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  PAGE III 摘 要 在风力机的各个组成部分,变速箱是最高的故障率之一,也是我国风电设计水平的主要瓶颈。目前,国内风力机齿轮箱故障主要集中在齿轮箱的工作寿命不能达到设计要求。齿轮失效是齿轮箱失效的主要原因。因此,高效、可靠的齿轮传动系统的设计是我国风电产业发展的关键。 本文通过对风机驱动系统的分析和研究,根据目前国内外研究现状,对风力发电机组的核心部件进行了研究。本文提出了一种新型的风力发电机齿轮箱,由两个阶段的行星齿轮传动机构和一个平行轴齿轮组成。在确定传输方案后,对加速器的关键部件进行了分析,并对整个系统进行了动力学分析。本文设计的风力发电机组具有输出功率大、体积小、可靠性高的特性,可为我国风力发电机组自主知识产权的发展提供一定的依据。 关键词:风力发电,增速器,动力学分析 PAGE II Abstract In the various components of the wind turbine, the gearbox is one of the highest failure rate, and it is also the main bottleneck of the design level of wind power in China. At present, the domestic wind turbine gear box failure is mainly concentrated in the gear box working life can not reach the design requirements. The failure of gear is the main cause of the failure of the gear box. Therefore, the design of efficient and reliable gear transmission system is the key to the development of wind power industry in China. In this paper, through the analysis and research of the wind turbine drive system, according to the current research situation at home and abroad, the core components of wind turbine. This paper presents a new type of wind turbine gear box, composed of two stage planetary gear train and a parallel shaft gear. After the transmission scheme is determined, the analysis of key components of the accelerator and the dynamic analysis of the whole system are carried out. In this paper, the design of wind turbine generator with high output power, small size, high reliability, can provide some basis for the development of Chinas wind turbine independent intellectual property rights. Key Words:Wind power generation, speed increasing device, dynamic analysis PAGE 12 目 录 TOC \o 1-3 \h \z \u 摘 要 I Abstract II 目 录 III 第1章 绪论 1 1.1 选题的背景、目的和意义 1 1.2 国内外现状及发展 2 1.2.1 国外研究现状与发展 2 1.2.2 国内研究现状与发展 3 1.3 研究目的与内容 4 1.3.1 研究目的 4 1.3.2 研究内容 4 第2章 3MW风力发电机组齿轮箱设计 5 2.1传动方案确定 5 2.1.1 增速箱设计要求及步骤 6 2.1.2 传动方案及运动原理图 7 2.2增速器总体设计 8 2.2.1 第一级行星轮系传动设计 8 2.2.2 第二级行星轮系传动设计 9 2.2.3 第三级平行轴圆柱齿轮传动设计 11 2.2.4 行星齿轮具体结构确定 12 2.3材料选择及强度校核 13 2.3.1 行星传动强度校核 13 2.3.2 圆柱齿轮强度校核 15 2.4主要构件设计选用与计算 16 2.4.1 行星轮心轴的设计与校核 16 2.4.2 圆柱齿轮传动输出轴设计 17 2.4.3 浮动齿式联轴器设计 19 2.4.4 齿轮结构设计 20 2.4.5输入轴连接形式选择计算 21 第3章 齿轮箱密封、润滑及冷却 23 3.1 齿轮箱的密封 23 3.2 齿轮箱的润滑、冷却 23 第4章 基于SolidWorks的齿轮箱建模 25 4.1 齿轮参数化建模概述 25 4.2 输入轴建模概述 26 4.4 端盖建模 27 4.5 箱体建模 28 4.6 轴承建模 29 第5章 风电齿轮箱的装配 30 5.1 基于SolidWorks的齿轮箱装配 30 5.2齿轮箱二维装配图 31 第6章 结论 32 参考文献 33 致 谢 35 PAGE 13 第1章 绪论 1.1 选题的背景、目的和意义 经济、能源、环境协调发展是实现国家现代化目标的必要条件。