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摘要
我國屬于發(fā)展中國家，經(jīng)濟、能源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展是實現(xiàn)我國現(xiàn)代化目標的重要前提。我國是個能源大國，也是個能源消費大國，當前我國能源的發(fā)展面臨著人均能耗水平低、環(huán)境污染嚴重、能源利用率以及可再生能源比例少等問題。因此，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，減少溫室氣體排放，緩解環(huán)境污染，加強能源安全已成為全國關(guān)注的熱點，對可再生能源的利用，特別是風能開發(fā)利用也給予了高度重視。風能是一種清潔的可再生能源，風力發(fā)電是風能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技術(shù)最成熟、最具有規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。
風力發(fā)電機的傳動機構(gòu)主要由主軸、齒輪箱、輸出軸等部分組成，首先對齒輪箱進行設(shè)計，根據(jù)某型風力發(fā)電機所要求的技術(shù)匹配參數(shù)，選擇適當?shù)凝X輪傳動方案，在此基礎(chǔ)上進行傳動比分配與各級傳動參數(shù)如模數(shù)、齒數(shù)等的確定，對于齒輪箱中的軸進行設(shè)計，并對齒輪、軸以及軸承進行校核，再考慮行星架、箱體的選用問題，最后在考慮其他因素對風力發(fā)電機的影響，進行三維仿真模擬。
關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機傳動機構(gòu)；行星齒輪傳動；模擬仿真
I
Abstract
China is a developing country, the coordinated development of economy, energy and environment is an important prerequisite to realize our modernization goal. China is a big energy country, but also a large energy consumption, the current development of China's energy is facing a low level of per capita energy consumption, environmental pollution, energy efficiency and the proportion of renewable energy and other issues. Therefore, to adjust the energy structure, reduce greenhouse gas emissions, ease environmental pollution, strengthen energy security has become a hot topic of concern to the use of renewable energy, especially wind energy development and utilization has also given high priority. Wind energy is a clean renewable energy, wind power is the main form of wind energy utilization, but also the renewable energy in the most mature technology, the most large-scale development conditions and commercial development prospects of one of the power generation.
The transmission mechanism of the wind turbine is mainly composed of the main shaft, gear box and output shaft. First, the gear box is designed. According to the technical matching parameters required by a certain type of wind turbine, the appropriate gear transmission scheme is selected. On this basis, The gear ratio and the transmission parameters such as modulus, the number of teeth, etc. to determine the shaft for the design of the gear box, and gears, shafts and bearings to check, and then consider the planetary planes, the selection of the box, and finally Three-dimensional simulation is carried out to consider the influence of other factors on wind turbines.
Key words: Wind turbine transmission mechanism;Planetary gear drive; Simulation
III
目錄
1 緒論 1
1.1 選題的背景及意義 1
1.2 風力發(fā)電機的研究現(xiàn)狀 1
1.2.1 國內(nèi)發(fā)展 1
1.2.2 國外發(fā)展 3
1.3 設(shè)計內(nèi)容 4
2 風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)組成 5
2.1 風力發(fā)電的原理 5
2.2 發(fā)電機結(jié)構(gòu) 5
3 傳動機構(gòu)設(shè)計 7
3.1 設(shè)計參數(shù) 7
3.2 設(shè)計方案 7
3.2.1 方案的討論 7
3.2.2 初步確定總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 8
3.3 傳動比的分配 8
3.4 齒數(shù)的選擇 8
3.4.1 齒數(shù)的選用 9
3.4.2 齒輪的校核 13
3.5 軸的設(shè)計 19
3.5.1 低速級傳動軸尺寸設(shè)計 19
3.5.2 中間級傳動軸的設(shè)計 19
3.5.3 高速級軸的設(shè)計 19
3.5.4 軸的校核 20
3.6 行星架的選用 22
3.7 箱體的設(shè)計與選用 22
3.7.1 齒輪箱箱體設(shè)計 22
3.7.2 齒輪箱的冷卻和潤滑 22
3.7.3 齒輪箱的使用及其維護 23
4 影響風力發(fā)電機功率的因素 24
