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1、专业硕士学位论文兆瓦级风电机组传动链虚拟装配工艺规划与仿真Virtual Assembly Process Planning and Simulation of MW Wind Turbine Drive Train 刘宇 2015 年 3 月国内图书分类号：TP315学校代码：10079国际图书分类号：004.41密级：公开专业硕士学位论文兆瓦级风电机组传动链虚拟装配工艺规划与仿真硕 士 研 究 生：刘宇 导师：康文利副教授申请学位：工程硕士 专业领域：机械工程培养方式：全日制 所在学院：能源动力与机械工程学院答辩日期：2015 年 3 月 7 日 授予学位单位：华北电力大学 Classif

2、ied Index: TP315 U.D.C: 004.42Thesis for the Master DegreeVirtual Assembly Process Planning and Simulation of MW Wind Turbine Drive TrainCandidate：Liu YuSupervisor：Prof. Kang Wen-lingSchool：School of Energy PowerMechanical EngineeringDate of Defence：March, 2015Degree-Conferring-Institution：North Chi

3、na Electric Power University 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文兆瓦级风电机组传动链虚拟装配工艺规划与仿真，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作 者 签 名 ： 日 期 ： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书兆瓦级风电机组传动链虚拟装配工艺规划与仿真系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的

4、硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于（请在以上相应方框内打“”）： 保密，在 年后适用本授权书 不保密 作 者 签 名 ： 日 期 ： 年 月 日 导 师 签 名 ： 日 期 ： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文摘要当今世界，能源与环境问题已经成为全人类共同面临的重大挑战，影响着人类社会发展的进程。缓

5、解能源、开发可再生能源、实现社会的可持续发展成为世界各国政府努力的方向。风电以其安全可靠无污染的特点，近年来在世界各国发展迅速。风力发电机组是风电产业的核心，而传动链又是风电机组中最关键的部分之一。传动链性能的好坏可以直接影响到风电机组的工作效率和使用寿命。合适的传动链 装配工艺规划对于提升风机的整体性能、降低装配成本、缩短风电项目建设周期有 着重要意义。 本文以目前国内某知名风机生产厂商的 3MW 风力发电机组传动链为研究对象， 选择 CAD/CAM 软件 SolidWorks 作为开发工具，主要研究内容如下：（1） 对风力发电机组及其传动链的结构及特点进行了简单地介绍。（2） 为了更好地模

6、拟装配及工作过程，自行设计出了一套风力发电机组齿轮箱的传动系统，然后使用 SolidWorks 完成了齿轮箱的零件三维建模及装配，建立起了齿轮箱的虚拟样机。（3） 完成了传动链的所有零件的三维建模，在此基础上，以实际生产为出发点，采用拆卸方式的装配序列规划法，完成了传动链的装配序列规划和装配路径规划，在计算机上成功地对传动链进行了虚拟装配，对整个装配过程进行了动画仿真， 并对装配体进行了干涉检验，找出设计中的缺陷并加以改正。（4） 建立风电机组传动链虚拟样机，通过 SolidWorks Motion 对传动链运动过程进行仿真和计算，通过仿真计算进一步完善传动系统设计方案和装配工艺规划方案，将仿

7、真的数据和结果以图表形式输出，验证了齿轮箱传动方案及装配工艺规划方案的合理性和可行性，最终完成了风电机组传动链的建模、虚拟装配工艺规划以及仿真。关键词：风力发电机组；传动链；SolidWorks；虚拟装配；运动仿真VAbstractNowadays, energy and environment issues in parallel are listed as the important challenges of human society, inflecting the progress of human society evolution. Relieve energy crisis,

8、develop renewable energy and realize human society sustainable development become significant move of world energy development strategy. Wind energy, as an important category in renewable energy, is rapidly developing recently around the world.Wind turbine is the kernel of the wind power industry, a

9、nd drive chain is one of the most critical part of the wind turbine. The performance of t drive chain directly affects the service life and work efficiency of wind turbine. The appropriate assembly process planning is of great significant to improve the property of wind turbine and reduce the cost o

10、f assembly, shorten the wind turbine project cycle.The paper took the current domestic mainstream 3MW wind turbine drive chain as the research object, selected the CAD/CAM software SolidWorks as the development tool, the main research content is as follows:(1) Introduced and analyzed the structure a

11、nd characteristics of wind turbine and its drive chain.(2) In order to simulate the assembly and work process better, a set of wind turbine gearbox transmission system had been designed, and then built the 3D models and finished the assembly of all the parts of the gearbox,through the software Solid

12、Works , set up the virtual prototype of gear box.(3) On the basis of all the parts fo wind turbine drive chain have been turned into 3D models,the paper took the actual production as the starting point,through the inverse inference of dismantle scheme, completed the drive chain of assembly sequence

