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湖南科技大學機電工程學院 2015屆畢業(yè)設計（論文）開題報告
題 目
5MW海上風電機組齒輪傳動系統(tǒng)設計
作者姓名
賴文馨
學號
1103010401
所學專業(yè)
機械設計制造及其自動化
1、 研究的意義：
當今社會隨著經(jīng)濟日益發(fā)展，人們對能源的需求越來越大，而石油等不可再生能源也面臨枯竭，人們急需尋找替代能源。自然界中具有非常大的風能儲存量，由于太陽的輻射作用，地球每年大約可獲得的 地球每年大約可獲得 KW·h 的風能。其中，邊界層占整個大氣層的 35%，因而邊界層大氣中可利用的風能功率約為 KW，如果人類在近地面層能利用其中的十分之一，則全球可開發(fā)風能的功率為KW。這個值相當于 2005 年全球發(fā)電能力的 74.7 倍[1]。通過上述數(shù)據(jù)可知，風能是地球上最重要的能源之一，合理的開發(fā)利用風能可以解決越來越嚴重的能源短缺問題。風能作為一種清潔的、儲量極為豐富的可再生能源，在未來的能源市場很有開發(fā)潛力，各國政府相繼投入大量的人力及資金研究生產(chǎn)風力發(fā)電機，力圖設計出安全可靠高效的風力發(fā)電機。風力發(fā)電機中很重要的一部分就是齒輪傳動增速箱，如何把齒輪傳動系統(tǒng)設計好便成了關鍵問題
2、國內(nèi)外現(xiàn)狀：
從20世紀70年代末以來，隨著世界各國對能源危機、環(huán)境保護等問題的日益關注，一致認為大規(guī)模發(fā)展利用風力發(fā)電是非常有效的措施之一。19 世紀末、丹麥最先開始探索風力發(fā)電、研制出風力發(fā)電機組直到20 世紀70 年代以前，只有小型充電用風力機達到實用階段。1973 年石油危機后，美國、歐洲等發(fā)達國家為尋求替代能源，投入大量經(jīng)費，研制現(xiàn)代風力發(fā)電機組，開創(chuàng)了風能利用的新時期。世界風能委員會 11 日公布的一份報告指出，到 2010 年，全球風能發(fā)電能力將比現(xiàn)在提高一倍，達到 149.5 吉瓦。根據(jù)世界風能委員會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，僅在 2006年，全球風力發(fā)電能力就比上年增長了 25％，達到了 74 吉瓦。
歐洲一直以來是風力發(fā)電市場的領導者，目前在風能發(fā)電領域仍處在世界前列，而且在今后幾年其在風力發(fā)電實際運用及其國際市場上還將繼續(xù)保持領先地位，但隨著近年來世界其他國家和地區(qū)對風力發(fā)電的重視和發(fā)展，歐洲的領先優(yōu)勢會有所下降。據(jù)世界風能委員會的統(tǒng)計，2004 年歐洲風力發(fā)電裝機容量占全世界風電總裝機容量的 72％，2005 年該比例就下降為 69％，而去年則又跌至 51％，到 2010 年，雖然整個歐洲的風力發(fā)電量將比目前的 48 吉瓦增長近一倍達到 82 吉瓦，但其占全球市場的份額則將下滑到 44％。這份報告還對 2006 年到 2010 年期間全球各地區(qū)風力發(fā)電態(tài)勢進行了預測。報告說，由于美國連續(xù)采取生產(chǎn)稅抵免等多項風能激勵措施，北美地區(qū)風力發(fā)電的發(fā)展仍將保持快速增長勢頭。緊隨其后的是風力發(fā)電的新興增長地區(qū)——亞洲，主要是中國和印度，亞洲將成為全球風能發(fā)電年增長幅度最快的地區(qū)之一，年增長將達 28.3％，其風力發(fā)電能力將從 2006 年的 10.7 吉兆增長到 2010 年的 29 吉兆。風力發(fā)電機單機裝機容量也從最初的 50KW，發(fā)展到 3.6MW，目前新建風場普遍采用 1.5MW 成熟機型，單機容量繼續(xù)穩(wěn)步上升已成為風力發(fā)電機的發(fā)展趨勢[2]。