4.1 風力大小對功率的影響 24
4.2 葉片附著物對其轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的阻礙因素對功率的影響 24
4.3 齒輪箱設(shè)計對功率的影響因素 25
4.4 軸的合理設(shè)計對功率影響 25
5 齒輪箱的三維建模 26
5.1 軟件介紹 26
5.2 建模截圖 26
5.2.1 一級行星系傳動 26
5.2.2 二級行星系傳動 27
5.2.3 三級平行軸傳動 28
5.2.4 箱體圖 28
5.2.5 整體剖視圖 30
6技術(shù)經(jīng)濟性分析 32
6.1零件材料的經(jīng)濟性分析 32
6.2方案選擇上的技術(shù)性分析 33
7結(jié)論 35
致謝 36
參考文獻 37
附錄A 38
附錄B 43
1 緒論
1.1 選題的背景及意義
1）提供國民經(jīng)濟發(fā)展所需的能源
能源是國民經(jīng)濟發(fā)展和人類生活必需的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。我國能源面臨最突出的問題是國內(nèi)化石類能源供應(yīng)嚴重不足。一項關(guān)于我國未來能源供需報告曾預測，2020年國內(nèi)可供應(yīng)常規(guī)能源的量不到2億噸標準煤，能源缺口將為4億至5億噸，需要從國外進口。如果要減輕我國對石油和天然氣進口的依賴，必須調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，大規(guī)模開發(fā)可再生能源。可再生能源將作為主要的替代能源，而風力發(fā)電則是可再生能源發(fā)展的重點，市場廣闊、前景光明，將為國民經(jīng)濟發(fā)展提供更充足的物質(zhì)保證。
2）減少溫室氣體排放
風力發(fā)電是當前既能獲得能源，又能減少有害氣體排放的最佳途徑之一。目前我國的電能結(jié)構(gòu)中75%是煤電，排放污染嚴重，增加風電等清潔能源比重刻不容緩。在減少溫室氣體二氧化碳和導致酸雨的二氧化硫等有害氣體排放、保護環(huán)境、環(huán)節(jié)全球氣候變暖方面，風電是有效措施之一。
3）提高能源利用效率
常規(guī)能源發(fā)電雖然直接成本較低，但其成本還應(yīng)包括運輸、環(huán)境、資源等社會因素，加在一起要比風力發(fā)電高得多。研究表明，這方面的成本大約要高出40%,并且這些外部成本是以環(huán)境污染和資源消耗為代價的。風力發(fā)電由于基本沒有外部成本，其社會成本就小得多。
1.2 風力發(fā)電機的研究現(xiàn)狀
1.2.1 國內(nèi)發(fā)展
風力發(fā)電是我國現(xiàn)階段用處最多，國民最喜歡的一種清潔的可再生能源，風力發(fā)電機的開發(fā)緩解了我國環(huán)境污染的現(xiàn)象，減少了產(chǎn)生。煤炭的燃燒作為能源的使用大概是19世紀之前采用的方式，這種方式的大量使用致使我國的環(huán)境現(xiàn)狀一天天惡劣下去，部分地區(qū)出現(xiàn)了泥石流、洪水的侵襲等各種自然災害。我國認識到這個問題之后，更加積極地將新能源的開發(fā)搬上國家建設(shè)的旅程表上，成為了全國上下一起努力的目標，這時出現(xiàn)的風力發(fā)電引起了國家的注意，當時我國屬于剛起步狀態(tài)，對于一些未知的技術(shù)我們處于無知狀態(tài)，需要我們學習外國的先進技術(shù)，但是由于他們不是免費提供給我們，所以需要我們花大價錢將其引進到國內(nèi)，并對其進行研究和創(chuàng)新生產(chǎn)使用，應(yīng)用到各個地區(qū)的開發(fā)的風力發(fā)電廠中。
由于風力發(fā)電機需要的地方廣闊、周圍居民少且建筑物少，因此大多將風力發(fā)電廠建立在偏遠地區(qū)或者較荒蕪的地區(qū)，但是這些地區(qū)的環(huán)境惡劣導致電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力差，致使一些地區(qū)出現(xiàn)了棄電的現(xiàn)狀。更是由于我國對于該新興技術(shù)的不全面的了解，一些地區(qū)出現(xiàn)了安全隱患，如電的泄露、塔基的不穩(wěn)定導致坍塌現(xiàn)象。
圖1-1 風力發(fā)電現(xiàn)狀
Fig.1-1 Wind power generation
圖1-2 全國每年風電利用小時數(shù)概況
Fig. 1-2 survey of annual utilization hours of wind power in China
圖1-3 棄風數(shù)據(jù)表
Fig. 1-3 abandoned air data sheet
圖1-4 各省份近幾年風力發(fā)電數(shù)據(jù)
Fig. 1-4 wind power data in the provinces in recent years
1.2.2 國外發(fā)展
1）美國
美國PTC政策（生產(chǎn)稅抵免政策）延長實施四年或?qū)⒋龠M2017-2020年新增風電吊裝容量創(chuàng)新高，接近40GW。風電行業(yè)供需側(cè)多種因素的影響下，預計大部分吊裝容量將于2019、2020年實現(xiàn)并網(wǎng)，政治環(huán)境不穩(wěn)定與施工資源短缺或?qū)⒆璧K風電項目的開發(fā)。除此之外，近年來為了享有稅務(wù)優(yōu)惠而參與風電建設(shè)的投資商撐起了風電項目融資的半邊天，超半數(shù)的吊裝項目融資來自他們的資金支持，而如今遭遇企業(yè)所得稅改革，對行業(yè)的投資熱度將降低。邊境政策的調(diào)整與其它電價措施的的出臺也將阻礙本地供應(yīng)鏈的發(fā)展，導致國內(nèi)行業(yè)發(fā)展將越來越依賴于進口風機零部件。工程、采購與施工資源的短缺問題也迫在眉睫。
MAKE預計加拿大風電市場將于2017-2026年間，新增6.2GW吊裝容量。2017-2019年間，加拿大東部省份將成為新增容量主力地區(qū)，此后，由于政府對風電開發(fā)的支持力度不斷削減、電力行業(yè)大規(guī)模的去碳化進程加快、電力需求走低，該區(qū)域的新增容量預測將減少。從2019年末起，Alberta與Saskatchewan省的電力采購需求將導致此后至2026年間，風電需求向西轉(zhuǎn)移。對于加拿大東部的Quebec省而言，因美國東北部對加拿大水電需求較高，風電作為非水可再生能源可補足省內(nèi)電力需求，該省將成為2021年后仍能保持較高吊裝容量水平的唯一一個東部省份。
2）加拿大
加拿大自然資源部長稱，隨著加拿大將經(jīng)濟多樣化提上日程，風能時代可能即將開始。參加區(qū)域能源大會的風能倡導者和政府官員們視察了魁北克地區(qū)，因為北美的能源格局正在轉(zhuǎn)變。加拿大風能協(xié)會主席羅伯特˙奧爾南表示，需要更多依靠低碳資源來拉動經(jīng)濟增長。同時說道：“我們有資源并且有技術(shù)”。據(jù)加拿大政府估計，該國的風電投資組合占全球第8位，裝機容量已達1200萬千瓦。一些省級政府正在主動開發(fā)清潔能源，薩斯克切溫省正在努力發(fā)展且承諾在2030年之前達到50％的電能從可再生能源中獲取。