13、planning 、 assembly path planning and virtual assembly on the computer,drive chain simulation is carried out for the whole assembly process,then finished the interference inspection of the assembly,defects of the design had been pointed out and corrected. (4)The virtual prototype of wind turbine dri

14、ve chain has been established,through SolidWorks Motion,movement of the drive chain has been simulated and calculated, through the simulation calculation. the drive system design and assembly process planning were better, the data and results of the simulation,which could verify the rationality and

15、feasibility of the assembly process planning and gearbox drive system,have been showed in graphic form,finally completed the wind turbine drive chainmodeling, assembly and simulation.Keywords: wind turbine, drive chain, SolidWorks, virtual assembly, motion simulation目录摘要IAbstractII第 1 章 绪论11.1 论文选题背

16、景及意义11.2 风机制造技术国内外研究现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状31.3 本文主要研究内容4第 2 章 风力发电机组传动链概述52.1 风力发电机组的分类及构成52.2 传动链的结构概述72.3 本章小结11第 3 章 虚拟装配工艺规划及开发工具选择123.1 虚拟装配工艺规划简介123.2 虚拟装配工艺规划目标133.3 虚拟装配开发工具的选择143.4 本章小结15第 4 章 风机齿轮箱传动系统设计及建模164.1 齿轮箱传动系统设计164.1.1 传动方案概述164.1.2 传动方案的拟订184.1.3 齿轮箱传动系统设计194.1.4 强度校核244.2

17、 齿轮箱虚拟样机建模254.2.1 虚拟样机简介254.2.2 齿轮箱三维建模264.3 本章小结31第 5 章 风机传动链虚拟装配325.1 转子轴及相关零件建模325.2 传动链虚拟装配工艺规划335.2.1 传动链虚拟装配335.2.2 传动链虚拟装配仿真动画455.3 干涉检验465.4 本章小结51第 6 章 风机传动链运动仿真526.1 SolidWorks Motion 简介526.2 运动仿真及结果分析536.2.1 虚拟样机构建及参数设定536.2.2 结果及分析556.3 本章小结57第 7 章 结论58参考文献59攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果61致谢62华北电

18、力大学硕士学位论文第 1 章 绪论1.1 论文选题背景及意义近些年来，围绕着人类社会生存和发展而产生的如何保障能源的持续供应越来越多地成为人们普遍关注的热门话题。石油、煤炭、水、天然气以及核能是现今人类社会主要的能源供应渠道，而这其中又以煤炭石油为代表的化石燃料所占的比重最高。化石燃料的开发利用所带来的资源枯竭、环境污染和冲突争端引发了全人类的关注。缓解能源 、开发可再生能源、实现人类社会的可持续发展已经成为世界各国政府明确实施的长期发展战略。可再生能源主要包括太阳能、水能、风能、地热能和潮汐能等，其中风能作为一种清洁高效的可再生能源,越来越受到世界各国的重视。据相关统计数据显示，地球上的风能

19、资源总储量为 13000 亿千瓦左右1。如果能够加以有效利用，只需要很少的一部分，就可以满足全人类的能源需求。越来越多的国家对于风力发电的利用已经进入了快车道，相关机构统计资料显示，最近十年来，风力发电在全球以 30%的速率飞速发展2。全球风力发电总装机容量在2012 年已经超过了 240GW，连续十年保持了 30%的超高年平均增长率，这在能源行业的发展历程上是极其少见的23。在过去的几年中，我国的风电产业实现了创 的增长，新增装机容量呈现“井喷”式上升势头，这使得中国成为亚洲风电市场中最活跃的一份子，甚至在世界风电市场中也是最具潜力的国家之一。我国风电产业自 20 世纪九十年开始起步，21

20、世纪以来进入高速发展期，尤其是在 2006 年颁布可再生能源法之后， 已并网风电机组装机容量连续四年实现成倍增长4。2007 年，中国风电产业的发展速度位居世界第一；2008 年，风电机组总装机容量达到了“十一五”预定的目标，这比计划中提前了两年；2009 年，国内首座同时也是亚洲首座海上风场 上海东海大桥风电场并网发电，成为我国风电发展史上的又一座里程碑3；2010 年底，我国已实现了年新增风电装机容量 18000MW，总装机容量 44000MW 的宏伟目标。在短短的五年间，中国风电累计装机容量超过了美国，成为了世界第一风电大国5。风力发电机是将风能转化为电能的一类装置，风力作用在叶片上使其