为了解决化石能源将继续消耗对经济和环境的可持续发展的影响,中国和一些发达国家在未来的能源规划,明确提出了可再生能源发展的具体目标。在“国家中长期(2020 - 2006)”科技发展规划中,可再生能源的利用规模成为能源可持续发展的关键科学问题之一。中国可再生能源法,2005日颁布,进一步明确了可再生能源的战略地位,包括风能,可再生能源的发展提供法律保障。 风能是取之不尽的可再生能源。相比风力发电和太阳能,地热能,潮汐能,氢气和可燃冰新能源发电,快速发展,技术成熟,将成为第二十一个世纪的主要绿色电力。到2008年底,全球风力发电机组总装机容量已超过1亿千瓦,近几年中国的快速发展,风力发电机组的总装机容量也达到1200万千瓦。根据国家发展和改革委员会在2005个计划,由2020,全国总装机风力发电能力将达到3000万千瓦。 中国的风能资源丰富,陆地和海上风力资源超过15亿千瓦。其中,土地10米的高度,风力资源2亿5300万千瓦;路的100米的高度,可以利用约 虽然中国的风力发电发展如此迅速,但其生产设备长期依赖进口,在风力发电机组的自主开发仍相对落后,特别是核心技术的发电机组基本上属于空白。大型风力发电厂的生产单位是外国设备的基本介绍,部分国内单位主要采取的外国产品的模仿,核心技术仍然是空白,水平设计和实验与国外先进技术相比,不被提及的相同的呼吸。不同地区的风力条件存在很大的差异,这也造成了风机“水土不服”的模仿,不能满足生产和使用要求。因此仅靠模仿并不能解决我国风力发电机组设计的现状水平差,必须以提高中国风电机组设计和研究水平为目标实现国产化,设计具有自主知识产权的风力发电核心设备,突破我国风电产业发展的“瓶颈”,使风力发电产业走上健康发展之路。 水平轴风力机有多种形式,图1-1是一个典型的水平轴风力机结构。这里所称的典型结构和目前所采用的风力涡轮机的设计结构,主要组成部分的风轮,偏航系统,驱动和制动装置,发电机,发动机室和塔从它的主要组成,也需要相应的操作控制,安全和电力转换系统。 图1-1 一种水平轴风力发电机组的典型结构 1—主机架 2—偏航驱动机构 3—风轮轴 4—风轮叶片 5—轮毂 6—变浆距机构 7—风轮主轴承8—齿轮箱 9—制动装置 10—高速轴 11—发电机 12—测风装置 13—液压系统 14—电气控制系统 据统计,国内外风力发电机组的故障率最高。在中国,齿轮箱的风损率高达40%至50%,极少数品牌单位齿轮箱的变化率几乎为100%;外国故障统计的主要部件风力涡轮机,齿轮箱故障率高,如图1 1 2是外国的风电机组,主要组成部分故障率统计结果。据纳瓦拉,西班牙水电能源集团公司在最近几年的风力涡轮机的主要组成部分故障:齿轮箱,发电机,叶片故障主要是由于风力发电机故障,齿轮箱故障率逐年增加,故障%的比例已超过60%是单位故障率最高的部分。 图1-2 风力发电机主要部件故障百分率 1.2 国内外现状及发展 1.2.1 国外研究现状与发展 进入第二十一个世纪后,随着电力电子技术、控制技术和材料技术的发展,风力发电设备的设计和制造技术得到了迅速发展。早在2004年初,美国取得了风力发电在我国的普遍应用,风力发电总装机容量已超过6740mw,可以达到20%的电力消费的一般要求。而风力发电在加拿大风力发电发展的速度也比较丰富,风力发电已成为其能源结构的重要组成部分。2015,加拿大的风力发电能力将达到4700mw。传统风力发电-德国、西班牙、荷兰等国的风力发电发展也以惊人的速度增长。作为我们的邻居和主要经济竞争对手,印度在风电领域在我国的前面。短短的二十年后,印度的风力发电行业从无到有,从弱到强,迅速成为世界风力发电应用范围广泛的国家之一。 经过近50年的研究和发展,由100风力发电千瓦到兆瓦级甚至十兆瓦的发展,大大提高了单位面积的发电能力,大大提高了风力发电的经济效益。近年来,风力发电已经逐渐形成了水平轴,典型设计形式三叶,风,钢管塔。目前,全球风电设备市场,1以上的~ 3MW额定功率的主流模式。主风机主单元设计采用变速变桨距运动方式,风力机与发电机的转速比用于驱动齿轮箱。同时,直驱式风力机的齿轮箱在市场上也越来越受到重视。现代风力发电机的主要发展方向是光、高效率、高可靠性和高功率。为了提高风力机的可靠性,齿轮箱一直是许多国家最重要的研究课题之一。 1.2.2 国内研究现状与发展 我国幅员辽阔,风能储量惊人,风力发电发展的前提条件是大。目前,中国的新能源的应用主要是基于水和电,但与水电储量相比,中国的风能储量不差。据相关资料显示,我国各类风电装机容量达10亿千瓦,远大于欧美风电,所以我国风力发电产业的发展是一个自然优势。但由于技术的局限性,我国风能资源开发利用前期以分散、小规模试验和示范为主,20世纪90年代大规模风电场开始建设,广泛应用于。 