5MW海上风电机组齿轮传动系统设计-选用一级斜齿二级行星结构【9张CAD图纸+PDF图】
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湖南科技大学本科生毕业设计（论文）摘 要 随着社会的不断发展，人们对能源资源的需求不断增长促成风电产业的飞速繁荣，作为风电机组的核心部件，风电齿轮箱的研发倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。然而国内风电齿轮箱研究起步晚，生产工艺落后，尤其在兆瓦级风电齿轮箱方面，主要依靠引进国外技术。因此，兆瓦级风电齿轮箱的开发研究势在必行，完全掌握风电齿轮箱设计及制造技术，实现风机国产化目标。本毕业设计的是五兆瓦风力发电机组的齿轮箱，通过方案的选取，齿轮参数计算，轴的参数计算、轴承的选取以及对其配套的齿轮箱进行自主设计。 1）选取两级行星派生型传动方案，在此基础上进行传动比分配与各级传动参数如模数，齿数，螺旋角，压力角，变位系数等参数的确定；通过计算，确定各级传动的齿轮参数；选择适当的齿轮。 2）对行星齿轮传动、轴承进行受力分析，得出各级齿轮载荷结果。依据标准进行静强度校核，结果符合安全要求。 3）绘制三维图、CAD装配图，并确定恰当合理参数。 关键词：风电齿轮箱；结构设计；两级行星 -湖南科技大学本科生毕业设计（论文）ABSTRACT With the continuous development of society, peoples demand for energy resources growing promoting the rapid prosperity of the wind power industry, as the core component of the wind turbine, the development of wind power gear box has attracted more and more wind power at home and abroad attention of related industries and research institutes.However the domestic wind power gear box research started late, backward production technology, especially in terms of MW wind power gear box, mainly rely on the introduction of foreign technology.Therefore, MW wind power gear box of the development, it is imperative to study, to fully grasp the wind power gear box design and manufacturing technology, wind machine to achieve the goal of domestic.This graduation design is 5 MW wind turbine gear box, through scheme selection, calculation of gear parameter, the shaft parameter calculation, bearing selection and the matching of gear box for independent design. 1) two-stage planetary derived type transmission scheme selection, on the basis of transmission ratio distribution and levels of transmission parameters such as modulus, number of teeth, spiral angle and pressure angle, coefficient etc. parameters determined by calculation, to determine the levels of transmission gear parameters; choose the proper gear. 2)stress analysis ofplanetary gear transmission,bearing,gearloadresultsobtained.According to the standardofstatic strength check,the resultsmeet the safety requirements. 