21、转动， 风能转化为机械能，之后叶片通过传动链带动发电机转子转动，将机械能转化为电能。作为一类大型的机械设备，风力发电机具有结构复杂，零部件较多，并且零部件的质量及体积一般较大，装配及工作环境特殊而且恶劣等诸多特点。正是因为这些特点，风力发电机的设计制造及维护都区别与一般的大型机械，对于风63机生产厂家来说，它的标准更严格，产品全生命周期所花费的成本及资源更多。20 世纪七十年代以来，伴随着计算技术的迅猛发展，CAD/CAM 技术及其相关系统也越来越成熟，在制造业企业中的应用也越来越广泛，新技术的出现带来的是产品设计效率和制造自动化水平的大幅度提高，而虚拟装配技术的出现为风电机组的研发和生产提供

22、了方便。借助虚拟装配技术通过建立虚拟样机，设计人员可以真正在风力发电机组的设计阶段就考虑装配环节的影响，在物理样机还没有制造出来的时候便发现并且改正设计上出现的问题。通过在虚拟环境中由操作者交互的对风力发电机组的可装配性，可拆卸性、装配过程的碰撞干涉以及装配顺序和装配路径等装配工艺进行评估和优化，从而验证装配设计和操作的正确性， 及早发现风机设计和装配过程中存在的装配干涉等问题进而修改风力发电机组模型，并通过可视化显示装配的动态过程，实现在虚拟场景下对操作人员进行入门操作培训，最终指导真实的物理样机装配及维修6。另外利用虚拟装配系统，人们还可以为风力发电机组的装配开发专用工具，使实际的装配更简

23、单易行。由于风机结构的特殊性，最终的装配要在风机装机现场吊装进行，利用虚拟装配可进行风机整机现场吊装过程模拟、吊装路线规划和吊装操作等培训，使得实际的风机吊装操作更熟练方便。本文正是基于这种需求，建立了兆瓦级风电机组传动链虚拟样机，对其进行虚拟装配工艺规划，并最终完成了装配及运动仿真，为风机的设计制造提供便利。1.2 风机制造技术国内外研究现状1.2.1 国外研究现状1888 年，美国人 Charles F.Brush 设计出了世界上第一台自主运行的风力发电机，它的功率只有 12kW。1891 年，世界上第一座风场在煤炭资源匮乏的丹麦建立。20 世纪七十年代爆发的石油，是各个国家增大对风电产业

24、及其相关技术的投入与关注的主要因素，20 世纪的最后三十年是风力发电技术的积累阶段7。进入到 21 世纪，风电成为全球发展最为迅猛的产业之一，以计算机技术、尖端航空航天技术为代表的现代科学技术为风电产业的快速发展奠定了坚实的基础，同时也让风电制造业发展突飞猛进。风力发电机组的研发和制造以欧洲国家最具代表性，其中丹麦、荷兰、德国等国的风力发电机组更是走在了世界的最前沿。目前国外风力发电有两个主要的发展趋势：一是单机容量大型化，兆瓦级风电机组已经成为全球风电市场的主流， 单机容量从最初的 25kW 发展到目前的 6MW 和 7.5MW，一些世界领先的风机制造企业已经开始构想 10MW 的风机设计；

25、二是风电机组运行规模化，大幅度地提高了风场的发电效率，使得运营成本进一步降低8。风力发电技术在发展初期存在很多不成熟的地方，风力发电机的设计制造多遵循传动的作业模式。随着风力发电技术以及计算机技术的发展，CAD/CAM 技术已经国外风机制造厂商中间广泛应用开来9。尤其是利用虚拟装配技术，国外厂商能够大幅压缩设计研发成本，缩短研发周期，加快产品的更新换代速度。风力发电机组的传动链是风力发电机最重要的机构之一，广义的传动链主要 包括叶片、轮毂、主轴、齿轮箱、联轴器以及发电机等，齿轮箱是传动链中最为 重要的部件，它的故障率也是传动链乃至整个风机系统中最高的，这也使得国外 许多学者投入到传动链以及齿轮

26、箱的研究中来。F.Krull 等人通过多体动力学软DRESP 对风力发电机的传动链在两个瞬态现象之间的载荷和固有频率进行了预测； Oezgueven, H.Nevzat 等人研究了几种齿轮动力学分析中流行的数学模型，并对其进行了分类，分析了动力学模型中每一级的基本特性、建模用到的参数和选择的 目的等；Nagamura Kazuteru 等人提出了一种新的具有高传动比的行星轮系传动系统，该齿轮系统包括两组圆弧齿廓齿轮以及与其啮合的滚子，具有间隙小、效率 以及疲劳强度高的优点1011。1.2.2 国内研究现状我国的风电产业及其相关技术起步晚于欧美发达国家，知道 20 世纪末才开始大功率风电机组的研