近年来,我国风电设备的设计和制造技术取得了长足的进步,初步具备了1.5 ~ 3MW大型风电机组制造能力。同时,风力发电机的主要部件,如叶片,电动控制系统,齿轮箱,发电机,偏航系统等设计和制造能力也大大提高。通过技术引进和消化,中国已经形成了以风电整机制造企业为代表的风电设备行业,有0.75 ~ 1.5MW风电机组整机的生产能力,并建立了一个完整的相对稳定和可靠的产业链。据统计,国内新的风力涡轮机的2008,市场份额的设备在国内资本和合资风力涡轮机制造商已经达到70%以上,并具有一定的国际竞争力。 虽然在我国风力发电行业的增长是非常可喜的,但由于中国风电设备行业起步较晚,对风力发电机组基础设计理论和技术研究是不够的,在风力发电技术和规模和世界风力发电相比差距仍然是非常明显的,与中国的巨大风力能源储存能力不匹配。其根本原因是风电机组关键部件的研究遇到了“瓶颈”,如高功率齿轮箱设计、轴承设计等都远远落后于世界先进水平。为了实现我国风力发电技术快速、健康发展的目标,建立完善的系统设计和故障分析系统,并放弃简单的模仿,真正掌握核心部件的设计方法将是我们下一步工作的重中之重。 1.3 研究目的与内容 1.3.1 研究目的 在风力涡轮机的每一个部分,齿轮箱是最高的故障率之一。这也是我国风力发电机组设计的主要瓶颈。目前,国内风力机齿轮箱故障主要集中在齿轮箱的工作寿命不能达到设计要求。齿轮失效是齿轮箱失效的主要原因。因此,齿轮箱传动系统的合理设计已成为风力机制造的关键。 本文以3MW风力发电机为例,通过一种新型多级混合式增速器的结构及传动设计,并对主要零部件进行受力分析、计算与校核。为打破国外垄断,实现我国风力发电机国产化贡献绵薄之力。 1.3.2 研究内容 本文的主要研究内容主要包括以下两个方面: 3MW风力发电组增速器的设计 风力发电机组的基本工作原理是风力推动叶轮产生动力和相应转速,再由增速器传递给发电机并使其产生电能。本文结合CAD设计方法,对增速器箱体进行结构设计,然后对齿轮传动装置设计,对船东类型采用一种新型混合式传动。由两级行星轮系和一级平行轴轮系组成,齿轮箱结构安全可靠,符合中国船级社标准。 危险零部件应力分析 针对增速器中齿轮、齿轮轴等危险部件进行受力分析和计算,校核其强度,从而验证设计方案的可靠。 第2章 3MW风力发电机组齿轮箱设计 传动是大多数机床的主要部件。确定产品质量的关键是决定产品的设计是否合理,传动部分和传动装置是否合理,制造和装配质量符合要求。变速器可以分为三种类型,即机械传动、液力传动和变速器。根据其工作原理,将机械传动分为啮合传动和摩擦传动,分为四种传动链传动、带传动、齿轮传动和蜗杆传动。根据风力机的特性和工作环境的要求,对齿轮传动的一般选择。 齿轮传动是机械传动中最重要、最广泛的一种传动装置。其主要优点是瞬时传动比是恒定的,可靠性高,寿命长,结构紧凑。齿轮传动分为三种类型,开、半开闭。由于风力发电机工作环境恶劣,一般采用封闭式传动,满足润滑要求。 该装置是安装在原动机和工作机独立的封闭驱动装置,用于增加速度应相应减少转矩。加速器是风力发电机组的重要组成部分,它承载着转速、改变运动形式、动力和运动的传递和分布功能。考虑到风电传动比、结构紧凑、效率高的特点,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。 2.1传动方案确定 目前,国内生产的风电齿轮箱可分为平行轴齿轮、行星齿轮箱和平行轴行星齿轮传动装置,并将其分为单级和多级齿轮箱;根据驱动装置的布置可分为开型、同轴式和混合式并联。 现在市场上的功率为10KW以上变速箱一般采用NGW型行星齿轮传动,由行星架输入,一个太阳轮输出,主要特点是:(1)行星架和太阳轮浮动设计,结构简单,很好的实现了均布荷载。(2)作为输入轴,其与大风力发电机和大扭矩的特性相一致。缺点是功率太小,经济效益差,资源利用率低。 500kw以上的风电增速箱常见结构有: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。 图2.1 齿轮箱常见传动形式 2.1.1 增速箱设计要求及步骤 增速器齿轮箱的主要设计要求如表2.1所示。 表2.1原始设计要求 额定功率 3330KW 增速比 92.05 输出转速 1480r/min 输入转速 16r/min 分度圆压力角 20° 增速器设计步骤: (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。 根据减速装置的用途和工作特点,行星传动的结构形式确定为:单级2K-H(NGW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,初分配行星传动机构中行星轮级数。 根据工作条件需要,行星轮与转动电机之间需要留出足够的位置便于安放电机,并使机构结构紧凑,安装方便,电机与行星轮之间采用斜齿圆柱齿轮连接。行星轮机构初定为2级,每级传动比分配情况如下: 第一级: 第二级: 第三级: 2.1.2 传动方案及运动原理图 目前,国内生产的增速箱主要采用2K-H型行星传动,行星架为输入端,太阳轮为输入端。其具有如下优点: (1)行星架的焊接结构简单,重量轻。 (2)采用系外行星齿轮传动,刚性好,符合风力发电机组的特性,大扭矩。 (3)高速、低速水平采用行星架和浮的太阳,简化了结构,使结构更加紧凑,并具有良好的效果。 缺点:功率太小,不适合大风力发电场;储能装置是一个很大的负担。考虑到兆瓦级风力机的功率大、结构紧凑、可靠性高和其他特点,结合中国船级社风机规范,采用变速器形式如图2.2所示。 图2.2 兆瓦级风力发电增速箱运动原理图 一个增速器传动结构分为三级,第一级行星齿轮传动,第一级行星架作为输入,通过第一太阳轮传递到行星架,第二太阳轮输出;圆柱齿轮平行轴齿轮传动第三级直接与电机联接。此传输方案有以下优点: (1)行星传动水平低,效率高,体积小,重量轻,结构简单,传动功率大范围大,功率分流成功实施,小轴向尺寸的行星轮浮动,负载分担效果良好,实现了大传动比; (2)高速平行斜齿轮传动,合理分配传动比,实现平稳输出,减少振动。 2.2增速器总体设计 2.2.1 第一级行星轮系传动设计 (1)计算齿轮基本参数 根据初定条件: ,即 尽可能取质数,,则 计算: 计算并初选: 初选 预计啮合角及: 选, (2) 校验行星轮齿装配条件: 1)同心条件 为了保证中心轮和行星架轴线重合,各对啮合齿轮问的中心距必须相等。而对于角度变位传动,应为 2)装配条件 由于各行星轮必须均布于中心齿轮之间。为此,各齿轮齿数与行星轮个数必须满足装配条件,否则,会出现行星齿轮无法装配的情况。 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 (整数) 3)邻接条件 保证相邻两行星轮的齿顶不相碰 即 根据以上条件,初选模数为18mm,按照技术要求查阅相关手册,确定第一级行星轮系具体参数如表2.2。 表2.2 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 第一级 中心轮 15 18 0.35 318.6 237.6 280 0 行星轮 27 18 -0.35 509.4 428.4 486 0 内齿圈 69 18 -0.35 1203.975 1274.4 1242 0 2.2.2 第二级行星轮系传动设计 (1)计算齿轮基本参数 根据初定条件 即 尽可能取质数取,则C=36 计算: 计算并初选: 初选 预计啮合角及: 选。。 (2)校验行星轮齿装配条件: 1)同心条件 左边= 右边= 左边=右边,满足同心条件。 2)装配条件 (整数) 为整数 满足装配条件 3)邻接条件 齿高变动系数 齿顶圆直径 满足邻接条件 根据以上条件,初选模数为14mm,按照技术要求查阅相关手册,确定第二级行星轮系具体参数如表2.3。 表2.3第二级行星轮系参数 齿数 模数 变位系数 齿顶圆 齿根圆 分度圆 螺旋角 第二级 中心轮 20 14 0.35 317.8 254.8 280 0 行星轮 34 14 -0.35 494.2 431.2 476 0 内齿圈 88 14 0.35 1202.45 1257.2 1232 0 2.2.3 第三级平行轴圆柱齿轮传动设计 齿数分配如下:, 具体参数如表2.4。 表2.4第三级平行轴斜齿轮参数 齿数 模数 变位系数 齿顶圆 齿根圆 分度圆 螺旋角 第三级 斜齿轮一 68 5.5 0 401.4948 376.7448 390.4968 斜齿轮二 23 5.5 0 139.7458 122.4858 132.0791 端面模数: 分度圆直径:, 标准中心距: 2.2.4 行星齿轮具体结构确定 (1) 太阳轮的结构 为便于轴和齿轮连接。在本文中,太阳轮使齿轮轴,和鼓的渐开线花键实现和一个行星框架连接,将使中心圆一个轻微的摆动在一定范围内,以实现均匀负载。如图2.2。 图2.2 太阳轮结构 (2) 行星轮的结构 由于风力机的驱动力比较大,轴承是安装在行星齿轮轴的孔中,从而减小了传动轴的轴向尺寸,并简化了装配结构。当一般壁厚度(m为模数)时,为了提高轴的承载能力,将两者之间的距离在行星轮上的距离应是最大的,这样的载荷可以均匀地分布沿齿宽方向。一个双列调心滚柱轴承行星齿轮孔也可以减少沿齿宽不均匀分布载荷。由于行星轮负荷较大,在本文中,两个双列调心滚子轴承的安装,行星轮的结构如图2.3所示。 图2.3 行星轮结构 (3)行星架的结构 行星架是行星传动结构中的重要组成部分。常用的行星齿轮有双臂和手臂的整体分离和单臂三型。在铸造、锻造和焊接方法中都是空白的。在本文中,双横臂的使用,粗选ZG340-640铸钢材料,这种结构具有良好的刚度。 2.3材料选择及强度校核 由于风力发电机组具有恶劣的工作环境和复杂的负载条件。因此,与一般的传动机构相比,除了满足机械强度的要求外,还要满足一些机械性能的极端温度条件,如低温脆性、低膨胀和收缩率等。的传动部件,一般不采用分体式结构或焊接结构,齿轮毛坯尽可能的辐条轮辋实心锻造形式提高承载能力。采用优质合金钢锻造毛坯,取得了良好的力学性能。表2.5列出本文所设计的增速器各传动部件的材料及力学性能。 表2.5 各传动部件材料及力学性能 传动件 材料 热处理 接触强度 弯曲强度 加工精度 太阳轮 20CrMnTi 渗碳淬火,齿面硬度56~60HRC 1500 480 磨齿5级 行星轮 内齿圈 42CrMo 调质、齿面硬度HBS≥260 720 320 插齿6级 斜齿轮 20CrMnTi 渗碳淬火,齿面硬度56~60HRC 1500 480 磨齿5级 2.3.1 行星传动强度校核 在行星轮系传动中,太阳轮与行星轮间接触强度最大,故只需验证该啮合副齿轮接触强度即可。