加拿大自然資源部長吉姆˙凱爾稱：“這很明顯，風能的時代已經(jīng)到來，我們的政府已經(jīng)承諾要處理氣候變化，并且我們知道風能將在這些努力中扮演決定性的角色。”
1.3 設(shè)計內(nèi)容
齒輪箱的工作過程為：風作用到葉片上，驅(qū)使風輪旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的風輪帶動齒輪箱主軸轉(zhuǎn)動將動能輸入齒輪副。經(jīng)過三級變速，齒輪副將輸入的大扭矩、低轉(zhuǎn)速動能轉(zhuǎn)化成低扭矩、高轉(zhuǎn)速的動能，通過聯(lián)軸器傳遞給發(fā)電機。發(fā)電機將輸入的動能最終轉(zhuǎn)化為電能并輸送到電網(wǎng)。
本次畢業(yè)設(shè)計主要設(shè)計的是風力發(fā)電機的傳動機構(gòu)部分，把葉片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能達到最大值，并且儲存起來供用戶或者工廠使用，其次還要考慮一些其他機構(gòu)的因素和外在風力大小對整個風力發(fā)電機的影響。主要步驟為：
1）選擇齒輪箱的傳動形式
2）根據(jù)提供的總傳動比分配分傳動比
3）根據(jù)傳動比查表選擇合適的齒輪數(shù)、模數(shù)，并對齒輪進行校核
4）設(shè)計各級傳動軸，并對軸徑最小的軸進行校核計算
5）根據(jù)總體要求選擇合適的行星架、箱體
6）對風力機功率的影響因素進行分析
7）繪制三維模型，并對其進行仿真模擬
8）對課題進行技術(shù)經(jīng)濟性分析
2 風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)組成
2.1 風力發(fā)電的原理
風力發(fā)電的原理：葉片帶動輪轂轉(zhuǎn)動是因為風能帶動葉片旋轉(zhuǎn)運動的結(jié)果，同時輪轂與齒輪箱的主軸相連接，所以齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)也會跟隨著轉(zhuǎn)動，軸的轉(zhuǎn)動帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，一級一級的傳遞下去，最后從齒輪箱的輸出軸傳遞出去到發(fā)電機部分。
風力發(fā)電是目前一項新興的再生能源可回收利用的技術(shù)，在世界各地都廣發(fā)地應(yīng)，并受各國資源局的青睞，同時該項技術(shù)不但緩解環(huán)境污染的問題，而且可再生能源的利用可促進了生態(tài)平衡。在部分地區(qū)已經(jīng)建立了多個風力發(fā)電機，并已投入使用，取得顯著的成果。風力發(fā)電機的組成部分主要有8個部分且每一份組成部分都起到了關(guān)鍵性的作用，且缺一不可。即：葉片、輪轂、機體、發(fā)電機、塔基、齒輪箱、發(fā)電機以及偏航系統(tǒng)。如圖所示:
圖2-1 風能——回轉(zhuǎn)機械能——電能
Fig. 2-1 wind energy - rotating mechanical energy - electric energy
2.2 發(fā)電機結(jié)構(gòu)
圖2-2 工作流程
Fig. 2-2 workflow
風力發(fā)電機是將風能轉(zhuǎn)換為機械功的動力機械，又稱風車。廣義地說，它是一以大氣為工作介質(zhì)的能量利用機械。
機艙：機艙包容著風力發(fā)電機的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機。維護人員可以通過風力發(fā)電機塔進入機艙。機艙左端是風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子葉片及軸。
轉(zhuǎn)子葉片：捉獲風，并將風力傳送到轉(zhuǎn)子軸心。
軸心：轉(zhuǎn)子軸心附著在風力發(fā)電機的低速軸上。
低速軸：風力發(fā)電機的低速軸將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導管，來激發(fā)空氣動力閘的運行。
齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的50倍。
高速軸及其機械閘：高速軸以1500轉(zhuǎn)每分鐘運轉(zhuǎn)，并驅(qū)動發(fā)電機。它裝備有緊急機械閘，用于空氣動力閘失效時，或風力發(fā)電機被維修時。
發(fā)電機：通常被稱為感應(yīng)電機或異步發(fā)電機。
偏航裝置：借助電動機轉(zhuǎn)動機艙，以使轉(zhuǎn)子正對著風。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風向標來感覺風向。圖中顯示了風力發(fā)電機偏航。通常，在風改變其方向時，風力發(fā)電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。
電子控制器：包含一臺不斷監(jiān)控風力發(fā)電機狀態(tài)的計算機，并控制偏航裝置。為防止任何故障（即齒輪箱或發(fā)電機的過熱），該控制器可以自動停止風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)動，并通過電話調(diào)制解調(diào)器來呼叫風力發(fā)電機操作員。
液壓系統(tǒng)：用于重置風力發(fā)電機的空氣動力閘。
冷卻元件：包含一個風扇，用于冷卻發(fā)電機。
塔：風力發(fā)電機塔載有機艙及轉(zhuǎn)子。通常高的塔具有優(yōu)勢，因為離地面越高，風速越大。它可以為管狀的塔，也可以是格子狀的塔。管狀的塔對于維修人員更為安全，因為他們可以通過內(nèi)部的梯子到達塔頂。格狀的塔的優(yōu)點在于它比較便宜。
風速計及風向標：用于測量風速及風向。
3 傳動機構(gòu)設(shè)計
3.1 設(shè)計參數(shù)
表3-1 參數(shù)表
Tab. 3-1 parameter list
項目 數(shù)量
總傳動比i
額定功率/kW
輸入轉(zhuǎn)速/rpm
輸出轉(zhuǎn)速/rpm
模數(shù)/m
104
1500
1800
9.7~119
1~20
由于風力發(fā)電機運轉(zhuǎn)的環(huán)境惡劣，受力情況復雜，因此要求所用材料除了要滿足機械強度條件以外，還應(yīng)該能滿足在極端溫差條件下所具有的材料特性，比如抵抗低溫冷脆性、冷熱溫差影響下的尺寸穩(wěn)定性等。由以上條件可知外齒輪制造精度不低于6級，即齒面硬度60～62HRC（太陽輪）和56～58HRC（行星輪）。與此同時為提高承載能力，齒輪、軸類采用合金鋼制造，具體為外齒輪采用20CrMnMo材料，內(nèi)齒圈采用42CrMo材料。
3.2 設(shè)計方案
3.2.1 方案的討論
對于兆瓦級風力發(fā)電機的齒輪箱的傳動比一般在100左右，分為兩種傳動傳動形式：一級行星齒輪+兩級平行軸傳動和二級行星齒輪+一級平行軸傳動。傳動系統(tǒng)多采用行星傳動，因行星傳動具有很有優(yōu)點，如下：
1）傳動效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳遞功率范圍大，使功率分流；
2）合理使用內(nèi)嚙合，共軸線式的傳動裝置，使軸向尺寸大大縮?。?