27、发制造。我国最初投入运营的风电机组是从丹麦引进的两台Vestas 55kW 风机12。从“七五”开始，风电机组的研发制造被列为国家攻关项目， 风电机组的单机容量有了大踏步的发展。1992-1996 年主力机组单机容量为200-300kW，1997-2002 年则发展到了 600kW，从 2001 年开始具备定桨技术的600kW、700kW 风电机组就已经投入量产了13。2005 年以来，金风风电公司、华锐风电、国电联合动力等许多企业引进国外的先进技术并予以消化吸收， 在此基础上推出了采用变桨变速的 MW 级大功率风电机组，其国产化率都在 70% 以上。相关机构统计数据显示，在 2008 年国内

28、新增的风电机组装机容量中，外商所生产的设备已经不足 30%，说明我国的风电产业竞争力有了比较大提高13。对于风电机组传动链以及齿轮箱的研究，国内也有许多学者在进行，并取得了不错的成果。宋保维等人针对机械传动系统受多重因素影响且各因素影响效果具有一定的模糊性的特点，研究了传动方案的评价系统，并采用基于熵权的模糊层次分析法，建立了传动系统的评价模型；朱才朝等人在考虑到了时变刚度、齿轮系统齿侧间隙及制造误差等影响因素，完成了兆瓦级风电机组多级传动齿轮箱的齿轮-传动轴-齿轮箱体系统的非线性耦合动力学建模；邢子坤和秦大同等人完成了风电机组齿轮传动系统的弹性动力学建模，采取模态叠加法计得出了其动力学微分方

29、程，对传动系统进行了失效模式及影响分析(FMEA)，并在考虑风载变化的情况下，建立了传动系统的可靠性评估模型14错误!未找到引用源。虽然我国在风电产业投入了很大的精力，也取得了一些成绩，但由于我国风电产业起步较晚，对相关的理论和技术的研究距离世界顶尖水准还有一定的差距。我国的风电机组目前还在追逐国外先进机型的脚步，缺乏自主创新能力，虽然国产化率较之前显著提高，但在关键元器件上依然要依赖进口16。国内厂商对于CAD/CAM 技术的应用达到了一定的水平，绝大多数工程师都都在设计研发过程中使用了虚拟装配及仿真技术，在一定程度上提高了效率降低了成本，但是高新技术与实际生产脱节比较严重，新技术所带来的便

30、利没有更有效地影响到一线工人的生产。总之，我国的风力发电机研发制造技术还没有达到世界最顶尖水平，还需要加大投入来追赶。1.3 本文主要研究内容本文以国内主流的 3MW 风力发电机组传动链为研究对象，借助 CAD 软件SolidWorks，设计了风力发电机组的齿轮箱，并对 3MW 风力发电机组的传动链进行了建模、装配及仿真，具体内容如下：（1） 介绍风力发电机的结构，确定传动链的主要结构以及所要建模的零件的数量。（2） 设计风电机组齿轮箱的传动方案，通过计算确定各级齿轮传动机构的主要参数。使用 SolidWorks 对齿轮箱所有组成部件进行建模并完成齿轮箱的虚拟装配，初步构建齿轮箱的虚拟样机。（

31、3） 完成传动链其他零件的建模工作，在完成全部准备工作后对整个传动链进行虚拟装配工艺规划，以实际生产为出发点，规划所有零部件的装配顺序及装配路径，并在计算机上实现装配过程的仿真。对装配体进行静态干涉检验，找出设计装配中的不足之处并对其加以改进。（4） 建立完整的传动链虚拟样机，通过 SolidWorks Motion 对传动链虚拟样机进行分析计算，找出其中存在的动态干涉以及设计装配过程中的不合理之处并改进。模拟传动链的运动过程，制作运动仿真视频。将仿真得出的数据和结果以图表形式输出，以验证齿轮箱的传动方案及装配工艺规划方案的合理性和可行性。第 2 章 风力发电机组传动链概述2.1 风力发电机组

32、的分类及构成风力发电机是将风能转化为电能的动力机械，也可称为风车。风力发电的原理，是通过风力作用于风机叶片而使其转动，然后通过传动链将转动传递给发电机（传动链中如包含增速机构还可将转速提升），最终使得发电机转子旋转发电。风力发电技术已经发展到了相对成熟的阶段，就目前主流的风力发电机组来说， 只要风速超过 3m/s，就可以发电了11。图 2-1 风力发电机组结构示意图对于风力发电机的分类方式有很多种，可以根据功率大小、主轴方向、发电机的类型等进行分类，不同的生产厂商可根据产品特点和用户需求自行选择分类方式。目前国内外比较流行的分类方式是按发电机类型分步型和同步型两类， 其中异步型包括1117：（

33、1） 笼型异步发电机：功率一般为 600kW 、750kW、 800kW 和 1.2MW， 发电机向电网输送电能，频率为 50Hz。（2） 绕线式双馈异步发电机：功率一般为 1.5MW、2MW、3MW 或者更高， 发电机定子向电网输送频率为 50Hz 的交流电，转子通过变流器向电网输送电能， 频率为 50Hz。同步型包括：（1） 永磁同步发电机：功率一般为 750kW、1.2MW 和 1.5MW，由永磁体产生磁场，发电机定子向电网输送电能，频率为 50Hz。（2） 电励磁同步发电机：发电机转子外接直流励磁机励磁，定子向电网输送电能，频率为 50Hz。另一种比较普遍的风力发电机分类方式是按照主轴