根据中国船级社风力发电机组规范,对各级行星轮系进行强度校核。 (1)第一级行星轮系 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56~60HRC,查阅手册,选取。 ,查手册得: 查手册得: 输入轴转矩, 太阳轮a受到转矩: 行星轮c转矩: 齿面接触疲劳强度: 太阳轮齿根弯曲疲劳强度: 行星轮齿根弯曲疲劳强度: 2)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HBS260,查手册,选取。 齿根弯曲疲劳强度: (2)第二级行星齿轮 1)太阳轮与行星轮外啮合接触强度校核: 太阳轮a和行星轮c的材料选用20CrMnTi,渗碳淬火,齿面硬度56~60HRC,查图,选取。。参数选择方法与第一级类似。 齿面接触疲劳强度: 太阳轮齿根弯曲疲劳强度: 行星轮齿根弯曲疲劳强度: 2)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HBS260,查手册,选取。。 内齿圈齿根弯曲疲劳强度: : 2.3.2 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。 ,查手册,得 查手册 输入轴转矩, 齿轮受到转矩: 齿面接触疲劳强度: 第三级输入齿轮齿根弯曲疲劳强度: 第三级输出齿轮齿根弯曲疲劳强度: 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,结构安全可靠。 2.4主要构件设计选用与计算 2.4.1 行星轮心轴的设计与校核 初步确定轴的最小直径 选取轴的材料为42CrMo,调制处理260~290HBS, QUOTE σb=900~1100MPa , QUOTE σ0.2=650MPa 。取 QUOTE A0=110 ,于是得 为了与轴承相适应,故需同时选取轴承型号。 因轴承主要承受径向载荷,且行星轮轴线在传动中要保持与太阳轮良好的平行,以避免附加载荷,所以选用调心滚子轴承,性能、特点与调心球轴承相同,且具有较大的径向承载能力。并根据最小轴径122.33mm,查机械手册初步选取标准调心滚子轴承型号为22326 C/W33。其尺寸为 故最心轴直径为130mm。 行星轮心轴强度计算 作用在心轴上的载荷按均布载荷计算,则最大弯矩为 心轴的弯曲应力为 行星轮轴承寿命计算 采用轴承为222326 C/W33, , 行星架转速为 行星轮绝对转速为 行星轮相对行星架的相对转速为 轴承寿命为 2.4.2 圆柱齿轮传动输出轴设计 初步确定轴的最小直径 选取轴的材料为42CrMo,调制处理260~290HBS, QUOTE σb=900~1100MPa ,。取 QUOTE A0=110 ,于是得 输出轴的最小直径显然是安装联轴器处的直径,为了与联轴器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号。 联轴器的计算转矩 式中 —工作情况系数,考虑到转矩变化和冲击载荷大,选用=2.3。 按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件,查手册,选用LZ6 YB80×172型弹性柱销联轴器,其公称转矩为8000N·m。半联轴器与轴配合榖孔长度。 轴的结构设计 拟定轴上零件的装配方案 本设计的装配方案在前面已经分析,现选用如图2-5所示的装配方案 图2-5 输出轴的结构与装配 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 = 1 \* GB3 ①为了满足半联轴器的轴向定位要求,VII—VIII轴段左端需制出一轴肩,故取VI—VII段的直径;左端用轴端挡圈定位,按轴端直径取挡圈直径D=92mm。为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上,故VII—VIII段的长度应比略短一些,现取。 = 2 \* GB3 ②初步选择滚动轴承。因轴承主要受径向力作用,而且要求输平稳,所以选用圆柱滚子轴承和调心滚子轴承配合。可以承受较大径向载荷同时能够自动调心,允许内圈对外圈轴线°。参照工作要求并根据,查机械手册中初步选取0基本游隙组、标准精度等级的单列调心滚子轴承22219 C/W33,其基本尺寸为 ,故,而。 右端滚动轴承采用轴肩定位。由手册上查得22219 C/W33型轴承定位轴肩高度h=6mm,因此,取。 = 3 \* GB3 ③因为轴段III—IV为齿轮轴段,故取。 = 4 \* GB3 ④取轴段I—II处与轴段VI—VII处相同的轴承直径,因此,参照工作要求,由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的单列圆柱滚子轴承NU219E,其基本尺寸为 因此,又根据轴承安装尺寸、,选择II—III段直径为。 = 5 \* GB3 ⑤轴承端盖的总宽度为20mm。