3）運動平穩(wěn)、抗沖擊和振動能力較強
但是行星齒輪傳動也有一定的缺點，如下：
1）結(jié)構(gòu)形式比定軸齒輪傳動復雜、對制造質(zhì)量要求高；
2）因體積小散熱面積小，導致油溫升高，對潤滑和冷卻要求嚴格。
3.2.2 初步確定總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)以上分析的結(jié)果，采用二級行星傳動+一級平行軸傳動的方式，提高了速比，降低了齒輪箱的體積。與此同時，主軸內(nèi)置于齒輪箱的內(nèi)部。不需要現(xiàn)場主軸對中；主軸軸承采用稀油潤滑，效果更好；大大減小了機艙的體積。如圖所示：
圖3-1 傳動機構(gòu)的原理圖
Fig. 3-1 schematic diagram of drive mechanism
3.3 傳動比的分配
根據(jù)參數(shù)，傳動比為1:104，電動機額定轉(zhuǎn)速為=1800r/min，所以風輪轉(zhuǎn)速為
=i=1800=17.3r/min （3-1）
齒輪箱采用NGW型號的形式，行星輪機構(gòu)定為2級，每級傳動比可按《機械設(shè)計手冊》第四版第三卷中表14-5-5查得：
第一級行星輪傳動比 ：=7.1
第二級行星輪傳動比： =5.6
則一級平行軸的傳動比：
==2.62 （3-2）
3.4 齒數(shù)的選擇
行星齒輪傳動由于有多對齒輪同時參與嚙合承受載荷，要實現(xiàn)這一目標行星輪各齒輪數(shù)必須滿足一定的幾何條件：
1）同心條件：為了保證正確的嚙合，各對嚙合齒輪之間的中心距必須相等。太陽輪A與行星輪C的中心距等于行星輪C與內(nèi)齒輪B的中心距。即：
+=- （3-3）
2）裝配條件：保證各行星輪能均布地安裝在兩中心齒輪之間，并且與兩個中心輪嚙合良好，沒有錯位現(xiàn)象。為了簡化計算和裝配，應(yīng)使太陽輪和內(nèi)齒輪的齒數(shù)和等于行星輪數(shù)目的整數(shù)倍。即：
=n （3-4）
3）鄰接條件：必須保證相鄰兩行星輪互不相碰，并留有大于0.5倍模數(shù)的間隙，即行星輪齒頂圓半徑之和小于其中心距L。即：
（）sin+2（+） （3-5）
4）傳動比條件：
=-1 （3-6）
3.4.1 齒數(shù)的選用
1）第一級行星輪系傳動設(shè)計
第一級行星輪系選用直齒圓柱齒輪，其齒輪精度等級為5級精度。
當=7.1時，查表3-2《行星齒輪傳動設(shè)計》
=19 =50 =119 則=7.0588
P==0.58%4% 合理 （3-7）
初選模數(shù) m=16
齒頂高
==116=16mm （3-8）
齒根高
=（+）m=（1+0.25）16=20mm （3-9）
齒高
==16+20=36mm （3-10）
齒寬：
b=（0.4~1.2）=(0.4~1.2)552=（220.8~662.4）mm （3-11）
?太陽輪：
分度圓直徑：
=m=1619=304mm （3-12）
齒頂圓直徑：
=+2=304+216=336mm （3-13）
齒根圓直徑：
=-2=304-220=264mm （3-14）
齒寬：
（3-15）
?行星輪：
分度圓直徑：
=m=1650=800mm （3-16）
齒頂圓直徑：
=+2=800+216=832mm （3-17）
齒根圓直徑：
=-2=800-220=760mm （3-18）
齒寬：
（3-19）
?內(nèi)齒圈：
分度圓直徑：
=m=16119=1904mm （3-20）
齒頂圓直徑：
=+2=1904+216=1936mm （3-21）
齒根圓直徑：
=-2=1904-220=1864mm （3-22）
齒寬：
（3-23)
2）第二級行星輪系傳動設(shè)計
當=5.6時，查表3-2《行星齒輪傳動設(shè)計》
=19 =35 =89 則=5.6842
P==1.48%4% 合理 (3-24）
初選模數(shù) m=14
齒頂高
==114=14mm （3-25）
齒根高
=（+）m=（1+0.25）14=17.5mm （3-26）
齒高
==14+17.5=31.5mm （3-27）
齒寬：
b=（0.4~1.2）=(0.4~1.2)378=(151.2~453.6)mm （3-28）
?太陽輪：
分度圓直徑：
=m=14=266mm （3-29）
齒頂圓直徑：
=+2=266+214=294mm （3-30）
齒根圓直徑：
=-2=266-217.5=231mm （3-31）
齒寬：
（3-32）
?行星輪：
分度圓直徑：
=m=1435=490mm （3-33）
齒頂圓直徑：