3)rendering3D graph,CADassembly,and to determine theappropriateparameters. KEYWORDS：Gearbox for Wind Turbine；Structure Design;Two-stage Planetary目录第一章 前 言11.1 国内外发展现状与趋势11.1.1 风力发电国内外发展现状11.1.2风电齿轮箱市场前景41.1.3我国风电齿轮箱设计制造技术的现状51.1.4存在问题及展望61.2论文的主要内容6第二章 齿轮的设计及强度校核72.1 增速箱齿轮的设计参数72.2 增速箱齿轮设计方案8 2.3齿轮参数计算92.3.1低速级参数计算：92.3.1中速级参数计算：112.3.1高速级参数计算：13 2.3齿轮强度的校核14第三章 行星架的设计与校核27 第四章 传动轴的设计与校核29 4.1.1低速级传动轴尺寸参数计算294.1.2低速级传动轴的强度校核294.2中间级传动轴的设计计算与校核314.2.1中间级传动轴尺寸参数计算314.2.2中间级传动轴的强度校核324.3 高速级传动轴的设计计算324.4输出传动轴的设计计算32第五章 齿轮箱其他部件的设计345.1轴系部件的结构设计345.2 行星架的结构设计345.3 传动齿轮箱箱体设计355.4齿轮箱的密封、润滑、冷却355.4.1 齿轮箱的密封355.4.2 齿轮箱的润滑、冷却365.5齿轮箱的使用安装37第六章 结论38参考文献39致 谢40-iii-第一章 前 言1.1 国内外发展现状与趋势1.1.1风力发电国内外发展现状 当今社会随着经济日益发展，人们对能源的需求越来越大，而石油等不可再生能源也面临枯竭，人们急需寻找替代能源。自然界中具有非常大的风能储存量，由于太阳的辐射作用，地球每年大约可获得的 地球每年大约可获得 KWh 的风能。其中，边界层占整个大气层的 35%，因而边界层大气中可利用的风能功率约为 KW，如果人类在近地面层能利用其中的十分之一，则全球可开发风能的功率为KW。这个值相当于 2005 年全球发电能力的 74.7 倍1。通过上述数据可知，风能是地球上最重要的能源之一，合理的开发利用风能可以解决越来越严重的能源短缺问题。风能作为一种清洁的、储量极为丰富的可再生能源，在未来的能源市场很有开发潜力，各国政府相继投入大量的人力及资金研究生产风力发电机，力图设计出安全可靠高效的风力发电机。风力发电机中很重要的一部分就是齿轮传动增速箱，如何把齿轮传动系统设计好便成了关键问题1.1.2国内外趋势： 从20世纪70年代末以来，随着世界各国对能源危机、环境保护等问题的日益关注，一致认为大规模发展利用风力发电是非常有效的措施之一。19 世纪末、丹麦最先开始探索风力发电、研制出风力发电机组直到20 世纪70 年代以前，只有小型充电用风力机达到实用阶段。1973 年石油危机后，美国、欧洲等发达国家为寻求替代能源，投入大量经费，研制现代风力发电机组，开创了风能利用的新时期。世界风能委员会 11 日公布的一份报告指出，到 2010 年，全球风能发电能力将比现在提高一倍，达到 149.5 吉瓦。根据世界风能委员会的统计数据，仅在 2006年，全球风力发电能力就比上年增长了 25，达到了 74 吉瓦。欧洲一直以来是风力发电市场的领导者，目前在风能发电领域仍处在世界前列，而且在今后几年其在风力发电实际运用及其国际市场上还将继续保持领先地位，但随着近年来世界其他国家和地区对风力发电的重视和发展，欧洲的领先优势会有所下降。据世界风能委员会的统计，2004 年欧洲风力发电装机容量占全世界风电总装机容量的 72，2005 年该比例就下降为 69，而去年则又跌至 51，到 2010 年，虽然整个欧洲的风力发电量将比目前的 48 吉瓦增长近一倍达到 82 吉瓦，但其占全球市场的份额则将下滑到 44。这份报告还对 2006 年到 2010 年期间全球各地区风力发电态势进行了预测。报告说，由于美国连续采取生产税抵免等多项风能激励措施，北美地区风力发电的发展仍将保持快速增长势头。紧随其后的是风力发电的新兴增长地区亚洲，主要是中国和印度，亚洲将成为全球风能发电年增长幅度最快的地区之一，年增长将达 28.3，其风力发电能力将从 2006 年的 10.7 吉兆增长到 2010 年的 29 吉兆。风力发电机单机装机容量也从最初的 50KW，发展到 3.6MW，目前新建风场普遍采用 1.5MW 成熟机型，单机容量继续稳步上升已成为风力发电机的发展趋势2。 我国三北地区风能功率密度在 200300W/m2以上，有的可达 500W/m2以上，如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特的灰腾梁等、可利用的小时数在 5000小时以上，有的可达 7000 小时以上。东南沿海地区年有效风能功率密度在 200W/m2以上，将风能功率密度线平行于海岸线，沿海岛屿风能功率密度在 500 W/m2以上如台山、平潭、东山、南鹿、大陈、嵊泗、南澳、马祖、马公、东沙等。可利用小时数约在 7000-8000 小时。