根据轴承端盖的装拆及便于轴承加润滑脂的要求,取端盖的外端面与半联轴器左端间面间的距离,故取。 = 6 \* GB3 ⑥取齿轮距箱体内壁之距离a=20mm,考虑到箱体的铸造误差,在确定滚动轴承位置时,应距箱体内壁一段距离s,取s=8mm,已知滚动轴承宽度,参考中间轴总长度,则 至此,已初步确定了输出轴的各段直径和长度。 轴上零件的周向定位 半联轴器与轴的周向定位采用平键连接。按,查手册得平键截面,键槽用键铣刀加工,长为140mm,半联轴器与轴的配合为。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的,此处选轴的直径尺寸公差为m6。 确定轴上圆角和倒角尺寸 参照手册,取轴端倒角为2×45°,轴肩处的圆角半径为R=2mm或R=1.6mm。 2.4.3 浮动齿式联轴器设计 行星齿轮齿轮箱的基本构件广泛采用齿式联轴器,以保证基本构件在运动中能够适当地浮动,补偿制造误差所需的径向活动度。 浮动用齿式联轴器的结构设计 浮动用齿式联轴器有单齿和双齿两种结构。单齿联轴器(如图2-6所示)要有足够的长度,否则会引起齿轮轮齿上的载荷分布系数增大。 图2-6 单齿联轴器 双齿联轴器的结构比单齿复杂(见图2-7、图2-8)但它可以使浮动齿轮具有倾斜和径向平移两种运动可能,这有利于减小值。对传动比较小,太阳轮直径较大的NGW型传动,采用图2-6a所示的结构比图6-2b所示的结构更为有利。因为本设计太阳轮直径较大,所以本设计采用图2-7a所示的中心轮浮动用双齿联轴器,其中输入端齿就是太阳轮。 图2-7 中心轮浮动用双齿联轴器 图2-8 内齿轮浮动用双齿联轴器 联轴器及被浮动件的轴向定位,通常采用圆形截面(见图2-8)或矩形截面(见图2-6)的弹性挡圈,也可采用球面顶块定位(见图2-7b)。本设计采用一根空心轴定心,可以有效防止工作时因载荷变化造成传动中联轴器的倾斜角过大,而增大齿面磨损和减少使用寿命。 为了保证构件浮动的自由度,挡圈与齿轮间需留有一定间隙,这个间隙常取为。 浮动用齿式联轴器,按其外齿轴套的轮齿在齿宽方向的截面形状,又有直齿和鼓形齿之分。其中直齿加工简单,但允许倾斜角小,一般不大于30′,工作时容易产生轮齿的端部受载,齿面磨损大,强度和寿命较低。 鼓形齿的允许倾斜角较大,一般可达2°左右,其轮齿的受力情况好,浮动灵敏,强度和寿命均较直齿的有所提高。所以本设计采用鼓形齿。 2.4.4 齿轮结构设计 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选用腹板式结构,齿轮的主要尺寸见零件图。 2.4.5输入轴连接形式选择计算 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,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: 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。 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。 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。 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。 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。 输入轴最小直径计算 选取轴的材料为42CrMo,调制处理260~290HBS, QUOTE σb=900~1100MPa ,。取 QUOTE A0=110 ,于是得 输入轴转矩为 根据输入轴最小直径和输入转矩查机械手册选择 型胀套。其基本尺寸为 第3章 齿轮箱密封、润滑及冷却 3.1 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。所有的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2~4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件应密封可靠、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。常用的旋转轴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物。 本次设计采用了以上的第二种密封方式。 3.2 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祈祷足够的保护作用。为此,必须高度重视齿轮箱的润滑问题,严格按照规范保持润滑系统长期处于最佳状态。齿轮箱常采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,管路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。