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可再生能源實驗室測功機試驗臺風(fēng)力發(fā)電機測試
Walt Musial
國家風(fēng)力技術(shù)中心
國家可再生能源實驗室
1617科爾大道
金，共80401
布瑞恩麥尼夫
麥尼夫輕工業(yè)
43狗島路
港灣，我04642
簡要
一個新的設(shè)施，最近已完成在國家可再生能源實驗室，允許風(fēng)力發(fā)電機組零部件全面的測功機測試，完成從發(fā)電機的風(fēng)力渦輪機。本裝置設(shè)有一個2.5兆瓦的電機，變速箱，變速驅(qū)動系統(tǒng)提供軸扭矩。模擬風(fēng)力機載荷MTS疲勞額定負(fù)荷系統(tǒng)等方面充分集成到設(shè)備。這將允許致動器循環(huán)荷載的結(jié)構(gòu)在各種不同的方式。[正式]安然水平風(fēng)公司已安裝在設(shè)備的第一測試文章幫助成熟z-750系列風(fēng)機設(shè)計的。試驗包括制動控制系統(tǒng)調(diào)整，耐久性試驗齒輪和軸承元件，和結(jié)構(gòu)測試。功率變換器的某些方面也將測試。本文介紹了測功機試驗臺及其功能。同時，在綜述水平測試的程序設(shè)計。
介紹
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有較大的增長在過去的十年。雖然風(fēng)電成本繼續(xù)下降，每個渦輪機成本增加使原型的實證方法現(xiàn)場測試的風(fēng)險越來越大。新的渦輪機的設(shè)計，兆瓦級的原型是昂貴的建立和長，單位生產(chǎn)時間消耗的生產(chǎn)利潤。隨著從原型到生產(chǎn)典型高峰，制造商經(jīng)常發(fā)現(xiàn)問題太晚在大批量生產(chǎn)運行修正開始。這會導(dǎo)致過早的失敗和昂貴的改造。風(fēng)電機組傳動問題的記錄，包括變速箱故障和磨損，軸承生活問題，發(fā)電機故障，控制器引起的系統(tǒng)故障。[1-3]中可能出現(xiàn)的問創(chuàng)業(yè)初始，極端風(fēng)力條件下，或可長期操作相關(guān)。在任何情況下，本及時發(fā)現(xiàn)和解決這些問題是在第一單元測試。多年來，汽輪機制造商依靠實驗室檢測的關(guān)鍵部件，如轉(zhuǎn)子葉片，減少災(zāi)難性的現(xiàn)場事件的潛在風(fēng)險。[ 4 ]直到現(xiàn)在他們沒訪問能夠測試整個渦輪驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)施，這是所有發(fā)電機組的核心設(shè)計。在國家可再生能源實驗室（NREL）一種新的測功機試驗臺（DTB）建試驗風(fēng)機的傳動系統(tǒng)和組件。從行業(yè)要求出世，這個新設(shè)施極大地改變到新的風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)的評價方法。它現(xiàn)在被用來驗證的安然[傳動設(shè)計正式標(biāo)記物]風(fēng)公司z-750渦輪系統(tǒng)。
設(shè)備描述
一般描述DTB位于美國國家風(fēng)能技術(shù)中心（NWTC）是致力于測試風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)。這些通常是由一些組合的齒輪，聯(lián)軸器，軸承，軸，潤滑系統(tǒng)，齒輪箱，發(fā)電機，控制器，和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。這可以從100千瓦到2.5兆瓦的范圍內(nèi)測試系統(tǒng)大小。測功機的原動機是一個可變的扭矩，變速電動機控制的變頻驅(qū)動系統(tǒng)。這4160伏電機連接到一個2.5兆瓦，三級行星變速箱。測試文章可以連接到電機的高速軸，齒輪箱的低速軸，或一個中間軸不同的速度和扭矩的要求
顯示了作戰(zhàn)能力在每個軸。系統(tǒng)的控制邏輯允許的轉(zhuǎn)矩和速度
可連續(xù)變化，通過手動操作命令信號或自動的方式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（SCADA）命令。圖1顯示了兩個信封，每一個驅(qū)動軸的選項，和一個實際的風(fēng)力渦輪機設(shè)計極限曲線，用以指導(dǎo)測功機設(shè)計。一組有代表性的實際風(fēng)渦輪機的設(shè)計（現(xiàn)有的或計劃中的）被表示為在這個圖的數(shù)據(jù)點。這些數(shù)據(jù)根據(jù)其額定輸出乘以1.3和1.7之間的一個因素。這是近似的的縮放因子，必須加快全壽命運行到幾個月耐久性試驗在連續(xù)運行。驅(qū)動電機和變速箱總成安裝到169千牛（38噸）升降驅(qū)動表中有一個3.05-m垂直調(diào)整的跨度（10英尺），傾斜的能力從0到6度。一個1.52（5深口袋駕駛臺下允許表的頂部將0.61米（2-ft）以下等級水平。這個范圍可以容納多達(dá)3.05-m軸的高度（10英尺）。
圖1–2.5?MW?NREL的測功機操作信封表2
借助四222千牛（50噸）電動螺旋千斤頂，位于該表的每一個角落。螺旋千斤頂操作前后對絕對定位精度25毫米。（0.010）。這種微調(diào)能力是內(nèi)置到系統(tǒng)允許精確分析傳動系統(tǒng)的軸和試驗第軸。在適當(dāng)?shù)奈恢脮r，表在兩反應(yīng)墻對駕駛臺兩側(cè)的垂直面。此連接采用10角鋼支架，螺栓通過驅(qū)動表和附加到垂直的T型槽，加工成鋼板安裝到墻上。表的運動是由一個可編程邏輯控制器（PLC）接收的確切位置從絕對位置編碼器位于每個螺旋千斤頂?shù)男畔?。這一信息翻譯由PLC為軸的位置和角度。設(shè)施配備222千牛（50噸）電動橋式起重機運行的長度
27.4-m（90英尺）試驗臺。吊掛件與多個控制速度的能力。所有的測試文章被機械地耦合到一個驅(qū)動系統(tǒng)中的三軸。測試的物品安裝槽底板嵌入在工廠的南端地或網(wǎng)格或者網(wǎng)墻
圖2–2.5?MW?NREL的測功機電源回路
圖2顯示的電源回路原理圖工具布局A的形成。一軸功率轉(zhuǎn)換設(shè)備它是由測試電氣能源和可再生反饋到第nwtc電網(wǎng)在480。4160伏供電或電壓，它是由reused測功機。只有在傳動系統(tǒng)的功率損失需要添加的屬性顯示在外面10樞紐設(shè)施保持系統(tǒng)運行在穩(wěn)定州立。圖3顯示圖片的數(shù)據(jù)。軸的彎曲載荷大多數(shù)的風(fēng)力渦輪機所經(jīng)歷的負(fù)載是由風(fēng)的作用在主軸軸的扭轉(zhuǎn)和彎曲。雖然許多動力，動力，和慣性的影響結(jié)合創(chuàng)建不同的負(fù)載情況下，每一個的情況下，通?？梢詼p少扭轉(zhuǎn)和在主軸/集線器接口彎曲反應(yīng)。軸的扭轉(zhuǎn)往往是足夠的測試時一個給定的設(shè)計齒輪的齒。然而，如果一個測試的齒輪箱，軸承，軸，支撐臺板，偏航，或聯(lián)軸器所需的附加軸的彎曲載荷，必須應(yīng)用。測功機驅(qū)動生產(chǎn)扭振，但彎曲載荷必須由側(cè)加載千斤頂軸系統(tǒng)中的應(yīng)用。在國家可再生能源實驗室測功機，軸彎曲采用液壓伺服系統(tǒng)，和致動器能夠提供高達(dá)110的事。采用液壓驅(qū)動系統(tǒng)，軸的彎曲載荷，可隨著渦輪軸的旋轉(zhuǎn)同步給周期，每轉(zhuǎn)軸荷載，代表
再生能力
在現(xiàn)場的瞬態(tài)條件下的風(fēng)力渦輪機驅(qū)動系統(tǒng)的組件可能加速或減速。對于一個真正的模擬操作風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)動慣量和剛度測功機的旋轉(zhuǎn)部件應(yīng)符合試驗第轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。這是不容易的因為這些屬性是固定在測功機的設(shè)計。然而，慣性匹配可以通過增加或減少測功機驅(qū)動功率閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制下的實現(xiàn)模擬代表轉(zhuǎn)子質(zhì)量屬性的期望加速度，在轉(zhuǎn)速變化。剛度匹配可以通過聰明的杰克軸設(shè)計完成。
轉(zhuǎn)矩和速度控制
測功機驅(qū)動可以運行在轉(zhuǎn)矩控制和速度控制。在速度控制模式，測功機可以使用手動油門控制盤操作，或者它可以通過驅(qū)動按照規(guī)定的速度時程的SCADA系統(tǒng)。這種模式具有測試是有用的z-750變頻調(diào)速系統(tǒng)的。然而，速度控制可能不是很有用，當(dāng)測試一個固定的速度異步或同步發(fā)電機系統(tǒng)，或當(dāng)慣性的影響是至關(guān)重要的。轉(zhuǎn)矩控制模式并不完全決定它，但它可能證明比起發(fā)電功率輸出固定或可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載更加有用的影響我們的發(fā)電機速度。瞬態(tài)負(fù)載測試將需要平衡旋轉(zhuǎn)慣性扭矩控制t。最終目標(biāo)是形成風(fēng)的力量測試項目的實際控制系統(tǒng)來符合時間隨機的湍流波動。在閉環(huán)控制，隨機風(fēng)時程將被用來計算實時扭矩值，通過簡單的C?P與（能量系數(shù)與尖端的速度比）的傳輸函數(shù)，或通過更復(fù)雜的代碼，如aerodynamics你aerodyn?[?6 ]。渦輪來控制適當(dāng)?shù)目刂破鞴δ堋?