=+2=490+214=518mm （3-34）
齒根圓直徑：
=-2=490-217.5=455mm （3-35）
齒寬：
（3-36）
?內(nèi)齒圈：
分度圓直徑：
=m=1489=1246mm （3-37）
齒頂圓直徑：
=+2=1246+214=1274mm （3-38）
齒根圓直徑：
=-2=1246-217.5=1211mm （3-39）
齒寬：
（3-40）
3）第三級平行軸圓柱直齒輪設(shè)計
當=2.62時， =55 初選模數(shù) m=10
齒頂高
==110=10mm （3-41）
齒根高
=（+）m=（1+0.25）10=12.5mm （3-42）
齒高
==10+12.5=22.5mm （3-43）
齒寬
b=（0.4~1.2）=(0.4~1.2)380=（152~456）mm （3-44）
?小齒輪：
分度圓直徑：
=m==210mm （3-45）
齒頂圓直徑：
=+2=210+=230mm （3-46）
齒根圓直徑：
=-2=210-212.5=185mm （3-47）
齒寬
（3-48）
?大齒輪：
分度圓直徑：
=m=1055=550mm （3-49）
齒頂圓直徑：
=+2=550+=570mm （3-50）
齒根圓直徑：
=-2=550-212.5=525mm （3-51）
齒寬
3.4.2 齒輪的校核
在行星輪系傳動中，太陽輪與行星輪間接觸強度最大，故只需驗證該嚙合副齒輪接觸強度即可。
?功率的計算P：
輸出軸：
=1500kW （3-52）
Ⅲ軸：
=/=1530.6kW （3-53）
Ⅱ軸：
=/=1593.7kW （3-54）
Ⅰ軸：
=/=1659.4kW （3-55）
主軸：
=/=1728.6kW （3-56）
?轉(zhuǎn)矩的計算T：
主軸
（3-57）
Ⅰ軸
= （3-58）
Ⅱ軸
（3-59）
Ⅲ軸
（3-60）
1）第一級行星輪傳動
（1）太陽輪和行星輪外嚙合接觸強度及彎曲強度校核：
太陽輪A和行星輪C的材料選用20CrMnMo，滲碳+正火+低溫回火，齒面硬度56～62HRC，查閱機械設(shè)計手冊（第四版），選取=1500MPa，=480MPa
主軸轉(zhuǎn)矩（輸入軸）
（3-61）
太陽輪輸入轉(zhuǎn)矩為
（3-62）
太陽輪輪齒上的轉(zhuǎn)矩為
= （3-63）
式中 —行星輪個數(shù)，=3；
—太陽輪浮動時載荷分配的不均衡系數(shù)，=1.15。
使用系數(shù)
動載系數(shù)為
（3-64）
式中 —小齒輪的速度
（3-65）
計算接觸強度時的齒向載荷分布系數(shù)為
（3-66）
計算彎曲強度時的齒向載荷分布系數(shù)
（3-67）
齒輪間載荷分布系數(shù)為
（3-68）
則綜合系數(shù)為
（3-69）
（3-70）
齒面接觸應(yīng)力為
（3-71）
式中 —鋼制齒輪的彈性系數(shù)，；
—節(jié)點區(qū)域影響系數(shù)，；
—螺旋角系數(shù)，；
—重合度系數(shù)，
（為與的重合度，
為圓周力，即：
(3-72)
齒面許用接觸應(yīng)力為
（3-73）
式中 —潤滑系數(shù)，
—速度系數(shù)，
—粗糙度系數(shù)，即：
—工作硬化系數(shù)，
—接觸強度計算時的尺寸系數(shù)，即：
所以接觸強度的安全系數(shù)為:
合理 （3-74）
太陽輪齒根彎曲應(yīng)力為
（3-75）
式中 —重合度系數(shù)
—螺旋角系數(shù)，;
—齒形系數(shù)，。
齒根許用彎曲應(yīng)力為:
（3-76）
齒根彎曲強度的安全系數(shù)為:
合理 （3-77）
（2)行星輪與內(nèi)齒圈彎曲強度校核：
內(nèi)齒圈齒輪的材料選用42CrMo，調(diào)質(zhì)，齒面硬度HBS≥260，查手冊，選取，
內(nèi)齒輪齒根彎曲應(yīng)力為
（3-78）
齒根許用彎曲應(yīng)力為
(3-79)
齒根彎曲強度的安全系數(shù)
>1 故符合要求 (3-80)
2）第二級行星輪傳動
同以上計算過程得：
>1 故符合要求 (3-81)
3）第三級直齒輪傳動
同以上計算過程得：
>1 故符合要求 (3-82)
3.5 軸的設(shè)計
3.5.1 低速級傳動軸尺寸設(shè)計
因為傳遞的功率適中對重量和結(jié)構(gòu)尺寸沒有特殊要求，參考機械設(shè)計手冊，選用軸的材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理。
根據(jù)軸的直徑計算公式：
(3-83)
計算軸的最小直徑并加大3%用來考慮鍵槽的影響.