此外还应具备以下性能: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传动类型,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,由系统中的温度传感器控制,在必要时通过电控旁路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。 第4章 基于SolidWorks的齿轮箱建模 Solidworks是参数化技术的先驱,参数化是其最突出特点。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一,特别是在国内汽车行业、工程机械行业和产品设计领域占据不可替代位置。本论文运用solidworks软件对齿轮箱各零件进行建模,然后进行装配和运动仿真。其中在对齿轮及其它标准件的建模时通过solidworks软件的数化设计来输入各零件的参数完成对零件的建模。通过solidworks的建模清楚、形象、直观地表达齿轮箱各部分的特点[15]。 4.1 齿轮参数化建模概述 行星齿轮也为渐开线圆柱齿轮,应用参数化设计,输入已经计算好的齿轮各参数(模数、齿数、压力角、螺旋角、齿宽、齿顶高系数、顶系系数和变位系数)生成齿轮,通过“拉伸”命令生成齿轮轮毂和键槽孔。齿轮的三维模型如图所示。 图4.1 行星轮模型 图4.2 内齿圈模型 图4.3 太阳轮模型 4.2 输入轴建模概述 通过“旋转”生成部分的轴,然后运用“拉伸”命令生成键槽等。输入轴的三维模型如图4.4所示。 图4.4 输入轴模型 4.4 端盖建模 端盖分为闷盖和透盖,闷盖用于轴不伸出端面,透盖用于轴伸出端面。二者的建模基本相同,通过“旋转”和孔特征命令即可生成。闷盖的三维建模如图4.5所示,透盖的三维建模如图4.6所示。 图4.5 闷盖模型 图4.6 透盖模型 4.5 箱体建模 箱体为齿轮箱的支撑部分,起保护和承载作用,在本设计中箱体采用圆柱形。对箱体的建模相对复杂,需通过“拉伸”、“旋转”命令,再孔特征、筋特征和阵列特征等一系列步骤可生成箱体。箱体的三维模型如图4.7所示。 图4.7 箱体模型 4.6 轴承建模 轴承采用分步建模然后在装配,分别使用“旋转”命令生成轴承内圈、外圈和滚子,然后装配完成轴承的建模,轴承的三维模型如图4.8所示。 图4.8 轴承的三维模型 第5章 风电齿轮箱的装配 5.1 基于SolidWorks的齿轮箱装配 齿轮箱的三维装配将使设计好的各零件的装配关系直观地展现在人们面前,同时在装配过程中可以意识到设计中各个零部件的尺寸是否正确,外观是否美观等。 在solidworks组件坏境下以箱体为载体调用已完成建模的所有零部件,完成齿轮箱的三维装配。齿轮箱的三维装配模型图如图5.1所示。内部结构图如图5.2所示。 图5.1 风电齿轮箱三维模型 图5.2 风电齿轮箱剖面图 5.2齿轮箱二维装配图 AutoCAD是美国 Autodesk公司首次于1982年生产的自动 计算机辅助设计软件,用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本 三维设计,具有完善强大的图形绘制和编辑能力,其支持多种平台、通用性和易用性强的特点在全世界范围内吸引了不少客户,现已经成为国际上广为流行的绘图工具[16]。本文运用AutoCAD绘制齿轮箱装配图和主要零件图。虽然科技进步,技术发达的今天,但在产品设计中二维的装配图还是毕不可少的。总装配图如图5.3所示。 图5.3 齿轮箱二维装配图 第6章 结论 机械行业为了提高自身竞争力,缩短产品的设计周期,提高设计效率,机械设计从传统的人工测量、构想、初步设计、人工绘图进入了新的CAD技术时代[17]。本文提出了基于solidworks的兆瓦级风电齿轮箱设计,本设计具体完成了以下工作: (1)对增速器结构进行分析,提出本设计的背景和意义。 (2)根据设计参数对齿轮箱的初期设计进行了详细的分析和计算,在完成各部件的设计的同时,对必要的零部件进行校核分析。 (3)为了满足齿轮箱的工作要求,对齿轮箱的各附件、润滑和密封方式进行分析与选择。 (4)对风电齿轮箱设计完成后,运用solidworks软件对增速箱各零部件进行建模、装配。 (5)运用AutoCAD绘制风电齿轮箱的总装配图和主要零件图。 参考文献 成大先主编.机械设计手册 第六卷 .机械工业出版社 【2】 姚兴佳主编. 风力发电原理与应用. 机械工业出版社 2009.6 【3】 芮晓明主编. 风力发电机组设计 机械工业出版社,2010.2 【4】叶伟昌主编.机械工程及自动化简明设计手册机械工业出版社 【5】陈立德主编.机械装备制造设计高等教育出版社 【6】孙桓 陈作模 葛文杰主编. 机械原理. 高等教育出版社 【7】濮良贵 纪名刚主编. 机械设计. 高等教育出版社 【8】戴枝荣 张远明主编. 工程材料 第二版. 高等教育出版社 【9】郝桐生主编. 理论力学. 高等教育出版社 【10】北京科技大学 东北大学主编. 材料力学. 高等教育出版社 【12】李俊峰等.2008中国风电发展报告.北京:中国环境科学出版社,2008,10:1.72 【13】 施鹏飞.关于中国风电发展的思考.电力技术经济,2006,18(4).:21.23 【14】 熊礼俭.风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及规范使用手册.