類型的測試
測功機測試的主要優(yōu)點是負(fù)載測試機可以控制。的測試類型分為風(fēng)力機系統(tǒng)測試和組件測試。在大多數(shù)情況下，你必須安裝的風(fēng)力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)進(jìn)行測試，代表從傳遞荷載測功機。一些測試，也可以進(jìn)行不同類型的描述如下，但作者不認(rèn)為這是一個詳盡的列表。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)試驗傳動系統(tǒng)的耐久性試驗?zāi)途眯栽囼炇菫榱俗C明一個特定的疲勞壽命驅(qū)動系統(tǒng)確保它能夠生存的整個工作生活。耐久性試驗將涉及3至6在高負(fù)荷下連續(xù)運行數(shù)月，結(jié)合重大應(yīng)用瞬態(tài)負(fù)載的情況下，長期運行的頻譜部分。橫向軸載荷作用下模擬實際操作轉(zhuǎn)子彎曲載荷可以影響齒面接觸應(yīng)力和疲勞，軸承的壽命，軸和軸承座。這樣的測試要求高，穩(wěn)態(tài)功率水平的變化1.3～1.7倍的額定容量的測試文章。紊流風(fēng)場模擬測試，這種測試可以證明的正確操作在設(shè)計工況下汽輪機系統(tǒng)。操作底盤測功機的閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制下，隨機風(fēng)場數(shù)據(jù)是利用反饋計算機算法轉(zhuǎn)換成軸扭矩從機的控制系統(tǒng)。嚴(yán)重的隨機轉(zhuǎn)矩條件下可以模擬要求在所有條件下其操作的限制進(jìn)行汽輪機控制系統(tǒng)。加載事件測試這種類型的測試可以在極端測量汽輪機系統(tǒng)的響應(yīng)操作事件。短暫的扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷對傳動系統(tǒng)進(jìn)行模擬真實的戰(zhàn)場環(huán)境。慣性系統(tǒng)可以使用的再生動力系統(tǒng)匹配電動變速傳動。橫向彎曲載荷可應(yīng)用于傳動軸，軸承座或偏航系統(tǒng)重現(xiàn)特定的設(shè)計載荷情況。這種類型的測試還包括自誘導(dǎo)載荷來自測試機的部件和不進(jìn)入轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。的例子自我誘導(dǎo)的負(fù)載制動系統(tǒng)試驗，發(fā)電機故障和電網(wǎng)故障，發(fā)電機和正常瞬變。
組件測試
個別渦輪組件的測試通常是測試與評價的重點對于整個系統(tǒng)。測功機可以用于各種其他成分的排位和優(yōu)化在現(xiàn)場安裝或改造?？梢赃M(jìn)行測試，對齒輪，軸，軸承座，軸承，分離發(fā)電機，控制系統(tǒng)，制動，或電力電子元件，有或沒有代表性的傳動組件。變速箱試驗齒輪箱在風(fēng)在廣泛的現(xiàn)場故障源工業(yè)。它往往是必要的測試，評估，優(yōu)化操作對個人的影響變速箱的部件來增加或降低機組成本的生活。[ 7 ]一些齒輪測試包括：
?評估和減輕輪齒載荷，
?評估和減輕齒面磨損機制，
?優(yōu)化齒輪的潤滑性能，
?優(yōu)化油系統(tǒng)的水平，溫度，和過濾，
?齒輪箱應(yīng)力測量，
?軸承壽命試驗，并
?評估適當(dāng)?shù)凝X嚙合特定負(fù)載下建立最佳的鉛和剖面修改。
發(fā)電機發(fā)電機是–的動力系統(tǒng)的一個重要組成部分。它有助于顯著的機械載荷產(chǎn)生在正常運行時，整個傳動系統(tǒng)故障。的一系列的條件下發(fā)電機的性能可以被分離和測試儀。一些
發(fā)電機測試包括：
?評價電氣特性和故障設(shè)置，
?評價軸承和繞組溫度，
?轉(zhuǎn)矩速度特性測量，
?確定起動轉(zhuǎn)矩和極端的操作性能，
?決定系統(tǒng)的效率，并
?瞬態(tài)響應(yīng)特性的測量。
控制系統(tǒng)也可以在這個過程中，評估。這可能是高還是低了—速度（直接驅(qū)動）發(fā)電機。為了適應(yīng)直接驅(qū)動發(fā)電機，可能有過大的徑向尺寸，測功機測試灣坑建成的試驗段地板。在這些情況下，部分發(fā)電機可以安裝在坑下面的測試海灣地板表面允許適當(dāng)?shù)母叨纫詼y功器輸出軸匹配。
z-750測試程序
z-750背景在成本分擔(dān)美國能源部（DOE）/國家贊助的近期研究測試包，探測器已經(jīng)努力降低的安裝成本制造z-750系列風(fēng)機通過價值工程方法。支持活動，公司已經(jīng)安裝了一個完全風(fēng)力渦輪機配置z-750?DTB評估降低成本的同時保持措施高質(zhì)量和忍受各種操作和設(shè)計荷載的能力。我們的組件在這個測試程序集中包括齒輪箱，齒輪元件，軸和聯(lián)軸器，制動器，并且，在某種程度上，軸承。測試分成四個階段：接觸試驗，制動事件測試，微點蝕試驗，和耐久性試驗。這些討論，下面描述的目標(biāo)和過程。
齒面接觸試驗
接觸進(jìn)行測試，以驗證正確嚙合的齒輪彈性加載過程中發(fā)生的。這是在不同的負(fù)載水平，使用一個簡單的齒輪齒的繪畫技術(shù)顯示磨損模式。測功機需要做的好是因為它很難選擇正確的并在該領(lǐng)域的可重復(fù)的負(fù)載水平。結(jié)果在設(shè)計，制造，質(zhì)量流程優(yōu)化齒輪的幾何形狀和材料。這一階段已成功完成的z-750s當(dāng)前齒輪組。圖4顯示的例子的磨損模式觀察運行在恒定的負(fù)荷測功機1小時。
圖4控制磨損–齒輪的齒面接觸模式的例子
制動事件試驗
z-750配備的高速，安裝于軸上，彈簧制動，液壓釋放允許停止轉(zhuǎn)子在發(fā)生變槳系統(tǒng)故障。這種冗余的系統(tǒng)稱為在國際電工委員會（IEC）標(biāo)準(zhǔn)[ 8 ]和德國勞埃德批準(zhǔn)文件。第二階段的測試減少制動反應(yīng)載荷通過驅(qū)動器列車雖然各種減災(zāi)技術(shù)。這些技術(shù)主要集中在減少制動反應(yīng)時間而提供的轉(zhuǎn)矩上升溫和和傳動反應(yīng)。作為通過麥尼夫等人[ 3 ]在一個顯而易見的和可重復(fù)的描述，在這些傳動負(fù)載減少方式可以允許同時減少需要正確地傳遞這些載荷系統(tǒng)元素。這，當(dāng)然，會導(dǎo)致較低的成本結(jié)構(gòu)。這一階段也被成功地完成后四這種方法的評價。
微點蝕試驗
微觀點蝕的研究3期目前正在進(jìn)行中，而且，迄今為止，最激動人心的一，因為它可以有一個廣泛的各大未來風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計實踐的影響水輪機模型。微蝕是失敗的前兆，是目前流行的水平在整個風(fēng)電行業(yè)（以及其他行業(yè)以及），是保形的嚙合齒輪表面研磨效果結(jié)果在細(xì)（100μ?在）在表面凹坑。這些細(xì)坑在短時間內(nèi)深的凹陷，穿透硬化。最終，可適當(dāng)降低表面?zhèn)鬟f和反應(yīng)的接觸應(yīng)力和彎曲載荷，從而加劇了問題。這可以導(dǎo)致宏觀點蝕和牙齒過早失效。安然想主動減少任何可能的過早損壞曝光評估各種微點蝕的抑制方法。鑒于此，3階段的重點是第一建立基線微點蝕特征通過加速高功率操作。然后各種緩解方法將測試量化的差異。這些方法包括替代表面光潔度，表面電鍍，和特種潤滑油和潤滑油添加劑。
耐久性試驗
最后，最好從測試前三個階段產(chǎn)生的產(chǎn)品配置進(jìn)行評估在4期的最后一個耐力測試。這耐力測試將需要幾乎連續(xù)運行（與系統(tǒng)檢查和定期維修站）在一個約1000千瓦的功率水平的升高。此外，非對稱轉(zhuǎn)子載荷，橫擺動作，和其他的時刻也會使用軸模擬—安裝執(zhí)行器。預(yù)計1600至2000小時將需要模擬人生30年這個測試的文章。
總結(jié)
一個2.5兆瓦發(fā)電測功機設(shè)施已在國家風(fēng)能技術(shù)中心完成的，和首先本文試驗已被用于成熟的風(fēng)力發(fā)電機組和設(shè)備本身。預(yù)計這種新的測試工具將加快風(fēng)力渦輪機的設(shè)計的成熟和更可靠的風(fēng)在100千瓦范圍內(nèi)的渦輪機和傳動部件2.5兆瓦。設(shè)計工況模擬可以直接應(yīng)用到完整的風(fēng)力渦輪機在實驗室環(huán)境中。這樣的模擬包括瞬態(tài)加載，耐力測試，和不尋常的負(fù)載的情況下。齒輪的齒面接觸測試和制動負(fù)荷減輕測試已經(jīng)完成了第一次測試的文章，z-750安然風(fēng)。齒輪齒微點蝕機制和減災(zāi)技術(shù)測試現(xiàn)在下路，和渦輪不久將進(jìn)行一個完整的系統(tǒng)耐久性試驗。
致謝
我們要感謝許多人幫助在測功機發(fā)展活動他繼續(xù)做這個項目的順利。特別感謝風(fēng)公司和安然支持和耐心，他們在等待測功機可完成了促進(jìn)第一次測試的文章。個別的，我們要認(rèn)識到安然風(fēng)人員，湯姆nemila，阿米爾米哈伊爾，克雷格克里斯特森，卡爾寇地茲，杰森諾特，弗萊德大通。同時，我們將想認(rèn)識齒輪神，ED海勒拜克和鮑勃errichello誰已經(jīng)提供了非常寶貴的建議在整個項目。教育過度，導(dǎo)致技術(shù)人員和測功機的看門人在NREL也稱贊他的部分保持平穩(wěn)運行。感謝托比Stensland，科羅拉多永融，誰負(fù)責(zé)SCADA系統(tǒng)及軟件開發(fā)。吉姆和約翰遜李明博fingersh貢獻(xiàn)從一開始就和在使測功機在線工具。最后，感謝美國能源部資金支持致力于發(fā)展測功試驗臺。