34、方向进行划分，根据风力发电机主轴方向的不同，可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机1118：（1） 水平轴风力发电机：这种风力发电机主轴与风轮呈垂直状态，一般情况下主轴与地面平行，主轴工作时需水平放置。跟垂直轴发电机相比，水平轴发电机具有以下优点：适合更高的转速以及安装体积质量比较大的叶片，适用于大功率的风力发电机和规模比较大的风场；水平轴风力发电机具有很长的发展历史， 相关技术比较成熟，完全达到了大规模工业化生产的要求；其结构并不复杂而且效率比垂直轴发电机更高。在全球市场上，并网发电的风力发电机均为水平轴， 垂直轴风力发电机还在研究当中，没有达到工业化量产阶段。（2） 垂直轴风力发电机：这

35、种风力发电机主轴与风轮平面平行，一般情况垂直于地面，主轴工作时需垂直放置。跟垂直轴发电机相比，水平轴发电机的优点在于：对于风向没有特别的要求且所需启动风速较小，抗风能力较水平轴风机大大增强，最高可抗 14 级台风，维护保养比较简单。风力发电机组的种类繁多，加之工作环境以及客户需求的不同，风力发电机组的结构也会有一些不同之处，本文的研究对象为兆瓦级双馈异步水平轴风力发电机组， 其主要组成系统包括转子系统、传动链、发电机系统、支撑系统以及安全防护装置，详情参见表 2-119。表 2-1 风力发电机的主要系统及部件主要系统系统组成部件转子系统转子叶片轮毂变桨系统传动链主轴（转子轴）主轴承齿轮箱系统联

36、轴器机械刹车装置发电机系统发电机冷却系统支撑系统机舱阻尼器偏航系统塔筒地基安全防护装置转子系统作用是捕获风，风轮旋转使风能转化为机械能并传递给相连的传动链。传动链的作用是连接风轮与发电机，通过齿轮箱将转速提高到发电机的适用转速，在紧急情况下可以使用机械刹车装置终止风机运行20。发电机系统主要作用是将机械能转化为可供人类使用的电能。支撑系统主要用来安装支撑风力发电机组，平衡风力发电机组在各种工况下所产生的载荷，保证风机高耸结构安全稳定运行。2.2 传动链的结构概述传动链是风力发电机组中连接风轮与发电机的系统，正是由于这样的工作性质，决定了其结构比较复杂的特点，不同工作环境，不同功率的风力发电机组

37、往往传动链的布局有比较大的差别，图 2-2 为一种比较典型的传动链布局：132图 2-2 传动链布局示意图1.叶轮 2.主轴 3.齿轮箱（三级变速）传动链的布局在一定程度上取决于发电机的类型。使用的发电机类型不同， 需要设计与其相适应的传动系统结构。一般来说，主要有两种划分方式：根据发电机的转速来划分和根据支撑方式进行分类。（1） 根据发电机转速进行划分：传动链可以分成低速/直驱型、半直驱型和高速型这三种11。图 2-2 所示就属于高速型传动链，余下两种见图 2-3 和图 2-412图 2-3 直驱型传动链布局示意图1. 叶轮 2.主轴1） 直驱型直驱型风力发电机组传动链中不包含齿轮箱，叶轮通

38、过主轴直接与发电机连接，发电机多采用多级转子同步发电机或多级永磁同步发电机21。这种传动链的传动比为 1，叶轮的转速与发电机的转速是相通的。这种传动链结构中，用于传动的零部件较少，可降低发生故障的概率，提高设备的使用寿命，减少运营成本。然而，在当前的技术水平下，直驱型风力发电机在升级方面并没有其他传动系统机构经济。这种传动方式在目前主流的风力发电机组中并不多见。12图 2-4 半直驱型传动链布局示意图1. 叶轮 2.齿轮箱发电机集成结构2） 半直驱型当前，风力发电机制造商都集中于研发功率在 6MW 以上的大型风力发电机， 一个明显的趋势是使用半直驱传动链系统。半直驱传动链系统是一种介于一般高速