北京:中国科技出版社,2003。8. 【15】 GB/T 19073.2003.风力发电机组一齿轮箱.北京:中国标准出版社,2003. 【16】 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,2006,12(9):618.622 【17】 周思刚.我国风力发电技术的现状及发展.中国电工技术学会,2005,3(2):1673.3800 【18】 李树吉,陈雷,杨树人.风电齿轮箱的优化设计.新能源.2000,22(12):6-9 【19】 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.2009,32(4):408-414. 【20】 杜朝辉.风力发电的现状与关键技术.上海交通大学机械与动力工程学院,和记娱乐网站2004,10(5):13 【21】 王品晶,吴晓铃.风电齿轮箱的发展及技术分析.机械传动,2008,32(6):5.8 【22】 刘忠明,段守敏,王长路.风力发电齿轮箱设计设计制造技术的发展与展望.机械传动,2006,30(6):1-4 【23】 汤克平.风电增速箱结构设计叙谈.机械传动,2004,28(5):33.34 【24】 饶振钢.行星齿轮传动设计.北京:化学工业出版社,2003 【25】 机械设计手册编委会.机械设计手册.北京::机械丁业出版社,2004.8 【26】 齿轮手册编委会.齿轮手册.北京:机械工业出版社,2000 【27】 Kousaku OHNO,Naoyuki TNAK.A Contact Stress Analysis for Helical Gear with3-Dimensional Finite Element Method,200l:1-7 【28】 Yi..Cheng Chen,Chung—Biau Tsay.Stress Analysis of a Helical Gear Set with Localized Bearing Contact.Finite Elements in Analysis and Design,2002,(38):707-723 【29】 J Wang,Ian Howard.The Torsional Stiffness of Involute Spur Gears.Mechanical Engineering Science,2004,(218):l-12 【30】 Ian Howard,Shengxiang Jia,Jiande Wang.The Dynamic Modeling of A Spur In Mesh Including Friction and A Crack.Mechanical Systems and Signal Processing,200 1,5(5):831-853 【31】 Hertz H.Uber die beruhrung fester elastlscher korPer.Reine and Angewandte Mathematik,1882,92(21):156—171 【32】 Conry T F,Seireg A.A Mathematical Programming Technique for the Evaluation of L0ad Distribution and Optimal Modification for Gear System.Tram.ASME,J.Eng.Ind,1973,95:1115.1122 【33】 F.K. Choy ,Y.F. Ruan,Y K Tu.Modal Analysis of Multistage Gear Systems Coupled with Gearbox Vibration.Journal of Mechanical Design,1 992,(1l 4):486-497 致 谢 感谢X老师在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给我的指导,有了X老师认真负责的指导我的论文才得以顺利完成。老师为我论文课题的研究提出了许多指导性的意见,为论文的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。在本文结束之际,特向敬爱的樊老师致以最尊敬的敬礼和深深地感谢! 通过此次设计,一方面让我认识到只学习理论是远远不够的,发现了学习中的错误之处;另一方面又积累丰富的知识,吸取别人好的方法和经验,增强对复杂问题的解决能力,摸索出一套解决综合问题的方法,为自己以后的工作和学习打下坚实的基础,提高了自己的动手能力。顺利完成毕业设计,既是对我大学所学课程的一次综合整理,又使我对机电知识有了更深层次的理解。这些能力的掌握是我步入社会所必需的。 同时由衷的感谢在我设计过程中,班级同学对我的指导和帮助,有了你们的热心解答,弥补了我的不足,我得以在各方面取得显著的进步。由于初次研究这种复杂而又综合的设计,过程中难免存在一些错误和不足之处,恳请各位老师给予批评和指正。

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