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湖南科技大學(xué)
2014屆畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
題 目
5MW風(fēng)電齒輪增速箱設(shè)計 (一級行星輪系)
作者姓名
李經(jīng)緯
學(xué)號
1103010505
所學(xué)專業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
1、 研究的意義：
近年來，隨著人們對風(fēng)力發(fā)電越來越重視，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。目前，水平軸風(fēng)力發(fā)電機在風(fēng)力發(fā)電中仍占據(jù)重要位置，而由于風(fēng)電齒輪箱的故障率較高，風(fēng)電齒輪箱設(shè)計制造的關(guān)鍵技術(shù)一直是困擾我國乃至世界風(fēng)電快速發(fā)展的重要因素，特別是隨著風(fēng)力機單機容量的不斷增大，大型風(fēng)電齒輪箱設(shè)計制造需要考慮的因素越來越多。風(fēng)電機組在運行過程中，齒輪箱往往過早損壞，其原因主要是風(fēng)電齒輪箱軸承在復(fù)雜載荷作用下的壽命難以估算，導(dǎo)致軸承過早損壞，另一方面，盡管目前對軸承壽命的計算方法繁多，但并沒有能準(zhǔn)確評估現(xiàn)代軸承壽命的計算方法。此外，對風(fēng)電齒輪箱的強度計算方法和復(fù)雜載荷的處理也不盡完善。因此，對大型風(fēng)電齒輪箱裝置展開系統(tǒng)、深入的分析研究對風(fēng)電的發(fā)展具有重要意義。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風(fēng)電裝備制造業(yè)的繁榮，風(fēng)電齒輪箱作為風(fēng)電機組的核心部件，倍受國內(nèi)外風(fēng)電相關(guān)行業(yè)和研究機構(gòu)的關(guān)注。但由于國內(nèi)風(fēng)電齒輪箱的研究起步較晚，技術(shù)薄弱，特別是兆瓦級風(fēng)電齒輪箱，主要依靠引進(jìn)國外技術(shù)。因此，急需對兆瓦級風(fēng)電齒輪箱進(jìn)行自主開發(fā)研究，真正掌握風(fēng)電齒輪箱設(shè)計制造技術(shù)，以實現(xiàn)風(fēng)機國產(chǎn)化目標(biāo)。
2、國內(nèi)外現(xiàn)狀：
目前我國兆瓦以上風(fēng)電此輪增速箱多依賴國外廠商供應(yīng)，成本居高不下，不利于風(fēng)電市場進(jìn)一步大規(guī)模開發(fā)，風(fēng)電技術(shù)的國產(chǎn)化是我國發(fā)展風(fēng)電領(lǐng)域正在面臨的重要問題。而風(fēng)電增速箱又是風(fēng)電機組的核心部件，是瓶頸技術(shù)。風(fēng)電增速箱的結(jié)構(gòu)往往受機組選型的限制。國內(nèi)研制出的風(fēng)電齒輪箱多是對國外產(chǎn)品的單一仿制。由于國內(nèi)外的風(fēng)況、氣候不同，風(fēng)電場使用保養(yǎng)水平、原材料以及制造安裝水平都不一樣，大部分進(jìn)口或國產(chǎn)齒輪箱都運行不足三年而停機或者大修。原因有很多其中設(shè)計落后是最重要一方面。
國內(nèi)風(fēng)電齒輪箱的發(fā)展前景廣闊，但是起步晚、技術(shù)落后。機遇與挑戰(zhàn)并存。在設(shè)計的過程中綜合考慮體積、質(zhì)量、可靠性、經(jīng)濟性、安全、實際結(jié)構(gòu)、熱處理、工作壞境等因素，指導(dǎo)生產(chǎn)實踐沒事我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)當(dāng)前發(fā)展的要務(wù)。
3、存在的問題：
雖然我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)發(fā)展很迅猛，我國也已經(jīng)進(jìn)入風(fēng)電大國的行列。但是其生產(chǎn)設(shè)備卻長期依賴進(jìn)口，在自主開發(fā)風(fēng)力發(fā)電機等方面還比較落后。特別是像兆瓦級風(fēng)電機的齒輪傳動系統(tǒng)等技術(shù)領(lǐng)域還有待進(jìn)一步發(fā)展。同時風(fēng)能一般分布在沿海的島嶼、交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)、地廣人稀的草原牧場以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)的邊疆。相比其他能源來講有著密度低、不穩(wěn)定、地區(qū)差異大的劣勢。這對我國風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展也是一個巨大的考驗。
縱觀世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)將呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢：開發(fā)更先進(jìn)的風(fēng)況分析系統(tǒng)研制大容量、高可靠性、低成本風(fēng)力發(fā)電機組以及輕量型、高可靠性的海上風(fēng)力發(fā)電機組；風(fēng)力發(fā)電方式將以陸上風(fēng)力發(fā)電為主，并積極拓展海上風(fēng)力發(fā)電。
1、 研究目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題（根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)一步具體化）
研究目標(biāo)：
（1） 對齒輪箱選用合理的結(jié)構(gòu)、增速比和材料。設(shè)計質(zhì)量好、重量輕、空間體積小、運行穩(wěn)定的大容量風(fēng)電機組齒輪傳動系統(tǒng)。
（2） 引用風(fēng)力機的風(fēng)輪葉片設(shè)計及塔架設(shè)計，從而完成整個風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計。
主要內(nèi)容：
本設(shè)計需要先了解風(fēng)電發(fā)電機及其傳動系統(tǒng)齒輪箱的工作原理和結(jié)構(gòu)特點，確定計算載荷，設(shè)計主要零部件（包括齒輪、軸承和主軸的設(shè)計），對各部件進(jìn)行強度校核，潤滑與冷卻，完成風(fēng)電傳動部件齒輪箱的裝配圖及零件圖。最后，引用風(fēng)力機的風(fēng)輪葉片設(shè)計及塔架設(shè)計，從而完成整個風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計。
進(jìn)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(shè)計資料，完成3000字的文獻(xiàn)翻譯，完成畢業(yè)實習(xí)報告和開題報告。
第二階段：設(shè)計階段 3月231日-4月10日， 齒輪傳動系統(tǒng)方案選擇、傳動比分配，傳動結(jié)構(gòu)造型等整體方案設(shè)計與計算。
第三階段：計算階段 4月13日至4月24日 齒輪、軸、軸承等關(guān)鍵傳動結(jié)構(gòu)件的設(shè)計計算，繪制零件圖。
第四階段：繪圖階段 4月27日至5月 8日 傳動系統(tǒng)裝配圖繪制。
第五階段：畢業(yè)答辯 5月11日至 5月22日 設(shè)計計算說明書的編制、整理、修改、定稿，準(zhǔn)備答辯
解決的關(guān)鍵問題
風(fēng)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(fēng)電機傳動系統(tǒng)的設(shè)計，所以有可能遇到的主要問題：
（1）準(zhǔn)確對傳動方案的分析；
（2）確定齒輪箱的傳動比的分配；
（3）對軸承的尺寸進(jìn)行確定；
（4）選擇合理的軸承類型；
（5）對箱體和總體結(jié)構(gòu)的確定；
（6）對箱體主要部件載荷的計算和校核；
（7）確定冷卻溫度和潤滑系統(tǒng)；
（8）對整個部件的裝配圖和零件圖的繪制；
這些問題都是設(shè)計該風(fēng)機傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，在設(shè)計過程中，本人將通過查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料和向老師咨詢的方法來解決。
2、 擬采取的研究方法、步驟、技術(shù)路線