根据最新风能资源评价，我国陆地可利用风能资源 3 亿千瓦，加上近岸海域可利用的风能资源，共计约 10 亿千瓦，风能储量非常丰富，开展风力发电是既经济又高效的方式3。我国风力发电技术的研究始于 20 世纪 70 年代末 80 年代初，通过自主研发小型风力发电机解决广大牧区牧民及一些岛屿上居民的生活生产用电。到 2006 年底，全国已建成约 90 个风电场，已经建成并网发电的风场主要分布在新疆、内蒙、广东、浙江、河北、辽宁等 16 个省区，装机总容量达到约 260 万千瓦。但与国际先进水平相比，国产风电机组单机容量较小，关键技术依赖进口，零部件的质量还有待提高。我国2009年新增风电装机容量13800兆瓦(0.138亿千瓦),同比增长高达124%，新增市场容量超过美国居全球第一；累计装机容量连续第四年翻番,超越德国和西班牙，规模排在美国的 35159 兆瓦之後，位居世界第二。中国可再生能源协会风能专业委员会主任贺德馨在风能大会上亦称,中国今年底风电装机容量有望达到40000 兆瓦，去年底为 25800 兆瓦。到 2020 年时中国风电装机容量有望达到 3 亿千瓦左右，大幅高于官方最新预期的 2.3 亿千瓦。由此可见，未来我国的风力发电发展前景非常良好，因此如何设计制造出安全高效的风力发电机就成了很重要的研究课题。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战略的重要组成部分，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10年平均年增长率达到28，2007年年底，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额达到了200亿欧元。许多国家采取了诸如价格，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电的发展。在政策的鼓励下，200年全球风电新装机容量约为2000万千瓦，累计装机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l亿千瓦的电力资源。风电作为能源领域增长最快的行业，共为全球提供了近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。 就近几年来世界风电发展格局和趋势分析来看，主要有以下几个特征：(1) 风电发展向欧盟，北美和亚洲三驾马车井驾齐驱的格局转变。(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。全球风能理事会是世界公认的风电预测的权威机构，据全球风能理书会的预测。未来五年，全球风电还将保持20以上增长速度，到2012年，全球风电机容量将达到2.4亿千瓦年发电5000亿干瓦时风电电力约占全球电力供应的3。欧洲将继续保持总装机容景第一的位置，亚洲将会超过北美市场排在第二位。 我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源丰富。2006年，国家气候中心也采用数值模拟方法对我国风能资源进行评价，得到的结果是：在不考虑青藏高原的情况下全国陆地上离地面10米高度层风能资源技术可开发量为25.48亿千瓦。近年来，特别是可再生能源法实施以来，中国的风电产业和风电市场发展十分迅速。 2007年，全球风电资金15投向了中国，总额达34亿欧元，中国真正成为全球最大的风电市场。从我国的发展情况来看，我国风电产业将会长期保持快速发展，主要由以下因素的支撑： (1) 国家能源政策升华； (2) 气候变化的推动； (3) 风电技术成熟。 依据目前的趋势，保守估计，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2.8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5.7的电力需求。1.1.2风电齿轮箱市场前景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风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。国家标准GB/Tl9703-2003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M机故障的最主要原因，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，成功开发出了兆瓦级以下风力发电机。十五期间在国家863计划中重点提出容量更大的兆瓦级风力发电机组的研究和开发课题但是最为世界上的风能大国，目前我国大型风力发电机组的开发主要是引进国外成熟的技术，关键就因为我国的设计水平不高。 目前我国主要有几家公司制造风电齿轮箱：南京高精齿轮有限公司，重庆齿轮箱有限责任公司，杭州前进齿轮箱集团。其中，前两家公司占据了将近70市场份额。