我國三北地區(qū)風能功率密度在 200～300W/m2以上，有的可達 500W/m2以上，如阿拉山口、達坂城、輝騰錫勒、錫林浩特的灰騰梁等、可利用的小時數(shù)在 5000小時以上，有的可達 7000 小時以上。東南沿海地區(qū)年有效風能功率密度在 200W/m2以上，將風能功率密度線平行于海岸線，沿海島嶼風能功率密度在 500 W/m2以上如臺山、平潭、東山、南鹿、大陳、嵊泗、南澳、馬祖、馬公、東沙等。可利用小時數(shù)約在 7000-8000 小時。根據(jù)最新風能資源評價，我國陸地可利用風能資源 3 億千瓦，加上近岸海域可利用的風能資源，共計約 10 億千瓦，風能儲量非常豐富，開展風力發(fā)電是既經(jīng)濟又高效的方式[3]。我國風力發(fā)電技術的研究始于 20 世紀 70 年代末 80 年代初，通過自主研發(fā)小型風力發(fā)電機解決廣大牧區(qū)牧民及一些島嶼上居民的生活生產(chǎn)用電。到 2006 年底，全國已建成約 90 個風電場，已經(jīng)建成并網(wǎng)發(fā)電的風場主要分布在、內(nèi)蒙、廣東、浙江、河北、遼寧等 16 個省區(qū)，裝機總容量達到約 260 萬千瓦。但與國際先進水平相比，國產(chǎn)風電機組單機容量較小，關鍵技術依賴進口，零部件的質量還有待提高。我國2009年新增風電裝機容量13800兆瓦(0.138億千瓦),同比增長高達124%，新增市場容量超過美國居全球第一；累計裝機容量連續(xù)第四年翻番,超越德國和西班牙，規(guī)模排在美國的 35159 兆瓦之後，位居世界第二。中國可再生能源協(xié)會風能專業(yè)委員會主任賀德馨在風能大會上亦稱,中國今年底風電裝機容量有望達到40000 兆瓦，去年底為 25800 兆瓦。到 2020 年時中國風電裝機容量有望達到 3 億千瓦左右，大幅高于官方最新預期的 2.3 億千瓦。由此可見，未來我國的風力發(fā)電發(fā)展前景非常良好，因此如何設計制造出安全高效的風力發(fā)電機就成了很重要的研究課題。
1、 研究目標、內(nèi)容和擬解決的關鍵問題（根據(jù)任務要求進一步具體化）
研究目標：
（1） 對齒輪箱選用合理的結構、增速比和材料。設計質量好、重量輕、空間體積小、運行穩(wěn)定的大容量風電機組齒輪傳動系統(tǒng)。
（2） 引用風力機的風輪葉片設計及塔架設計，從而完成整個風力發(fā)電機的設計。
主要內(nèi)容：
本增速箱速箱的結構為二級行星，一級斜齒輪，根據(jù)設計任務書的要求合理分配各級傳動比，計算各級的齒輪參數(shù)，軸承參數(shù)，并進行校核。選出合理的軸承類型，并對增速箱尺寸進行計算，以及將各個部分裝配起來。
進程：
第一階段：開題階段 3月9日至3月20日，收集、查閱和整理設計資料，完成3000字的文獻翻譯，完成畢業(yè)實習報告和開題報告。
第二階段：設計階段 3月21日-3月28 日，齒輪傳動系統(tǒng)方案選擇、傳動比分配，傳動結構造型等整體方案設計與計算。
第三階段：計算階段 3月29日至4月15日，齒輪、軸、軸承等關鍵傳動結構件的設計計算，繪制零件圖。
第四階段：繪圖階段 4月16日至5月 5日，傳動系統(tǒng)裝配圖繪制。
第五階段：畢業(yè)答辯 5月6日至 5月25日，設計計算說明書的編制、整理、修改、定稿，準備答辯
解決的關鍵問題
風力發(fā)電機床系統(tǒng)主要是將能量由葉輪傳遞至發(fā)電機。傳動系統(tǒng)主要包括主軸、主軸承、齒輪箱、高速軸、聯(lián)軸器等部件。而本課題的主要部分是對風電機傳動系統(tǒng)的設計，所以有可能遇到的主要問題：
（1）準確對傳動方案的分析；
（2）確定齒輪箱的傳動比的分配；
（3）齒輪尺寸參數(shù)的確定
（4）對軸承的尺寸進行確定；
（5）選擇合理的軸承類型；
（6）對箱體和總體結構的確定；
（7）對箱體主要部件載荷的計算和校核；
（8）確定冷卻溫度和潤滑系統(tǒng)；
（9）對整個部件的裝配圖和零件圖的繪制；
這些問題都是設計該風機傳動系統(tǒng)的關鍵問題，在設計過程中，將通過查閱有關文獻資料和向老師咨詢的方法來解決。