(1)查閱資料，熟悉國內(nèi)外風(fēng)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(fēng)電傳動系統(tǒng)齒輪箱工作原理及結(jié)構(gòu)分析，確定齒輪箱總裝設(shè)計思路。
(3)建立準(zhǔn)確的分析模型，準(zhǔn)確求解受載輪齒的載荷分布。?
(4)完成主要零部件設(shè)計并進(jìn)行強度校核。
(5)繪制零件加工圖，選定加工工藝。?
(6)編寫設(shè)計說明書。
3、 擬使用的主要設(shè)計、分析軟件及儀器設(shè)備
主要設(shè)計、分析軟件：
CAD軟件（繪制二維裝配圖和零件圖）
儀器設(shè)備：
本課題主要是對大容量風(fēng)電機組齒輪傳動系統(tǒng)設(shè)計，所采用的設(shè)備儀器是普通計算機。
4、 參考文獻(xiàn)
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[28]、劉忠明、風(fēng)力發(fā)電齒輪箱設(shè)計設(shè)計制造技術(shù)的發(fā)展與展望、機械傳動、2006
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[31]、機械設(shè)計手冊編委會、 機械設(shè)計手冊、 北京、 機械丁業(yè)出版社、 2004
[32]、齒輪手冊編委會、齒輪手冊、 北京、 機械工業(yè)出版社、 2000
注：
1、開題報告是本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）的一個重要組成部分。學(xué)生應(yīng)根據(jù)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書的要求和文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，在開始撰寫論文之前寫出開題報告。
2、參考文獻(xiàn)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。
5
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢 業(yè) 設(shè) 計（ 論 文 ）
題目
5MW風(fēng)電增速箱設(shè)計
作者
李經(jīng)緯
學(xué)院
機電工程學(xué)院
專業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)號
1103010505
指導(dǎo)教師
沈意平
二〇一五 年 五 月 三十 日
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
機電工程 學(xué)院 機械設(shè)計制造及其自動化 系（教研室）
系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日
學(xué)生姓名: 李經(jīng)緯 學(xué)號: 1103010505 專業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化
1 設(shè)計（論文）題目及專題： 5MW風(fēng)電齒輪增速箱設(shè)計 (一級行星輪系)
2設(shè)計（論文）時間：自 2014 年 12 月 12 日開始至 2015 年 05 月 26 日止
3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料：
① 5MW傳動系統(tǒng)葉片額定轉(zhuǎn)速12.1rpm，額定發(fā)電機轉(zhuǎn)速1173.7rpm，齒輪箱傳動比為97:1，采用一級行星輪系和二級斜齒輪形式；
② 國外REpower 5MW、Multibrid M5000等風(fēng)電機組齒輪傳動系統(tǒng)的相關(guān)資料；相關(guān)教材，如《海上風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計》、《風(fēng)力機設(shè)計、制造與運行)》等；圖書館電子資源數(shù)據(jù)庫搜集到的期刊論文，博士、碩士學(xué)位論文等。
4 設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：
1) 完成5MW風(fēng)電齒輪箱傳動比分配等設(shè)計與計算；
2) 完成傳動軸、齒輪、軸承等關(guān)鍵傳動零部件的選擇、設(shè)計、計算與校核；
3) 查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，撰寫開題報告；
4) 完成相關(guān)論文的翻譯(英譯中，不少于3000字)。
5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求：
1) 完成5MW風(fēng)電齒輪增速箱設(shè)計，提供增速箱裝配圖、零件圖等共折合A0圖紙不少于2.5張；
2) 設(shè)計計算說明書一份，畢業(yè)設(shè)計說明書的書寫格式和版面要求參照《湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）要求與撰寫規(guī)范》，說明書不少于40頁。
6 發(fā)題時間： 2015 年 3 月 12 日
指導(dǎo)教師： （簽名）
學(xué) 生： （簽名）
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)人評語
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻(xiàn)應(yīng)用，創(chuàng)新性，實用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進(jìn)行綜合評價]
指導(dǎo)人： （簽名）
年 月 日
指導(dǎo)人評定成績：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內(nèi)容與方法，實用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進(jìn)行綜合評價]
評閱人： （簽名）
年 月 日
評閱人評定成績：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄
日期：
學(xué)生： 學(xué)號： 班級：
題目：
提交畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會下列材料：
1 設(shè)計（論文）說明書 共 頁
2 設(shè)計（論文）圖 紙 共 頁
3 指導(dǎo)人、評閱人評語 共 頁
畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會評語：
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的研究思路，設(shè)計（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設(shè)計（論文）的介紹，回答問題情況等進(jìn)行綜合評價]
答辯委員會主任： （簽名）
委員： （簽名）
（簽名）
（簽名）
（簽名）
答辯成績：
總評成績：
湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
摘 要
風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風(fēng)電裝備制造業(yè)的繁榮，風(fēng)電齒輪箱作為風(fēng)電機組的核心部件，倍受國內(nèi)外風(fēng)電相關(guān)行業(yè)和研究機構(gòu)的關(guān)注。但由于國內(nèi)風(fēng)電齒輪箱的研究起步較晚，技術(shù)薄弱，特別是兆瓦級風(fēng)電齒輪箱，主要依靠引進(jìn)國外技術(shù)。因此，急需對兆瓦級風(fēng)電齒輪箱進(jìn)行自主開發(fā)研究，真正掌握風(fēng)電齒輪箱設(shè)計制造技術(shù)，以實現(xiàn)風(fēng)機國產(chǎn)化目標(biāo)。
本文設(shè)計的是兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組的齒輪箱，通過方案的選取，齒輪參數(shù)計算等對其配套的齒輪箱進(jìn)行自主設(shè)計。
首先，確定齒輪箱的機械結(jié)構(gòu)。選取一級行星派生型傳動方案，通過計算，確定各級傳動的齒輪參數(shù)。對行星齒輪傳動進(jìn)行受力分析，得出各級齒輪受力結(jié)果。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜強度校核，結(jié)果符合安全要求。
最后，對齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行了齒面接觸應(yīng)力計算，結(jié)果符合要求。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)機齒輪箱，結(jié)構(gòu)設(shè)計，
ii
Abstract