对于现行主流的兆瓦级以风力发电机组，国内的几十家生产厂商绝大多数采用的部是引进国外的成熟技术。由于传递的功率大，对兆瓦级增速齿轮传动的可靠性和寿命要求非常高因而增速齿轮的设计成为风力发电机组的瓶颈，是整个风力发电机组稳定运行的关键。从目前的情况来看，风电齿轮箱市场可发展空间广阔，齿轮箱驱动式风电机组仍是市场主流。1.1.3我国风电齿轮箱设计制造技术的现状 目前国内已基本掌握了兆瓦以下风电增速箱的设计制造技术国产风电机组的主流机型为600kW800kW其增速齿轮箱已在重庆齿轮箱有限责任公司，南京高精齿轮集团有限公司，杭州前进齿轮箱集团有限公司等厂家批量生产。产品系列方面目前已有重庆齿轮箱有限责任公司的FL系列，南京高精齿轮集团有限公司的系列，杭州前进齿轮箱集团有限公司的FZ系列以及郑州机械研究所的FC系列风电增速箱这四家企业及国内其它一些齿轮制造企业正在进行1.5MW,2MW风电增速箱的开发和5MW以及更大功率的风电增速箱试生产。尽管如此我国风电齿轮箱仍是风电设备国产化中的薄弱环节尚不能满足市场需求。目前国内风电机组的技术引进基本上是以产品生产许可方式进行的从国外引进的只是风力发电机组的集成技术并不包括齿轮箱的设计制造技术。国内风力发电增速齿轮箱的设计基本是参照引进集成技术中的齿轮箱采购规范进行的齿轮箱的结构设计和外联结尺寸按进口风力发电机组要求进行类比设计。因此国内并未真正引进风电齿轮箱的设计制造技术更谈不上完全掌握先进的设计制造技术。在风力发电传动装置技术研究方面国内起步较晚基础较薄弱人才匮乏。郑州机械研究所近几年来对国内外风电齿轮箱先进技术进行了跟踪研究并依靠几十年的齿轮传动和强度等专业的成果，经验的积累开发出了全套风力发电传动装置设计分析软件WinGear。该软件是在该所专业齿轮软件基础上开发的风力发电齿轮箱专用设计，计算分析和绘图软件集成了通用齿轮箱的设计经验同时考虑了风电机组齿轮箱的变载荷，高可靠性，增速传动等特点。软件涵盖了A(MA6006，AGvIA2101，IS06336及(B3480等标准具有齿轮，轴，轴承，键等主要零部件的设计，计算和分析等功能，可完成风电载荷谱分析，当量载荷计算轴承扩展寿命计算等功能。利用该软件郑州机械研究所已完成了750kW，1OMW，1.5MW和2.0MW以及5.0MW齿轮箱的参数设计。此外郑州机械研究所还开发了基于Solid Works的智能型CAE分析系统能方便地实现对箱体，行星架，输入轴等重要零部件的有限元分析和优化。1.1.4存在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。 1.2论文的主要内容风电齿轮箱结构设计。依据某型风机所要求的技术匹配参数，选择适当的齿轮传动方案，在此基础上进行传动比分配与各级传动参数如模数，齿数，螺旋角等的确定。通过对运动副的受力分析，依照相关标准进行静强度校核。风机的结构形式主要有两种：水平轴风机；垂直轴风机。目前市场上普遍应用的均为水平轴风力机。本文也主要参考水平轴的结构形式。在风力发电机组中，齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递到发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速较低，远达不到发电机发电要求的转速，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，其间利用涨紧套装置或联轴节联接的结构，本文选用后一种方案。为了增加机组的制动能力，在齿轮箱的输出端设置刹车装置，配合变桨距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。具体到齿轮箱其它部位诸如轴承，轴等，因为很难用试验台来验证齿轮箱各部分的可靠性。第二章 齿轮参数的计算及强度校核2.1 增速箱齿轮的设计参数发电机额定功率：5000KW总齿轮传动比： 97：1额定功率时输入转速：12.1rpm额定功率时输出转速：1173.7rpm选用一级斜齿二级行星结构根据机械设计手册规定进行齿轮计算，按3倍功率计算静强度，同时外齿轮制造精度不低于6级，齿面硬度HRC6062（太阳轮）和HRC5658（行星轮），太阳轮和行星轮材料用，渗碳淬火。2.2 增速箱齿轮设计方案 根据提供的技术数据，经过方案比较，总传动比i=97：1，采用两级行星派生5.0MW风电机组齿轮箱设计型传动，即两级行星传动+高速轴斜齿轮传动。 传动简图如图2.1所示： 图2.1 5.0MW风电机传动齿轮箱结构简图齿轮箱的传动分为三级，均采用斜齿轮。前两级使用行星齿轮传动，第一级行星架作为输入端，第二级的行星架与第一级的太阳轮连接，走后由第三极的高速轴输出。