查機械設(shè)計手冊知A=107~118，取A=113初定最小直徑，低速級傳動軸不長，采用兩端螺釘固定方式。然后按軸上零件的安裝順序，確定軸各數(shù)據(jù)。
3.5.2 中間級傳動軸的設(shè)計
因為傳遞的功率適中對重量和結(jié)構(gòu)尺寸沒有特殊要求，參考機械設(shè)計手冊，選用軸的材料為45號鋼，采用調(diào)質(zhì)處理。
根據(jù)軸的直徑計算公式：
(3-84)
計算軸的最小直徑并加大3%用來考慮鍵槽的影響
查機械設(shè)計手冊得A=107~118，取A=113初定最小直徑軸，中間級傳動軸不長，采用兩端螺釘固定方式。然后按軸上零件的安裝順序，確定軸各數(shù)據(jù)。
3.5.3 高速級軸的設(shè)計
最小軸直徑的設(shè)計計算公式
(3-85)
式中 —功率，即/=1530.6kW；
—轉(zhuǎn)速，即；
查表可知A在107~118范圍內(nèi)，A取113。
由于軸的末端要與聯(lián)軸器相連，需開鍵槽，根據(jù)計算軸的最小直徑并加大3%用來考慮鍵槽的影響。
3.5.4 軸的校核
風力發(fā)電機的傳動機構(gòu)中輸出軸的軸徑最小，因此校核該軸即可。具體步驟為下：
圖3-2 力的位置大小與方向的確定
Fig. 3-2 determination of position, size and direction of force
圖3-3 約束位置的確定
Fig. 3-3 determination of constraint position
圖3-4 最大元素尺寸的確定
Fig.3-4 determination of the maximum element size
圖3-5 網(wǎng)格劃分圖
Fig. 3-5 mesh diagram
圖3-6 應(yīng)力結(jié)果圖
Fig. 3-6 stress result diagram
軸選用的材料為45號合金鋼，其熱處理為調(diào)質(zhì)，查《機械設(shè)計手冊》表8-1得知，，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》表8-3可知，,根據(jù)有限元分析可知，因此軸合格。
3.6 行星架的選用
行星架是行星齒輪傳動中結(jié)構(gòu)比較復雜的一個重要零件，在行星輪傳動系中有著承上啟下的作用，并直接影響著增速箱的壽命和增速箱的噪聲，一個合理的行星架應(yīng)是具有足夠的強度和剛度，動平衡性好，能保證行星輪間的載荷分布均勻，同時也具有良好的加工和裝配工藝。可使行星齒輪傳動具有較大的承載能力和較好的傳動平穩(wěn)性以及較小的振動和噪聲。在最常用的NGW型傳動中，它也是承受外力矩最大（除NGWN型外）的零件。行星架有雙臂整體式、雙臂剖分式和單臂式三種形式。為了使齒輪箱固定更牢固、整體更穩(wěn)定，選用雙臂整體式。
3.7 箱體的設(shè)計與選用
3.7.1 齒輪箱箱體設(shè)計
箱體是齒輪箱的極為重要的零件，它承受來自風輪的作用力與齒輪傳動時產(chǎn)生的反力。箱體必須具有足夠的剛性去承受外力和力矩的作用，防止其變形，保證其質(zhì)量。對于箱體材料的選擇，應(yīng)該采用鑄鐵箱體發(fā)揮其減震性，便于切削加工等特點，適于大批量的生產(chǎn)，常用的材料多為球墨鑄鐵和其他高強度鑄鐵。設(shè)計箱體時應(yīng)避免壁厚產(chǎn)生突變，降低厚壁差，已免產(chǎn)生縮孔與縮松等缺陷。當風力發(fā)電機的單件小批量地生產(chǎn)時，更多采用的是焊接或焊接和鑄造相融合的箱體。為了降低機械加工過程中和使用中的變形現(xiàn)象，為了防止出現(xiàn)裂紋，需要在鑄造或者焊接箱體必須進行退火和時效處理來消除內(nèi)應(yīng)力。為方便裝配和定期檢查齒輪的嚙合情況，箱體設(shè)計應(yīng)有助于拆卸裝配。
3.7.2 齒輪箱的冷卻和潤滑
齒輪箱的潤滑十分重要，良好的潤滑能夠?qū)X輪和軸承起到足夠的保護作用。此外還具有如下性能：
1) 減小摩擦和磨損，具有高的承載能力，防止膠合。
2）吸收沖擊和振動。
3）防止疲勞點蝕。
4）冷卻、防銹、抗腐蝕。
本齒輪箱采用飛濺潤滑+加壓潤滑方式，此種方式可以起到更好的潤滑作用。系統(tǒng)采用 Mobilgear SHC XMP 320合成潤滑油，它在極低溫度狀況下具有較好動性；在高溫時的化學穩(wěn)定性好并可抑制黏度較低。
3.7.3 齒輪箱的使用及其維護
閱讀《SL1500安全手冊》。所有操作必須嚴格遵守《SL1500安全手冊》。如果環(huán)境溫度低于-20 ℃，不得進行維護和檢修工作。低溫型風力發(fā)電機, 如果環(huán)境溫度低于-30 ℃，不得進行維護和檢修工作。如果超過下述的任何一個限定值，必須立即停止工作。不得進行維護和檢修工作。
重要提示：
對齒輪箱進行任何維護和檢修，必須首先使風力發(fā)電機停止工作，各制動器處于制動狀態(tài)并將葉輪鎖鎖定。
如特殊情況，需在風力發(fā)電機處于工作狀態(tài)或齒輪箱處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)下進行維護和檢修時（如檢查輪齒嚙合、噪音、振動等狀態(tài)時），必須確保有人守在緊急開關(guān)旁，可隨時按下開關(guān)，使系統(tǒng)剎車。
當處理齒輪箱潤滑油或打開任何潤滑油蒸汽可能冒出的端蓋時，必須穿戴安全面具和手套。當使用合成油時，這一點特別重要，因為它可能有刺激性并且有害。
4 影響風力發(fā)電機功率的因素
風力發(fā)電機的運作功率越高，產(chǎn)生的電量越大，但現(xiàn)實狀況總是存在很多因素影響著風力機的功率，下面對其進行介紹：
①風力大小對功率的影響
②葉片附著物對其轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的阻礙因素對功率的影響
③齒輪箱設(shè)計對功率的影響因素
④軸的合理設(shè)計對功率影響