39、型传动链系统和直驱型传动链系统的中间解决方案。与传统的高速传动链系统相比，它使用的发电机功率和体积较大，所选齿轮箱的传动比较小，一级或者两级齿轮传动机构即可满足使用需求。这种结构将齿轮箱与发电及集成在一起，可以很大程度的减少两者之间因配合间隙而产生的问题，各大厂商对这种机构给予了很大的关注，这会成为未来的一种研究方向。分析表明，对于大型兆瓦级风力发电机组传动系统而言，采用半直驱传动系统较其他结构有度电成本方面的优势。另外，半直驱传动系统避免了高速齿轮级， 而这正是高速传动系统常见的故障发生原因。3） 高速型高速型传动链系统是目前应用最为广泛的一种结构，据估计采用此结构的风机所占的市场份额接近

40、80%。在这种结构中齿轮箱的作用非常重要，风轮缓慢的转速在经过齿轮箱的增速后达到了发电机所要求的高转速，总传动比最高可达到100。因此这种传动结构的类别主要是根据所用齿轮箱的不同来划分的，主要分为传统式、复合式行星轮系式、主轴集成式以及功率分流式22。传统式所选用的齿轮箱由三级增速机构组成，一级行星轮系加上两级平行轴齿轮传动。内齿圈被固定到箱体上，行星架与驱动轴相连，动力由太阳轮传递给下一级齿轮。在此种结构中，全部的零部件都安装到了各自的旋转轴上，导致传动系统质量和体积都比较大，轴承需要承受很大的载荷。传统式结构技术成熟， 成本在所有结构中处于中上游水平，应用最为广泛。复合式行星轮系式使用复合

41、式行星轮系及单级平行轴系的齿轮箱。与传统式结构相比，这种结构更紧凑，重量更轻，但是在设计、加工及装配方面提出了更高的要求。主轴集成式同样使用由一级行星轮系和两级平行轴齿轮传动结构构成的齿轮箱。但是与上述两种结构不同的是，集成式传动系统没有外置的转子轴，转子轴完全被包裹在齿轮箱内，并通过螺栓直接与轮毂相连。该结构更有效地利用了材料，见笑了结构的质量，但是它需要定制组件，并且用于维护和修理的可用空间有所减少。功率分流式结构的齿轮箱由两级平行轴斜齿轮构成，由齿轮箱带动四部电机运动。这些电机具有体积小重量轻的特点，维护保养起来比较方便，降低了维护成本，而且如果其中一个电机出现了故障，其余的三个电机仍然

42、可以正常工作， 提升了整个系统的可靠性。另外，此种结构无内齿轮，有利于降低齿轮箱的成本。（2） 按照支撑方式进行分类，可以将大多数兆瓦级风力发电机组传动链分为以下三种类型：两点支撑齿轮箱式系统、三点支撑齿轮箱式系统和法兰安装式齿轮箱系统2324。1） 两点支撑方式传动链。图 2-5 就是一种典型的两点支撑式传动链，这种结构的设计意图是用两个主轴承承载叶轮、主轴和齿轮箱的重量。齿轮箱支撑座不需要承受叶轮的离轴载荷，只用于抵抗叶轮运动产生的扭矩。采用这种结构的好处是齿轮箱承受的载荷较小，使得齿轮箱的质量减小，成本降低。在需要拆卸齿轮箱时无需将叶轮从主轴上拆下，大大降低了风力发电机的维护代价。这种结

43、构的缺点是对主轴承的性能要求较高，导致主轴承的成本上升。另外，由于齿轮箱和主轴通过四个点与机舱架相连，可能会使传动链过约束，在齿轮箱和主轴承上产生附加载荷。主轴承 1主轴承 2两个齿轮箱支撑座主轴承图 2-5 两点支撑式传动链结构图 2-6 三点支撑式传动链结构2） 典型的采用三点支撑方式的传动链结构见图 2-6。在这种结构中，主轴承及两个齿轮箱支撑座共同承载叶轮、主轴和齿轮箱的重量。采用这种支撑方式对主轴承的性能要求不高，从而降低了主轴承的成本，传动链约束比较稳定，不会产生过约束问题。缺点是齿轮箱需要承受非扭矩载荷，在拆卸齿轮箱之前需要先将叶轮从主轴上卸下。主轴承整流罩图 2-7 法兰安装式

44、齿轮箱传动链结构3） 采用法兰安装式齿轮箱的传动链结构如见 2-7。在这种结构中，齿轮箱被安装在一个大的整流罩中，整流罩与主机架是一体的，这样做使得传动链的结构更加紧凑。采用这种结构的优点是将一部分叶轮产生的载荷通过主轴承传递给机架，并最终传递给塔筒，齿轮箱与非扭转载荷实现了解耦。缺点是这种结构安装和维护较为复杂，在很多情况下，如果发生故障，齿轮箱和主轴承将作为整体一起更换，增加了维护成本。本文所研究的风电机组传动链为高速型三点支撑齿轮箱式传动链系统。这样的传动链系统技术成熟，可靠性强，制造成本较低，这些特点对于大功率的风电机组尤为重要。2.3 本章小结本章简单介绍了风力发电机组的分类及构成，