传动比分配如表2.1所示：表2.1 各级齿轮传动比分配 第一级第二级第三级5.25.443.442.3齿轮参数计算齿轮参数计算齿轮参数计算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: （2.1） （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: （2.2） （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 （2.3）式中 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。 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 （2.4）式中： 中心太阳轮齿数； 行星轮齿数； 内齿圈齿数； 行星轮个数； 齿顶高系数；2.3.1低速级参数计算：2.3.1.1 a-c级传动计算 计算和选取 根据公式: （2.5） （2.6） （2.7） 查表得机械手册图表的 /， 取 由公式2.4得 ， 不满足条件2.3 为了适应变位需要，初选 由公式2.1得 ， 计算，中心距，预计啮合角， 选取压力角 斜度角 由机械手册查的 （2.8） 预选 估算中心距 （2.9） 计算 （2.10） 为了满足齿轮精度要求 取未变位时： 计算未变位中心距： （2.11） 初算中心距变位系数： （2.12） 计算中心距并取圆整值： 取 （2.13） 实际中心距变位系数： （2.14） 计算啮合角， 得 （2.15） 计算总变位系数： （2.16） 分配变位系数，查表得： （2.17）2.3.1.2 c-b级传动计算 计算未变位时的中心距： （2.18） 计算中心距变动系数： （2.19） 计算啮合角： （2.20） 计算总变位系数 ： （2.21） 计算 ： （2.22） 计算端面重合度： （2.23）计算纵向重合度： （2.24）各齿轮的大小如表2.1所示：表2.1 齿轮分度圆、基圆、齿顶圆、齿根圆直径 分度圆直径基圆齿顶圆齿根圆太阳轮605.90568.33673.772570.80行星轮969.43960.001041.142938.23内齿圈2593.242568.002543.032653.03 2.3.2中速级参数计算2.3.2.1 a-c级传动计算 计算和选取 根据公式: （2.25） （2.26） (2.27) 查表得机械手册图表的 /， 取 由公式2.4得 ， 满足条件 由公式2.1得 ， ,取 计算，中心距，预计啮合角， 选取压力角 斜度角 预选 估算中心距 （2.28） 计算 （2.29） 为了满足齿轮精度要求 取 未变位时： 计算未变位中心距： （2.30） 初算中心距变位系数： （2.31） 计算中心距并取圆整值： 取 （2.32） 实际中心距变位系数： （2.33） 计算啮合角， 得 （2.34） 计算总变位系数： （2.35） 分配变位系数，查表得： （2.36）2.3.2.2 c-b级传动计算 计算未变位时的中心距： （2.37） 计算中心距变动系数： （2.38） 计算啮合角： （2.39） 计算总变位系数 ： （2.40） 计算 ： （2.41） 计算端面重合度： （2.42）计算纵向重合度： （2.43）各齿轮的大小如表2.2所示：表2.2 齿轮的分度圆、基圆、齿顶圆、齿根圆直径 分度圆直径基圆齿顶圆齿根圆太阳轮355.46333.42400.74331.46行星轮597.82560.75642.876573.596内齿圈1583.401485.211539.221611.1762.3.3高速级参数计算： 计算中心距： (2.44) 取 计算齿宽： (2.45)按经验公式 (2.46) 取 实际 计算变位系数： （2.47） 计算啮合角： （2.48） 计算总变位系数： （2.49） 计算端面重合度： （2.50）计算纵面重合度： （2.51）各齿轮的大小如表2.3所示：表2.3 齿轮的分度圆、基圆、齿顶圆、齿根圆直径 分度圆基圆齿顶圆齿根圆小齿轮341.18318.305376.634321.98大齿轮1169.771091.341190.9621137.298 2.4 受力情况分析与强度校核2.4.1 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c。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传力时都平衡，构件问的作用力等于反作用力。 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： （2.52） （2.53） （2.54） 式中：法面压力角 分度圆螺旋角 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由于效率对强度校核的扭矩影响比较小，因而在下面的扭矩计算中不考虑效率的影响。