2、 特色與創(chuàng)新之處：
我國的風力事業(yè)由于起步晚，特比是兆瓦級風電機齒輪箱，主要生產(chǎn)設備長期依賴進口。在自主開發(fā)風力大型容量發(fā)電機等方面還比較落后，特別是像齒輪傳動系統(tǒng)等技術領域還存在很大的差異。為此希望減少此差距。
按照現(xiàn)在風機裝機要求，在考慮重量、體積、運行穩(wěn)定性的多種情況下，設計合理的齒輪箱和增速比，采用合理的材料提高運行的壽命。同時在設計繪制零件圖和裝配圖時廣泛運用CAD/CAM/CAE技術和Pro/e軟件，以提要傳動系統(tǒng)運行的精度、可靠性、降低傳動系統(tǒng)制造成本，提高傳動系統(tǒng)標準化水平和傳動系統(tǒng)標準件的使用率。
在本次畢業(yè)設計，本人將全部應用CAD/CAE/CAM技術和soliworks軟件來設計傳動系統(tǒng)。利用CAD軟件繪制二維裝配圖和零件圖，利用soliworks軟件繪制三維裝配圖和零件圖；大大縮短了設計時間以及畫圖時間，并提高了設計精度還有減小誤差。
3、 擬采取的研究方法、步驟、技術路線
(1)查閱資料，熟悉國內(nèi)外風電機及其傳動系統(tǒng)齒輪箱的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。
(2)理解風電傳動系統(tǒng)齒輪箱工作原理及結構分析，確定齒輪箱總裝設計思路。
(3)建立準確的分析模型，準確求解受載輪齒的載荷分布。?
(4)完成主要零部件設計并進行強度校核。
(5)繪制零件加工圖，選定加工工藝。?
(6)編寫設計說明書。
4、 擬使用的主要設計、分析軟件及儀器設備
主要設計、分析軟件：
CAD軟件（繪制二維裝配圖和零件圖）
soliworks軟件（繪制三維裝配圖和零件圖）
儀器設備：
本課題主要是對大容量風電機組齒輪傳動系統(tǒng)進行三維設計，所采用的設備儀器是普通計算機。
5、 參考文獻
B：
[1] 潘存云， 機械原理[M]、 長沙、 中南大學出版社、 2011
[2]、林景堯、 風能設備使用手冊、 北京、 機械工業(yè)出版社、 1992
[3]、芮曉明、 風力發(fā)電機組設計． 北京、 機械工業(yè)出版社 、2010?
[4]、姚興佳、 風力發(fā)電機組原理與應用．北京、 機械工業(yè)出版社、 2009
[5]、趙振宙、 風力發(fā)電機原理與應用、北京、 中國水利水電出版社、2011
[6]、Tony?Burton 、風能技術、 北京、 科學出版社、 2007
[7]、牛山 泉、風能技術、 北京、 科學出版社、 2009
[8]、諾邁士、 風電傳動系統(tǒng)的設計與分析、 上海、上?？茖W技術出版社、2013
[9]、李俊峰、 風力 北京、 化學工業(yè)出版社、2005
[10]、李 斌、 未來世界風電發(fā)展大趨勢[J]、北京、哈爾濱大電機研究所、2008
[11]、劉忠明、風力發(fā)電機齒輪箱設計制造技術的發(fā)展與展望[J]、機械傳動、2006
[12]、成大先、機械設計手冊第三卷、 北京、 化學工業(yè)出版社、1993
[13]、葉偉昌、機械工程及自動化簡明設計手冊、 機械工業(yè)出版社
[14]、關慧貞、機械制造裝備設計、 北京、 機械工業(yè)出版社
[15]、濮良貴 紀名剛、 機械設計、 北京、 高等教育出版社
注：
1、開題報告是本科生畢業(yè)設計（論文）的一個重要組成部分。學生應根據(jù)畢業(yè)設計（論文）任務書的要求和文獻調研結果，在開始撰寫論文之前寫出開題報告。
2、參考文獻按下列格式（A為期刊，B為專著）
A：[序號]、作者（外文姓前名后，名縮寫，不加縮寫點，3人以上作者只寫前3人，后用“等”代替。）、題名、期刊名（外文可縮寫，不加縮寫點）年份、卷號（期號）：起止頁碼。
B：[序號]、作者、書名、版次、（初版不寫）、出版地、出版單位、出版時間、頁碼。
3、表中各項可加附頁。
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