照标准。通气塞的设计参照设计手册自行设计 7。以及油标的设计根据 长形油标的参数来设计。 行星齿轮 c 采用带有内孔的结构，它的齿宽 b 应当加大；以便保证该行星齿轮 c 与中心轮 a 的 啮合良好，同时还应保证其与内齿轮 b 和 e 相啮合。在每个行星轮的内孔中，可以安装两个滚动轴承来支撑着。而行星齿轮轴在安装到转臂 采用了矩形截面的弹性挡圈来进行轴向固定。 由于该 3Z 型行星传动的转臂 x 不承受外力矩，也不是行星传动的输入或输出构件；而且还具有 3此，其转臂 x 采用了双侧板整体式的结构型式。该转臂 x 可以采用两个向心球轴承支承在中心轮 a 的轴上。 转臂 x 上各行星轮轴孔与转臂轴线的中心距极限偏差已知啮合中心距 66a 得： 0 3 0 06681 0 0
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