The rapid development of wind power industry lead to the prosperity of wind power equipment manufacturing industry．As the core component of wind turbine，the gearbox is received much concern from related industries and research institution both at home and abroad．However, due to the domestic research of gearbox for wind turbine starts late，technology is weak，especially in the gearbox for MW wind turbine，which mainly relied on the introduction of foreign technology．Therefore，it is urgent need to carry out independent development and research on MW wind power gearbox，and truly master the design and manufacturing technology in order to achieve the goal of localization．
This paper takes the wind power。The independent design of the gearbox matching for the wind turbine has been carried out by selecting the transmission scheme and calculating the gear parameters。
Firstly, the mechanical structure of gearbox is determined．The two-stage derivation planetary transmission scheme is selected．The gear parameters of every stage transmission is calculated．，and the force analysis results is obtained．The static strength check of tooth surface contact is implemented according to related standard．The result shows that it is accord with safety requirements．
Secondly, the helical gear parametric model is established based on involutes curve equation and generation theory of spiral line by using the function of parametric modeling in Pro／E．
Then, the tooth surface contact stress of the gear transmission is calculated．
Key Words：the wind power ，Gearbox for Wind Turbine；Structure Design；Parametric Modeling
iii
目錄
Abstract ii
1.引言 - 1 -
1.1課題來源 - 1 -
1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 - 2 -
1.2.1風(fēng)力發(fā)電國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 - 2 -
1.2.2風(fēng)電齒輪箱的發(fā)展趨勢 - 5 -
1.2.3存在的問題及展望 - 5 -
1.3課題意義 - 6 -
1.4論文的主要內(nèi)容及設(shè)計要求 - 7 -
1.5設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) - 7 -
2.齒輪箱的設(shè)計 - 8 -
2.1 增速齒輪箱方案設(shè)計 - 8 -
2.2齒輪參數(shù)確定 - 12 -
2.2.1行星輪系的齒輪參數(shù) - 12 -
2.2.2圓柱級齒輪參數(shù) - 16 -
2.3受力分析與靜強度校核 - 17 -
2.3.1受力分析 - 17 -
2.3.2低速級外嚙合齒面靜強度計算 - 21 -
2.4本章小結(jié) - 25 -
3.傳動軸和箱體的設(shè)計 - 26 -
3.1高速軸的設(shè)計 - 26 -
3.2低速軸的設(shè)計 - 26 -
3.3中間軸的設(shè)計 - 28 -
3.4箱體 - 29 -
4齒輪箱及其他部件的設(shè)計 - 30 -
4.1齒輪箱的密封 - 30 -
4.2齒輪箱的潤滑、冷卻 - 30 -
4.3軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 - 31 -
4.4行星架的結(jié)構(gòu)設(shè)計 - 32 -
4.5傳動齒輪箱箱體設(shè)計 - 32 -
5齒輪箱的使用及其維護(hù) - 33 -
5.1安裝要求 - 33 -
5.2定期更換潤滑油 - 33 -
5.3齒輪箱常見故障 - 33 -
5.3.1齒輪損傷 - 34 -
5.3.2軸承損壞 - 34 -
5.3.3斷軸 - 35 -
5.3.4油溫高 - 35 -
心得體會 - 36 -
致 謝 - 37 -
參考文獻(xiàn) - 38 -
1.引言
1.1課題來源
風(fēng)是一種潛力很大的新能源，十八世紀(jì)初，橫掃英法兩國的一次狂暴大風(fēng)，吹毀了四百座風(fēng)力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多條帆船，并有數(shù)千人受到傷害，二十五萬株大樹連根拔起。僅就拔樹一事而論，風(fēng)在數(shù)秒鐘內(nèi)就發(fā)出了一千萬馬力(即750萬千瓦；一馬力等于0．75千瓦)的功率!有人估計過，地球上可用來發(fā)電的風(fēng)力資源約有100億千瓦，幾乎是現(xiàn)在全世界水力發(fā)電量的10倍。目前全世界每年燃燒煤所獲得的能量，只有風(fēng)力在一年內(nèi)所提供能量的三分之一。因此，國內(nèi)外都很重視利用風(fēng)力來發(fā)電，開發(fā)新能源。
近10年風(fēng)力發(fā)電增長迅猛，200年以來 ，全球每年風(fēng)電裝機容量增長速度為 20%～30%。全球風(fēng)能協(xié)會發(fā)布最新一期全球風(fēng)電的增長數(shù)據(jù)顯示 ， 2008年全球范圍內(nèi)新增風(fēng)電裝機容量 2 705萬 kW，使得全球風(fēng)電裝機容量達(dá)到 1 . 20億 kW，較 2007年增長 28 . 8%。 1998～2008年全球風(fēng)電裝機容量的增長情況。如圖 1所示。
圖1.1全球風(fēng)電裝機容量
我國的風(fēng)電發(fā)展主要集中在 2003年以后 ，尤其是在風(fēng)電特許權(quán)的帶動下 ， 2006年我國除臺灣外增加風(fēng)電機組 1 454臺 ，增加裝機容量 133 . 7萬 kW，比過去 20年發(fā)展累積的總量還多 ，僅次于美國、 德國、 西班牙和印度。 2008年又新增風(fēng)電裝機容量630萬 kW，新增容量位列全球第 2，僅次于美國。截至 2008年底總裝機容量達(dá)到 1 215 .3萬 kW，同比增長 106% ，總裝機容量超過了印度 ，位列全球第4，同時躋身世界風(fēng)電裝機容量超千萬千瓦的風(fēng)電大國行列。圖 2反映了 2000年以來我國風(fēng)電裝機容量的增長。
圖1.2我國風(fēng)電裝機容量
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)輪、齒輪箱、發(fā)電機、功率變換器、變壓器等部分構(gòu)成 ，其中 ，發(fā)電機承擔(dān)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的任務(wù) ，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件。隨著風(fēng)力發(fā)電整體技術(shù)的發(fā)展 ，風(fēng)力發(fā)電機由早期的直流發(fā)電機、 籠型異步發(fā)電機等演變?yōu)楫?dāng)前的雙饋異步發(fā)電機和低速直驅(qū)永磁同步發(fā)電機等。同時，風(fēng)力發(fā)電機自身技術(shù)水平的提高 ，又有力地促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電整體技術(shù)的進(jìn)步。 例如 ，雙饋異步發(fā)電機及其控制技術(shù)的成熟 ，使變速恒頻風(fēng)力發(fā)電得以實現(xiàn) ，成為當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主流。因此 ，風(fēng)力發(fā)電機與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)互為因果 ，相互促進(jìn)。近年來風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容量不斷增大 ，特別是低速直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的快速發(fā)展 ，有力地促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計、 制造、 控制以及運行維護(hù)水平的提高 ，各種新型風(fēng)力發(fā)電機不斷出現(xiàn)。