45、并介绍了了风力发电机组传动链类型，详细分析了各类传动链的结构及特点。最终确定了所要研究的传动链的基本结构，为后续的研究工作做了铺垫。第 3 章 虚拟装配工艺规划及开发工具选择3.1 虚拟装配工艺规划简介装配工艺规划主要包含装配序列规划和装配路径规划两部分内容9。装配序列规划是虚拟装配过程中的重要环节，它是在虚拟装配建模的基础上对零部件的装配序列进行推理，为下一步实现产品装配过程仿真提供基础。装配序列规划是基于装配建模的装配工艺顺序的自动生成。产品中零件之间的几何关系、物理结构以及功能特性等决定了零件装配的先后顺序，所有零件的装配序列形成产品的装配序列规划。装配序列规划的方法主要有以下四种34：

46、（1） 基于组件识别的装配序列法组件识别法是把产品所包含的所有零件按照不同的作用划分成若干组，只需要 用一个零件就可以代表一组类似的零件，用节点线图关系表示零件之间的装配关系。这种方法可以减少装配序列生成的工作量，但是遇到比较复杂的装配结构，会出现 难以自动识别组件的情况。（2） 基于装配约束优先的方法基于装配约束优先的方法是在装配人员的经验及装配优先关系的基础之上，通过算法自行推理计算出所有可行的装配序列，最后经过人机交互的方式对装配顺序进行最终确定。这种方法在理论上比较直观且紧凑，但在实际应用中遇到复杂的装配体出现错误的几率还是比较大的。（3） 基于知识的方法基于知识的方法大多数情况用于特

47、定的产品系列，它基于专门领域知识的发展， 包括专家系统知识、经验分析、Pertri 网和神经网络等，来完成产品的装配序列的 规划，是一种针对性强，效果好的方法。但是这种方法对于专业知识素养的要求比 较高，单独使用时，并不具备很强的适用性。（4） 基于拆卸方式的装配序列法下图 3-1 所示是装配结构关系树，表示装配体拆分后得到的所有产品零部件的组成结构。首先按照几何可行性装配原则把装配体拆分成若干个子装配体（子装配体 1、子装配体 2）和零件（零件 1），再把得到的子装配体按同样的原则拆分为更小的子装配体和零件，一直拆分到装配体全部由单个零件组成为止。拆分完成后， 根据“可拆即可装”原理，对产品

48、的装配序列进行规划，经过计算、对比才能得出最优方案。这种方法可以较为方便快捷地得出产品的装配序列，实用性强，缺点在于有时情况不允许从拆卸方法入手，且这种方法比较容易发生组合爆炸34。装配体零件 5零件 4子装配体 2零件 1基于风电机组传动链的产品特性及实际情况，本文选用基于拆卸方式的装配序列法。子装配体 3子装配体 1零件 3零件 2零件 8零件 7零件 6图 3-1 装配层次关系树装配路径是指从被安装零部件存放的位置到零件被安装到装配体上所行走的轨迹。路径规划一般只考虑工作空间中的几何信息，所得到的结果是针对每个具体零部件的无碰撞无干涉的几何路径。装配路径多种多样，可以是二维的也可以是三维

49、的，可以是简单的直线，也可以是复杂的曲线34。装配路径规划的目的是实现零部件之间无碰撞、无干涉装配，使装配效率更高， 并起到了保护零部件的作用。无论是采用人工装配方式，还是机器人主导的自动化装配，亦或者两者混合，装配路径规划都是必不可少的。由于装配路径规划不需考虑装配时的速度和加速度，故而对于人工装配来说， 只需考虑路径规划即可，但是对机械装配、柔性装配或机器人的自动化装配而言， 不仅需要进行路径规划，还需要进行轨迹规划。在虚拟装配中，零部件路径规划， 以离散点的方式记录下包括位置和方向在内的一些信息，再将这些节点通过链表的形式组织起来。3.2 虚拟装配工艺规划目标由于装配问题的复杂性，装配工

50、艺规划一直是产品设计制造一体化中的薄弱环节。本文不仅仅满足于将风机传动链的零部件装配到一起，还自行设计了传动链的齿轮传动系统，并且充分考虑到了实际装配现场的情况。因此在进行虚拟装配工艺规划的过程中主要有一下三个目标：（1） 首先是要通过基于拆卸方式的装配序列法，得出最优的装配序列。装配路径规划要考虑到实际生产情况，零部件的装配路径不仅要避免干涉，还要留有一定的间隙以避免零件运送过程中因惯性摆动而引起的磕碰，能够实现装配和拆卸的互逆。（2） 通过模拟装配过程及干涉校验发现零部件特别是齿轮箱的装配性能，并将结果反馈给零部件设计阶段，发现并改进设计中出现的问题。（3） 考虑到现场实际情况，使其不仅能