根據(jù)以上分析的結(jié)果并根據(jù)現(xiàn)有情況分析，大多數(shù)風力發(fā)電機都安裝在一些偏遠地區(qū)，且這些地區(qū)自然環(huán)境一般處于劣勢狀態(tài)，比如：易有暴風雪天氣，也會出現(xiàn)冰雹暴雨天氣，同時也存在一些大風天氣。這些惡劣的環(huán)境也影響著風力發(fā)電機的工作狀態(tài)，且影響著風力發(fā)電機的最終的功率。
4.1 風力大小對功率的影響
根據(jù)現(xiàn)有情況分析，塔基建立的越高風力越大，這樣葉片轉(zhuǎn)動的速度也越快，使到達的發(fā)電機的機械能就越多，產(chǎn)生的電能也因此增加。但是塔基建立的越高也會產(chǎn)生一些危險，因為風力的增加，葉片不能承受住風能的帶來的速度將會從機體處脫落，一旦葉片脫落就會產(chǎn)生危險，危害到現(xiàn)場工作人員或者其他發(fā)電機的的正常運作。
4.2 葉片附著物對其轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的阻礙因素對功率的影響
對于一些寒冷地區(qū)的風力發(fā)電機，葉片常被冰雪覆蓋且融化成水之后瞬間凝固在葉片上，導致葉片重量增加，對于正常狀態(tài)下的風力，葉片轉(zhuǎn)動的速度將會降低，風力發(fā)電機的功率便會下降，所以我們消除葉片上的附著物，減小阻力，提高功率。如圖所示：
圖4-1 風力機穩(wěn)定時達到的轉(zhuǎn)數(shù)
Fig. 4-1 the revolutions reached by the wind turbine when it is stable
圖4-2葉片附著物不同類型時轉(zhuǎn)數(shù)變化
Fig. 4-2 change of revolution time of different types of blade attachment
4.3 齒輪箱設(shè)計對功率的影響因素
風力發(fā)電機內(nèi)部主要的傳動結(jié)構(gòu)就是齒輪箱機構(gòu)，該機構(gòu)的設(shè)計合理以及傳動比的分配正確也影響著風力發(fā)電機的功率大小。因此對于齒輪箱傳動比部分的設(shè)計主要遵從從大到小的一個原則，這樣的分配方式可以使主軸部分輸入進來的高扭矩、低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成低扭矩、高轉(zhuǎn)速的這樣一個結(jié)果，使齒輪箱輸出軸輸出的功率可達到最大值，但是如果傳動比分配相差太大也會出現(xiàn)受力不均衡。因此合理的分配傳動比和選用適當?shù)凝X數(shù)對于風力發(fā)電機的功率起著關(guān)鍵性的作用。
4.4 軸的合理設(shè)計對功率影響
軸的設(shè)計的合理對于風力發(fā)電機的功率有著重要的作用，在風力發(fā)電機運作過程中，軸主要起著傳動和固定齒輪的作用。首先，如果設(shè)計的軸過于短小，則不能完全固定住齒輪，則齒輪旋轉(zhuǎn)時會脫離軌道，設(shè)計的軸過于長，則會出現(xiàn)材料浪費現(xiàn)象且會影響下一動作的運行。其次，軸徑過小其受力不均衡，會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，更加帶不動齒輪的旋轉(zhuǎn)。綜上所述，合理地進行軸的設(shè)計是風力發(fā)電機的重要工作。
5 齒輪箱的三維建模
5.1 軟件介紹
SolidWorks主要是一款三維建模且能仿真模擬的畫圖軟件，該軟件可以將設(shè)計好的二維圖紙進行繪制成三維模型，有助于方便理解整個機構(gòu)的立體形態(tài)。其次可以用SolidWorks軟件檢測設(shè)計的模型受力是否合理，即：繪制的三維模型在仿真模擬環(huán)節(jié)啟動一個軸轉(zhuǎn)動，之后就可以根據(jù)后面齒輪等結(jié)構(gòu)是否轉(zhuǎn)動來判斷設(shè)計是否合理，同時也模擬進行校核，避免了公式計算的繁瑣。同時SolidWorks頁面設(shè)計簡單明了且每項操作都是具體的說明操作，初學者可通過這些指示進行繪制。具體操作步驟為：
1）選擇一個基準面進行草圖繪制（相當于手繪的圖紙）；
2）點擊完成草圖按鈕，進行三維模型的建立；
3）重復前兩步；
4）建工程圖。
5.2 建模截圖
5.2.1 一級行星系傳動
該部分主要為一級行星齒輪傳動部分的截圖，此部分由一個內(nèi)齒圈、三個行星齒輪、一個太陽輪以及一個雙臥式行星架組成。三個行星輪均勻地環(huán)繞在太陽輪外側(cè)并與太陽輪外嚙合，同時，內(nèi)齒圈包含整個外嚙合部分，與三個行星輪形成內(nèi)嚙合的形式。固定行星齒輪的是雙臥式行星架，太陽輪與外側(cè)的均勻分布的三個行星輪采用外嚙合，這樣太陽輪就不需要在進行固定，因為行星齒輪正好能鎖死太陽輪。外側(cè)部位是箱體的一部分，主要起保護作用。如圖所示：
圖5-1 一級行星傳動截圖（1）
Fig. 5-1 screenshots of planetary transmission at level 1 (1)
圖5-2 一級行星傳動截圖（2）
Fig. 5-2 screenshots of planetary transmission at level 1 (2)
5.2.2 二級行星系傳動
該部分主要為二級行星齒輪傳動部分的截圖，此部分由一個內(nèi)齒圈、三個行星齒輪、一個太陽輪以及一個雙臥式行星架組成。三個行星輪均勻地環(huán)繞在太陽輪外側(cè)并與太陽輪外嚙合，同時，固定行星齒輪的是雙臥式行星架，太陽輪與外側(cè)的均勻分布的三個行星輪采用外嚙合，這樣太陽輪就不需要在進行固定，因為行星齒輪正好能鎖死太陽輪。行星架主要固定行星輪，太陽輪與行星輪外嚙合，因為是三個行星輪包圍著太陽輪，所以太陽輪處于懸浮狀態(tài)。外側(cè)部位是箱體的一部分，主要起保護作用。如圖所示：
圖5-3 二級行星傳動截圖
Fig. 5-3 two stage planetary transmission screenshot