本課題就是建立在對引進(jìn)的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電增速齒輪箱結(jié)構(gòu)技術(shù)消化吸收的基礎(chǔ)上，對增速齒輪箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，為研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的風(fēng)機增速齒輪箱打下基礎(chǔ)。
1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
1.2.1風(fēng)力發(fā)電國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
風(fēng)力發(fā)電的快速增長帶動了風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展， 2007 年度全球風(fēng)電設(shè)備市場總價值達(dá)到360 億美元。目前， 世界上先進(jìn)的風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)主要集中在少數(shù)幾個國家，如丹麥、 德國、 西班牙和美國等， 著名的公司有Ves tas(丹麥)、 GE Wind(美國)、 Gamesa(西班牙)、Enercon (德國)、 Suzlon(印度)等。圖3 為2007 年世界風(fēng)電機組市場份額圖。2007 年， 丹麥的Vestas 公司占全球市場份額的 22.8%， 前3 位公司占有了市場份額的一半多。值得一提的是， 我國的金風(fēng)科技股份有限公司也占據(jù)了2007 年世界風(fēng)電市場的4. 2%。
圖1.3 2007年世界風(fēng)電機組市場份額
風(fēng)電的快速增長同樣刺激了我國風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展，并迅速崛起了像金風(fēng)科技股份有限公司、 華銳風(fēng)電科技有限公司、 湖南湘電風(fēng)能有限公司、 浙江運達(dá)風(fēng)力發(fā)電工程有限公司等風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)。這些企業(yè)通過對國外風(fēng)電技術(shù)的吸收再創(chuàng)新， 形成了較大的生產(chǎn)規(guī)模。目前，國內(nèi)從事風(fēng)電設(shè)備制造的企業(yè)達(dá) 50余家，而且配件制造企業(yè)隊伍也在迅速擴大。2007 年我國新增裝機容量中， 內(nèi)資企業(yè)產(chǎn)品占 55. 9%， 其中金風(fēng)科技的份額最大， 占新增總裝機容量的 25.1%，占內(nèi)資企業(yè)產(chǎn)品的44. 9% ;合資企業(yè)產(chǎn)品占新增裝機容量的 1.6%; 外資企業(yè)產(chǎn)品占 42. 5%， 其中西班牙Gamesa的份額最大，占新增裝機容量的39. 9% 。國際上，兆瓦級以上的風(fēng)電機組已經(jīng)成為主流機型。如美國:主流機型1. 5MW， 丹麥: 主流機型( 2. 0~3. 0)MW。截至2006年，我國風(fēng)電機組1MW以下的機組占總裝機容量的70%， 1MW~ 2MW之間的風(fēng)電機型只占26%， 2MW以上機型占4%。根據(jù)國家發(fā)改委規(guī)劃，我國未來的風(fēng)電新增裝機將以1. 5MW、 2MW機型為主， 1MW以下機型所占比重將逐漸降低。
風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的主要趨勢：
( 1) 機組單機容量增大風(fēng)電機組單機容量的增大有利于提高風(fēng)能利用率，降低風(fēng)場的占地面積， 降低風(fēng)電場運行維護(hù)成本，從而提高風(fēng)電的市場競爭力。目前， 國際上主流的風(fēng)電機組已達(dá)到( 2~ 3)MW， 由德國Repower 公司研制的最大的5MW 風(fēng)電機組已投入運行，其旋翼區(qū)直徑達(dá)到126 米?？梢灶A(yù)見， ( 3~ 5)MW的風(fēng)電機組在市場中的比例將日益提高。2008 年 2 月在布魯塞爾舉行的風(fēng)能會議和風(fēng)能展上， 有與會者甚至提出了2020 年前開發(fā)出20MW風(fēng)電機組的概念。
( 2) 海上風(fēng)電迅速興起海上風(fēng)能資源豐富， 且受環(huán)境影響小，海上風(fēng)電場將成為一個迅速發(fā)展的市場。目前丹麥、 德國、 英國、瑞典和荷蘭等國家海上風(fēng)電發(fā)展較快。歐洲風(fēng)能協(xié)會(EWEA)預(yù)測， 2020年，歐洲海上風(fēng)電總裝機容量將達(dá)到70 000MW。雖然海上風(fēng)電前景廣闊，但目前還有技術(shù)等方面的因素制約著它的發(fā)展。一方面， 海上風(fēng)電機組均為陸上風(fēng)電機組改造而成， 而復(fù)雜的海上自然條件使得風(fēng)電機組的故障率居高不下， 如世界最大的海上風(fēng)電場丹麥Vestas 霍恩礁風(fēng)電場， 80 臺海上風(fēng)電機組故障率超過70%。另一方面， 電網(wǎng)將難以承受大規(guī)模海上風(fēng)電場所提供的巨大電能。因此， 海上風(fēng)電的大發(fā)展仍需要解決機組及上網(wǎng)配套設(shè)施等方面的問題。
( 3) 變速恒頻技術(shù)快速推廣目前市場上恒速運行的風(fēng)電機組一般采用雙繞組結(jié)構(gòu)的異步發(fā)電機， 雙速運行。在高風(fēng)速段， 發(fā)電機運行在較高轉(zhuǎn)速上;在低風(fēng)速段，發(fā)電機運行在較低轉(zhuǎn)速上。其優(yōu)點是控制簡單， 可靠性高;缺點是由于轉(zhuǎn)速基本恒定，而風(fēng)速經(jīng)常變化，因此機組經(jīng)常處于風(fēng)能利用系數(shù)較低的狀態(tài)，風(fēng)能無法得到充分利用。隨著風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)電機組開發(fā)制造廠商開始使用變速恒頻技術(shù)，并結(jié)合變槳距技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)出了變槳變速風(fēng)電機組。與恒速運行的風(fēng)電機組相比， 變速運行的風(fēng)電機組具有發(fā)電量大、 對風(fēng)速變化的適應(yīng)性好、 生產(chǎn)成本低、 效率高等優(yōu)點。因此，變速運行的風(fēng)電機組也是未來發(fā)展的趨勢之一。德國Enercon 公司是目前全球生產(chǎn)變速風(fēng)電機組最多的公司。
( 4) 全功率變流技術(shù)興起近年來，歐洲的Enercon、 Winwind 等公司都開發(fā)和應(yīng)用了全功率變流的并網(wǎng)技術(shù)， 使風(fēng)輪和發(fā)電機的調(diào)速范圍達(dá)到了 0~ 150%的額定轉(zhuǎn)速， 提高了風(fēng)能的利用范圍，改善了風(fēng)場上網(wǎng)電能的質(zhì)量。Enercon 公司還將原來對每個風(fēng)電機組功率因數(shù)的分散控制加以集中，由并網(wǎng)變電站來統(tǒng)一調(diào)控，實現(xiàn)了電網(wǎng)的有源功率因素校正和諧波補償。全功率變流技術(shù)將在今后大型風(fēng)電場建設(shè)時得到推廣應(yīng)用。
( 5) 直驅(qū)和半直驅(qū)風(fēng)電機組直驅(qū)式風(fēng)電機組采用多極電機與葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動的方式， 免去故障率較高的齒輪箱，在低風(fēng)速時效率高，且具有低噪聲、 高壽命、 運行維護(hù)成本低等優(yōu)點。近年來直驅(qū)式風(fēng)電機組的裝機份額增長較塊， 但由于技術(shù)和成本等方面的原因， 在未來較長時間內(nèi)帶增速齒輪箱的風(fēng)電機組仍將在市場中占主導(dǎo)地位。半直驅(qū)是介于齒輪箱驅(qū)動和直接驅(qū)動之間的一種驅(qū)動方式，它采用一級齒輪箱增速， 結(jié)構(gòu)緊湊， 具有相對較高的轉(zhuǎn)速和較小的轉(zhuǎn)矩。與傳統(tǒng)的齒輪箱驅(qū)動相比， 半直驅(qū)增加了系統(tǒng)的可靠性;而與大直徑的直驅(qū)相比，半直驅(qū)通過更高效和緊湊的機艙排列減小了系統(tǒng)的體積和重量。