2.4.1低速级输入扭矩计算： （2.55）太阳轮切向力、径向力、轴向力计算： （2.56） （2.57） （2.58） 行星轮切向力、径向力、轴向力计算： 查表机械设计手册第四卷第二版（35.2-24）得使用系数 动载系数：按手册公式（35.2-12） （2.59）齿向载荷分布系数：查手册表（35.2-28、29）行星轮、太阳轮：齿圈： 齿间载荷分配系数：查手册表（35.2-30）行星轮、太阳轮：齿圈： 应力修正系数，查图(35.2-25)得:太阳轮行星轮 齿圈重合度系数，按手册(35.2-18)公式计算：由于 （2.60）螺旋角系数，按手册(35.2-19)公式计算 （2.61）各弯曲强度系数的数值如2.4表所示 表2.4 各弯曲强度系数 系数太阳轮行星轮齿圈1.051.021.1111.1111.11.0751.0751.071.851.911.940.9290.9290.9290.9350.9350.935 计算弯曲应力：太阳轮： （2.62） （2.63） 行星轮： （2.64） （2.65） 满足弯曲强度要求节点区域系数，按手册（35.2-13）公式计算： （2.66）材料弹性系数，查手册（35.2-15）查表得接触强度重合度系数,按手册（35.2-15）公式计算： （2.67）接触强度螺旋角，按手册（35.2-16）公式计算 （2.68）齿面接触强度齿间载荷分配系数，查手册（35.2-30）表：齿面接触强度齿向载荷分布系数， （2.69）各接触强度系数如表2.5所示： 表 2.5 各接触强度系数参数 太阳轮 行星轮 齿圈1.05 1.11.1 2.23189.80.8750.995111.11.159 （2.70） （2.71） （2.72） 齿面接触强度符合要求2.4.2中速级输入扭矩计算： （2.73）太阳轮切向力、径向力、轴向力计算： （2.74） （2.75） （2.76）行星轮切向力、径向力、轴向力计算： 查表机械设计手册第四卷第二版（35.2-24）得使用系数动载系数：按手册公式（35.2-12）太阳轮 （2.77）行星轮齿圈 齿向载荷分布系数：查手册表（35.2-28、29）行星轮、太阳轮：齿圈： 齿间载荷分配系数：查手册表（35.2-30）行星轮、太阳轮：齿圈： 应力修正系数，查图(35.2-25)得:太阳轮行星轮 齿圈重合度系数，按手册(35.2-18)公式计算：由于 （2.78）螺旋角系数，按手册(35.2-19)公式计算 （2.79）各弯曲强度系数的数值如2.6表所示: 表2.6 各弯曲强度系数1.3751.3751.3751.081.021.12111.1111.11.0751.0751.0752.172.12.10.7820.7820.7820.9420.9420.942 （2.80） （2.81） 太阳轮 （2.82） 行星轮 （2.83） 满足弯曲强度应力要求 节点区域系数，按手册（35.2-13）公式计算： （2.84） 材料弹性系数，查手册（35.2-15）查表得 接触强度重合度系数,按手册（35.2-15）公式计算： （2.85） 接触强度螺旋角，按手册（35.2-16）公式计算 （2.86） 齿面接触强度齿间载荷分配系数，查手册（35.2-30）表： 齿面接触强度齿向载荷分布系数， （2.87）各接触强度系数如表2.6所示：2.6表 各接触强度系数参数ABC1.05 1.21.1 2.24 189.80.8790.995111.11.159 （2.88） 太阳轮弯曲应力 （2.89） 行星轮弯曲应力 （2.90） 满足齿面接触应力要求2.4.3高速级强度校核：高速级输入扭矩计算： （2.91）大齿轮切向力、径向力计算： （2.92） （2.93）行星轮切向力、径向力计算： 查表机械设计手册第四卷第二版（35.2-24）得使用系数动载系数：按手册公式（35.2-12） （2.94）齿间载荷分配系数：查手册表（35.2-30） 应力修正系数，查图(35.2-25)得: 重合度系数，按手册(35.2-18)公式计算：由于 （2.95）螺旋角系数，按手册(35.2-19)公式计算 （2.96） 节点区域系数，按手册（35.2-13）公式计算： （2.97） 材料弹性系数，查手册（35.2-15）查表得 接触强度重合度系数,按手册（35.2-15）公式计算： （2.98） 接触强度螺旋角，按手册（35.2-16）公式计算 （2.99）齿面接触强度齿间载荷分配系数，查手册（35.2-30）表： 齿面接触强度齿向载荷分布系数， 各接触强度系数如表2.7所示：2.7 表各接触强度系数1.3750.731.1740.992311.111.1112.420.662.320.9151.832.121.77189.8 许用接触应力; （2.100） 小齿轮接触应力: （2.101） 大齿轮接触应力 （2.102） 满足齿轮接触应力要求齿轮弯曲区应力: （2.103） （2.104） 小齿轮弯曲区应力要求 （2.105） 大齿轮弯曲区应力 （2.106） 满足齿面弯曲区应力第三章 行星架的设计及参数计算3.1.低速级行星架： 一级行星轮a-c中心距 连轴端行星壁厚： 取 非连轴端行星壁厚 取 连接板内圆半径 行星架外径 一级行星架如图3.1所示： 图3.1一级行星架3.1.2中速级行星架： 二级行星轮a-c中心距 连轴端行星壁厚： 取 非连轴端行星壁厚 取连接板内圆半径 取 行星架外径 第四章 传动轴的设计与校核在传动轴的初步设计过程中，由于传动轴支撑和其他零件的位置，作用载荷等需要设计确定。