5.2.3 三級平行軸傳動
該部分主要為三級平行軸傳動部分的截圖，此部分由一個大齒輪和一個小齒輪組成，且兩者處于外嚙合狀態(tài)。同時，小齒輪中間插入的是輸出軸，直接將齒輪箱的機械能傳入到發(fā)電機發(fā)電。同時外側(cè)部位是箱體的一部分，主要起保護作用。如圖所示：
圖5-4 三級平行軸傳動截圖
Fig. 5-4 three parallel shaft drive screenshot
5.2.4 箱體圖
該部分是齒輪箱的箱體圖，該部分主要起到保護作用，且由主軸部分向輸出部分依次排開，且按照直徑由大到小的順序。齒輪箱底部是一個具有加強筋的底座，主要是使箱體不與機體相接觸，減少磨損。如圖所示：
圖5-5 箱體整體剖視圖
Fig. 5-5 overall cutaway view of box body
圖5-6 箱體外觀左視圖
Fig. 5-6 left view of cabinet appearance
圖5-7 箱體外觀右視圖
Fig. 5-7 right view of cabinet appearance
圖5-8箱體一級剖視顯示圖
Fig. 5-8 display view of the first stage of box body
5.2.5 整體剖視圖
從剖視圖中可清晰地看出，傳動機構(gòu)整體的分配方式以及傳動順序，清晰地表達了風力發(fā)電機傳動機構(gòu)的設(shè)計方案的特點，更有助于理解。如圖所示：
圖5-9 整體橫向剖視圖
Fig. 5-9 overall cutaway view
圖5-10 整體縱向剖視圖
Fig. 5-10 overall vertical cutaway view
6技術(shù)經(jīng)濟性分析
6.1零件材料的經(jīng)濟性分析
零件的經(jīng)濟性首先表現(xiàn)在零件本身的生產(chǎn)成本上。設(shè)計零件時，應(yīng)力求設(shè)計出耗費（包括錢財、制造時間及人工）最少的零件。要降低零件的成本，首先要采用輕型的零件結(jié)構(gòu)，以降低材料消耗；采用少余量或無余量的毛坯或簡化零件結(jié)構(gòu)，以減少加工工時。這些對降低零件成本均有顯著的作用。工藝性良好的結(jié)構(gòu)就意味著加工及裝配費用低，所以工藝性對經(jīng)濟性有著直接的影響。
采用廉價而供應(yīng)充足的材料以代替貴重材料；對于大型零件采用組合結(jié)構(gòu)以代替整體結(jié)構(gòu)，都可以在降低材料費用方面起到積極的作用。另外，盡可能采用標準化的零、部件，就可在經(jīng)濟性方面取得很大的效益。
如果能夠綜合考慮產(chǎn)品生命周期中的加工制造、裝配、檢測、維護等多種成本因素，零件材料的經(jīng)濟性會提高到一定高度。例如：在本次設(shè)計中的軸需采用較高性能的Mn來制作，就會導致整個風力發(fā)電機制作的成本高了，如果改用45號鋼來制作軸，雖然性能低于Mn，但是它也能夠承受住齒輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的載荷力，滿足設(shè)計要求，更可觀的是45號鋼的成本遠遠低于Mn的價格，更能體現(xiàn)出經(jīng)濟上的合理性。
為了滿足零件在經(jīng)濟性分析上的合理性，延長零件的使用的壽命周期，也可以從工序、所用的夾具，所加工的設(shè)備，生產(chǎn)流程上一步步進行優(yōu)化，使整個生產(chǎn)達到零損耗，降低設(shè)計成本。
對風力發(fā)電機傳動機構(gòu)的設(shè)計方案進行經(jīng)濟評價，就是為了選擇制造費用最少的方案，制造的費用包括材料的費用、工人的工資、管理的費用等。假如現(xiàn)在將機構(gòu)的研發(fā)費用也包括在制造費用中，可以用下式進行經(jīng)濟評價。
（6-1）
式中 Y—經(jīng)濟評價值
H—實際制造費用
Hs—標準制造費用，是允許制造費用的0.7倍
允許制造費用為：
（6-2）
式中 PMmax—變速箱的適宜市場價格
—標準價格對制造費用的比值
P—標準價格（制造費用+研制費用+管理費用+銷售費用+利潤+稅金）
其中，當Y=0.7說明方案的經(jīng)濟性比較好，如Y大于0.7則經(jīng)濟性比較好。由于對上述內(nèi)容沒有具體的數(shù)值，所以無法進行計算分析。
6.2方案選擇上的技術(shù)性分析
按照評分標準對設(shè)計方案的各個評價項目進行打分，然后進行技術(shù)評價的技術(shù)。
技術(shù)評價的公式如下：
（6-3）
式中 X—技術(shù)評價值
Pi—每個評價項目的得分數(shù)
Pmax—標準分數(shù)（10或4），即評價項目的最高分
本次畢業(yè)設(shè)計主要圍繞的是風力發(fā)電機傳動機構(gòu)的設(shè)計，對于兆瓦級的風力發(fā)電機，為了運行緊湊，而采用三級傳動的方式，但是由于三級傳動的組合有四種：①三級行星傳動②二級行星傳動+一級平行軸混合傳動③一級行星傳動+二級平行軸傳動④三級平行軸傳動。
對這四種組合方式進行比較：實際應(yīng)用中行星傳動所運用的費用高、制作成本大、工藝性復雜，但其性能好，運作平穩(wěn)；平行軸傳動不穩(wěn)定、性能差，但其制作方便，工藝性簡單，所運用的費用較少。
表6-1風力發(fā)電機選擇方案的技術(shù)評價
Table 6-1 technical evaluation of wind turbine generator selection scheme
序號
技術(shù)性能指標
評分
標準
第一種方案
第二種方案
第三種方案
第四種方案
1
2
3
運動是否穩(wěn)定
質(zhì)量
結(jié)構(gòu)的工藝性
4
4
1
4
4
3
3
3
3
1
2
4
4
4
4
續(xù)表6-1
4
5
維修方便
可靠性
1
4
14
0.70
3
3
17
0.85
3
2
14
0.70
4
1
12
0.60
4
4
20
1.00
通過表中結(jié)果可知方案②的效