圖1.4風(fēng)機的整體結(jié)構(gòu)
1.2.2風(fēng)電齒輪箱的發(fā)展趨勢
風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風(fēng)電裝備制造業(yè)的繁榮，風(fēng)電齒輪箱作為風(fēng)電機組中最重要的部件，倍受國內(nèi)外風(fēng)電相關(guān)行業(yè)和研究機構(gòu)的關(guān)注。
風(fēng)機增速齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電整機的配套產(chǎn)品，是風(fēng)力發(fā)電機組中一個重要的機械傳動部件，它的重要功能是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機，使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行發(fā)電，它的研究和開發(fā)是風(fēng)電技術(shù)的核心，并正向高效、高可靠性及大功率方向發(fā)展。
風(fēng)力發(fā)電機組通常安裝在高山、荒野、海灘、海島等野外風(fēng)口處，經(jīng)常承受無規(guī)律的變相變負(fù)荷的風(fēng)力作用以及強陣風(fēng)的沖擊，并且常年經(jīng)受酷暑嚴(yán)寒和極端溫差的作用，故對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機械產(chǎn)品高得多的要求。
風(fēng)電行業(yè)中發(fā)展最快，最有影響的國家主要有美國、德國等歐美發(fā)達(dá)國家，在風(fēng)電行業(yè)中處于統(tǒng)治地位。歐美發(fā)達(dá)國家早已開發(fā)出單機容量達(dá)兆瓦級的風(fēng)力發(fā)電機，并且技術(shù)相對成熟，具有比較完善的設(shè)計理論和豐富的設(shè)計經(jīng)驗，而且商業(yè)化程度比較高，因此在國際風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中處于明顯的優(yōu)勢和主導(dǎo)地位。
國外兆瓦級風(fēng)電齒輪箱是隨jxL電機組的開發(fā)而發(fā)展起來的，Renk、Flender等風(fēng)電齒輪箱制造公司在產(chǎn)品開發(fā)過程中采用三維造型設(shè)計、有限元分析、動態(tài)設(shè)計等先進(jìn)技術(shù)，并通過模擬和試驗測試對設(shè)計方案進(jìn)行驗證。此外，國外通過理論分析及試驗測試對風(fēng)電齒輪箱的運行性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。
盡管國際上齒輪箱設(shè)計技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，齒輪箱出現(xiàn)故障仍然是故障的最主要原因，約占風(fēng)機故障總數(shù)的20％左右，由于我國商業(yè)化大型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，技術(shù)上較歐美等風(fēng)能技術(shù)發(fā)達(dá)國家存在報大差距。我國在九五期間開始走引進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的路子，通過引進(jìn)和吸收國外成熟的技術(shù)，成功研發(fā)出了兆瓦級以下風(fēng)力發(fā)電機。
1.2.3存在的問題及展望
盡管我國風(fēng)電齒輪箱國產(chǎn)化工作近年來取得了長足的進(jìn)步基本掌握了兆瓦級以下機組的設(shè)計制造技術(shù)并形成了600kW至800kW風(fēng)電增速箱的批量生產(chǎn)能力，但目前仍存在以下問題：
1) 國內(nèi)缺乏基礎(chǔ)性的研究工作和基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)對國外技術(shù)尚未完全消化自
主創(chuàng)新能力不足。
2) 嚴(yán)重缺乏既掌握低速重載齒輪箱設(shè)計制造技術(shù)又了解風(fēng)電技術(shù)的人才，缺乏高水平的系統(tǒng)設(shè)計人員。
3) 未完全掌握大型風(fēng)電增速箱的設(shè)計制造技術(shù)產(chǎn)品以仿制為主可靠性不高,
質(zhì)量穩(wěn)定性較差。掌握設(shè)計制造技術(shù)的企業(yè)數(shù)量較少無論是產(chǎn)品數(shù)量還是產(chǎn)品質(zhì)量都難以滿足市場需要。
4) 缺乏大型試驗裝置及測試手段。
5) 缺乏行業(yè)資源共享，信息互通，共同發(fā)展的平臺和機制。
1.3課題意義
風(fēng)力發(fā)電是清潔可再生能源，蘊存量巨大，具有實際開發(fā)利用價值。中國水電資源370 GW，風(fēng)能資源有250 GW。廣東省水電資源6.6 GW，沿海風(fēng)能可開發(fā)量(H=40 m)8.41 GW。也就是說，風(fēng)能與水能總量旗鼓相當(dāng)。大量風(fēng)能開發(fā)不可能靠某個部門或行業(yè)的財政補貼就能解決，商業(yè)化不僅是市場的要求，也是風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的自身需要。所以，風(fēng)力發(fā)電商業(yè)化是必由之路，可行之路。風(fēng)力發(fā)電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件，其主要功用是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。通常風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低，遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，必須通過齒輪 箱齒輪副的增速作用來實現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。齒輪箱作為傳遞動力的部件，在運行期間同時承受動、靜載荷。其動載荷部分取決于風(fēng)輪、發(fā)電機的特性和傳動軸、聯(lián)軸器的質(zhì)量、剛度、阻尼值以及發(fā)電機的外部工作條件。
開發(fā)新能源是國家能源建設(shè)實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，是促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、減少環(huán)境污染、推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的重要手段。風(fēng)力發(fā)電是新能源技術(shù)中最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。
(1)由于我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，缺乏基礎(chǔ)研究積累和人才，我國在風(fēng)力發(fā)電機組的研發(fā)能力上還有待提高，總體來說主要以引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)為主。目前國內(nèi)引進(jìn)的技術(shù)，有的是國外淘汰的技術(shù)，有的圖紙雖然先進(jìn)，但受限于國內(nèi)配套廠家的技術(shù)、工藝、材料等原因，導(dǎo)致國產(chǎn)化的零部件質(zhì)量、性能仍有一定差距。所以，在引進(jìn)國外風(fēng)機技術(shù)的同時，開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的兆瓦級增速齒輪箱，是加速我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的一項重要任務(wù)。
(2)增速齒輪的設(shè)計和制造技術(shù)是整個風(fēng)力發(fā)電機組的關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)系到整個風(fēng)力發(fā)電機組的命運。因此，要加強齒輪的研究，對齒輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高齒輪的嚙合質(zhì)量，降低噪聲，保證齒輪機械效率，提高齒輪的運行可靠性。