首先可根据主轴传递扭矩初定出最小轴径，再以此为基础进行结构设计和强度校核。4.1 低速级传动轴尺寸参数计算与校核4.1.1低速级传动轴尺寸参数计算低速级传动轴经上述计算，传动的功率转速，齿轮宽度 。因为传递的功率适中，并对重量及结构尺寸无特殊要求，参考机械设计手册。选用的材料45钢，调质处理。根据轴的直径计算公式：计算轴的最小直径并加大3%用来考虑键槽的影响.查机械设计手册得A=106135，取A=118初定最小直径轴的结构如图4.1所示图4.1 低速轴零件图由上图的知，低速级传动轴不长，采用两端螺钉固定方式。然后按轴上零件的安装顺序，确定轴各数据。4.1.2低速级传动轴的强度校核齿轮采用的是直齿，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，可得低速级传动轴的受力简图4.2：图4.2 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： （4.1） 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。4.2中间级传动轴的设计计算与校核4.2.1中间级传动轴尺寸参数计算中间级传动轴经上述计算，传动的功率=5077.78kw，转速，齿轮宽度。因为传递的功率适中，并对重量及结构尺寸无特殊要求，参考机械设计手册。选用的材料45钢，调质处理。根据轴的直径计算公式：计算轴的最小直径并加大3%用来考虑键槽的影响查机械设计手册得A=106135，取A=118初定最小直径轴的结构如4.3下图所示 图4.3 中间轴零件图由上图的知，中间级传动轴不长，采用两端螺钉固定方式。然后按轴上零件的安装顺序，确定轴各数据。4.2.2中间级传动轴的强度校核齿轮采用的是直齿，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。 4.3 高速级传动轴的设计计算高速级传动轴经上述计算，传动的功率=5000kw，转速，齿轮宽度。 因为传递的功率适中，并对重量及结构尺寸无特殊要求，参考机械设计手册。选用的材料，调质处理。根据轴的直径计算公式： 计算轴的最小直径并加大3%用来考虑键槽的影响 查机械设计手册得A=106135，取A=118初定最小直径 轴的结构如图4.4所示 图4.4 高速轴零件图4.4输出传动轴的设计计算高速级传动轴经上述计算，传动的功率=5000kw，转速，齿轮宽度。因为传递的功率适中，并对重量及结构尺寸无特殊要求，参考机械设计手册。选用的材料，调质处理。根据轴的直径计算公式： 计算轴的最小直径并加大3%用来考虑键槽的影响 查机械设计手册得A=106135，取A=118初定最小直径轴的结构如图4.5所示图4.5 输出轴零件图第五章 齿轮箱其他部件的设计5.1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。5.2 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。5.3 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。5.4齿轮箱的密封、润滑、冷却5.4.1 齿轮箱的密封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。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，一般是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。本次设计采用了以上的第二种密封方式。5.4.2 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。 5.5齿轮箱的使用安装 齿轮箱的主动轴与叶片轮的连接必须可靠紧固。输出轴若直接与电机联结时，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的部件的轴线应保证同心，其误差不得大于所选用的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銹蚀现象。 用涂色法检验，齿面接触斑点应达到技术条件的要求。第六章 结论 本文针对兆瓦级风力发电增速齿轮传动系统进行了研究，所做的主要工作和结论如下：1.对于兆瓦级风力发电齿轮箱传动方案的确定，在综合行星传动与平行轴传动对比以及一级行星齿轮带动两级圆柱齿轮与两级行星齿轮带动一级圆柱齿轮的优点的基础上，选用两级行星派生型传动方案。在两级行星传动中，采用简单易行的太阳轮浮动的均载机构。依据风机的技术指标与要求，计算确定了齿
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