51、够发现产品设计制造中出现的问题， 还能够指导现场工人进行实际生产，在进行装配工艺规划的时候加入并行工程理念， 减少装配时间。提高人员和设备利用率，最终达到提高生产效率的目的，使其成为 面向生产现场的虚拟装配工艺规划。3.3 虚拟装配开发工具的选择虚拟装配工艺规划离不开三维建模软件的支持，而单个零部件的建模也是虚拟装配的基础。制造业的不断发展使得单个零部件的结构越来越复杂，传统的从底层直接构造的建模方法已经不能满足现代制造业的要求，目前主要使用三维建模软件进行构建。目前主流的三维建模及虚拟装配软件有：Pro/E、UG、SolidWorks、 CATIA 等，这些软件具有良好的扩展性和兼容性，可以

52、与其他运动学及动力学分析软件配合进行虚拟样机的构建及分析。本文采用 SolidWorks 2012 进行三维建模。SolidWorks 是由法国达索（Dassault Systemes）集团旗下的 SolidWorks 公司研发的一款非常出色的三维机械设计软件。SolidWorks 是世界上第一个基于Windows 系统开发的三维 CAD 软件，由于技术创新符合 CAD 技术的发展潮流和趋势， SolidWorks 应用范围及使用人数都呈现出快速增长的势头31。SolidWorks 可以提供不同的设计方案，帮助工程师发现并改正设计中出现的错误，提升产品质量。SolidWorks 不仅功能强大，

53、并且充分考虑到了用户体验， 操作简单方便，易学易用。Solidworks 软件具备的功能强大，组件丰富，易学易用以及技术创新等特点，使其成为世界领先的三维 CAD 解决方案。本文选用 Solidworks 作为建模平台主要基于以下两方面考虑：（1） 功能强大，操作简便，支持特征造型，相关插件种类多。通过其独特的非全约束的特征建模技术，保证了设计过程的全相关性，让用户可以在设计的任何阶进行修改，并带动相关部分同时改变；用户可以自行选择自底向上和自顶向下两种装配方法，它还允许两种方法混合运用，自顶向下的装配方法使用户能够在装配环境中直观地计算出零件的位置和尺寸要求以便修改，更加符合工程习惯； 它还

54、可以动态模拟装配过程，进行静态干涉检查、计算质量特性，如质心、惯性矩等；软件自身携带的 ToolBox 功能强大，种类丰富，使用者可以方便的从中找到想要使用的标准件、常用件33。另外，针对 SolidWorks 制作的第三方插件也有很多，可以最大程度的减少设计人员的工作量。（2） 自带 Motion 插件，能够进行运动学仿真。SolidWorks 自带的 Motion 插件可通过【Motion 分析】功能对装配体进行精确运动模拟并对运动单元进行分析（包括力、弹簧、阻尼和摩擦）33。【Motion 分析】具备计算能力强大的运动学求解器，可以让用户在计算中添加材料、质量以及及惯性等属性，还可使用【

55、Motion 分析】来对模拟结果进行深入分析。本文的运动学分析只涉及速度及加速度，所以使用 Motion 插件即可满足要求。3.4 本章小结本章简单介绍了虚拟装配工艺规划的内容及方法，明确了将要进行的风机传动链虚拟装配工艺规划的设计目标，并最终选择了SolidWorks 作为虚拟装配的平台， 为后续的研究工作打下了基础。第 4 章 风机齿轮箱传动系统设计及建模齿轮箱是风力发电机组传动系统中的核心部件，与其它类型的齿轮箱相比，风 机齿轮箱的功率及传动比都比较大，再加上其工作环境较为恶劣，所受载荷为不规 律的变载荷以及其他冲击性载荷，使其成为风力发电机组中最容易发生故障的部件。齿轮箱的设计、制造、

56、装配水平往往决定了风力发电机组整体性能的好坏，关系着 我国风电产业所能达到的最终高度，其重要性不言而喻。 由于齿轮箱的具体设计参数属于各大厂商的核心技术，本文只能根据现有已公开的资料，自行设计并确定了齿轮箱的内部结构及主要参数。在设计过程中参考借鉴了博世力士乐公司、重庆齿轮箱公司、南京高精传动设备公司的 3MW 风电机组齿轮箱的设计。 4.1 齿轮箱传动系统设计4.1.1 传动方案概述目前，世界上主流的风力发电机组齿轮箱按照内部的传动结构可以划分为平行轴圆柱齿轮箱、行星轮系齿轮箱以及平行轴与行星轮系混合式齿轮箱这三类； 按照传动的级数分为单级和多级齿轮箱；按照齿轮传动的布局形式可以分为展开式、分流式、同轴式以及混合式25。单级的平行轴圆柱齿轮箱传动比较小，多级的则可获得较大的传动比