(3)增速齒輪箱以漸開線齒輪為主，人們對標(biāo)準(zhǔn)的漸開線齒輪有了一套比較成熟的設(shè)計、強度計算和加工方法。兆瓦級增速齒輪對漸開線齒輪傳動提出了新的要求，在尺寸、重量最小的情況下，可靠地傳遞高速、重載的運動，這就對齒輪分析的計算精度提出了很高要求，高精度齒輪分析是輪齒承載能力、振動、噪聲及修形等研究的基礎(chǔ)。因此，建立準(zhǔn)確的分析模型，準(zhǔn)確求解受載輪齒的載荷分布對修形規(guī)律的研究具有重要意義。
1.4論文的主要內(nèi)容及設(shè)計要求
論文的主要內(nèi)容包括是介紹了風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀發(fā)展趨勢，及現(xiàn)在各個國家對風(fēng)力發(fā)電的重視程度。我國現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電的總體情況、風(fēng)力發(fā)電機傳動鏈設(shè)計等。風(fēng)力發(fā)電機傳動鏈主要分為主軸、齒輪箱（增速箱）、機械剎車以及相關(guān)組件。齒輪箱作為風(fēng)機上的零件的重要作用，齒輪箱的發(fā)展。還有就是整篇論文關(guān)于齒輪箱的設(shè)計過程，及校核等等。還有CAD二維的裝配圖及零件圖繪制，并截取了一些圖片附于論文上。
設(shè)計此次的行星輪系的齒輪箱，我們擬部分采用減速器的設(shè)計方法，再結(jié)合書籍資料完成風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的設(shè)計，校核，及優(yōu)化的一系列工作。
關(guān)于行星輪系的傳動比，及齒輪的計算，會參照《機械原理》等一些書籍的部分內(nèi)容進(jìn)行，還有關(guān)于軸的校核，鍵等等，和齒輪箱的使用和維和等等。
主要的參數(shù)如下：
表1風(fēng)電增速箱主要參數(shù)
發(fā)電機額定功率
5000KW
輸入轉(zhuǎn)速
12.1r/min
輸出轉(zhuǎn)速
1173.7r/min
傳動形式
一級行星兩級斜齒輪
總傳動比
97
主軸承
自調(diào)心滾子軸承
并明確規(guī)定依據(jù)IS06336進(jìn)行齒輪計算，按3倍額定功率計算靜強度>1.0。.外齒輪制造精度不低于6級，齒面硬度HRC58--62，外齒輪采用20CrNi2MoA。
1.5設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
（1） 齒輪傳動通用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
1）相關(guān)的中國國家標(biāo)準(zhǔn)
風(fēng)電齒輪箱的傳動設(shè)計中，需要參照通用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3480-1997《漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法》。GB/T3480-1997標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6336-1~ISO 6336-3基本對應(yīng)，主要用于齒輪的齒面耐點蝕和齒根承載能力設(shè)計。對于齒輪膠合承載能力的計算，需要參照GB/T 6413-2003標(biāo)準(zhǔn)。
2）相關(guān)的其他標(biāo)準(zhǔn)
國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）和德國標(biāo)準(zhǔn)（DIN）在齒輪傳動設(shè)計中起到重要作用。其中有關(guān)圓柱齒輪承載能力的主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)源于DIN 3990。該標(biāo)準(zhǔn)包括5個子集，與國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6336基本對應(yīng)。對于齒輪膠合承載能力的計算，相關(guān)的參照標(biāo)準(zhǔn)為ISO/TR 13989-2000。
（2）風(fēng)電齒輪箱專用標(biāo)準(zhǔn)
我國于 2003 年 9 月頒布了 G B/ T19073 - 2003 風(fēng)力發(fā)電機組 — 齒輪箱標(biāo)準(zhǔn) ( 以下簡稱 19073 標(biāo)準(zhǔn)) ,對風(fēng)輪掃掠面積大于等于 40m 2 的風(fēng)電齒輪箱的技術(shù)要求、 試驗方法、 檢驗規(guī)則及標(biāo)志、 包裝、 運輸和儲存提出了概括性要求 ; 美國風(fēng)能協(xié)會 (AWEA) 和齒輪協(xié)會(AG MA) 于 2003 年 10 月制定了新的風(fēng)力機齒輪箱標(biāo)準(zhǔn) “ Standard for Design and Specification of Gearbox for Wind Turbines ” , 用于替代 AG MA/ AWEA 921 - A97 , 并于 2004 年 1 月上升為美國國家標(biāo)準(zhǔn) , 即 ANSI/ AG MA/AWEA6006 - A03 ( 以下簡稱 6006 標(biāo)準(zhǔn) ) 。該標(biāo)準(zhǔn)對40kW ～ 2MW 的風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的設(shè)計、 制造、 使用等作了詳盡的規(guī)定。 6006 標(biāo)準(zhǔn)被世界上許多國家采用 ,是風(fēng)電齒輪箱領(lǐng)域影響最大的一個標(biāo)準(zhǔn)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 2005 年采用快速程序 , 直接采用該標(biāo)準(zhǔn)作為國際標(biāo)準(zhǔn) ISO81400 - 4 :2005 。
19073 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定齒輪箱的工作環(huán)境溫度為 - 40 ℃～ 50 ℃ , 齒輪箱最高溫度不得大于 80 ℃ , 機械效率應(yīng)大于 97 % , 噪聲應(yīng)不大于 85dB , 機械振動應(yīng)滿足G B8543 中 C 級要求。 19073 標(biāo)準(zhǔn)和 6006 標(biāo)準(zhǔn)都要求齒輪箱正常工作壽命不小于 20 年 , 但也有資料要求風(fēng)功率密度 4 級時的設(shè)計壽命為 20 年 ,3 級時為 30 年。對零部件來說 , 通常要求齒輪壽命達(dá)到 17. 5 萬小時 [7] , 軸承壽命 13 萬小時 [6 ,7] 。6006 標(biāo)準(zhǔn)的正文部分包括適用范圍、 引用標(biāo)準(zhǔn)、定義和符號、設(shè)計規(guī)范、 齒輪箱設(shè)計和制造要求以及潤滑等內(nèi)容 , 對齒輪強度計算方法以及軸承使用情況、 要求壽命、 最大應(yīng)力等作了具體規(guī)定。
2.齒輪箱的設(shè)計
2.1 增速齒輪箱方案設(shè)計
根據(jù)傳動鏈布局和風(fēng)輪主軸支撐形式的要求，齒輪箱的結(jié)構(gòu)可能有較大差異，但其主體一般由箱體、傳動機構(gòu)、支撐構(gòu)件、潤滑系統(tǒng)和其他構(gòu)件構(gòu)成。
齒輪箱體需要承受來自風(fēng)輪的載荷，同時要承受齒輪傳動過程中產(chǎn)生的各種載荷。箱體也是主傳動鏈的基礎(chǔ)構(gòu)件之一，需要根據(jù)風(fēng)電機組總體布局設(shè)計要求，為風(fēng)輪主軸、 齒輪傳動機構(gòu)和主傳動鏈提供可靠地支撐與連接，將載荷平穩(wěn)傳遞到主機架。
傳動機構(gòu)是實現(xiàn)齒輪箱增速傳動功能的核心部分，通常由多級齒輪傳動副和支撐構(gòu)件組成。
可靠的潤滑系統(tǒng)是齒輪箱的重要配置，可以實現(xiàn)傳動構(gòu)件的良好潤滑。同時，為確保極端環(huán)境溫度下的潤滑油性能，一般需要考慮設(shè)置相應(yīng)的加熱和冷卻裝置。
風(fēng)電齒輪箱還應(yīng)設(shè)置對潤滑油、高速端軸承等溫度進(jìn)行實時監(jiān)測的傳感器，防止外部雜質(zhì)進(jìn)入的空氣過濾器，以及雷電保護(hù)裝置等附件。
齒輪傳動裝置的種類較多，按其傳動形式大致可分為定軸齒輪、行星齒輪和組合傳動的齒輪箱；按傳動級數(shù)可分為單級或多級齒輪箱；按布置形式可分為展開式、分流是和同軸式等形式的齒輪箱。
風(fēng)電齒輪箱要求的增速比通常較大，一般需要多級的齒輪傳動。目前大型風(fēng)電機組的增速齒輪箱典型設(shè)計，多采用行星齒輪與定軸齒輪組成混合齒輪系的傳動方案。其中NGW傳動是一種行星齒輪的典型設(shè)計形式。
對于兆瓦級風(fēng)電齒輪箱，傳動比多在100左右，一般有兩種傳動形式：一級行星+兩級平行軸圓柱齒輪傳動，兩級行星+一級平行軸圓柱齒輪傳動。相對于平行軸圓柱齒輪傳動，行星傳動的以下優(yōu)點：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；合理使用了內(nèi)嚙合；共軸線式的傳動裝置，使軸向尺寸大大縮小而；運動平穩(wěn)、抗沖擊和振動能力較強。在具有上述特點和優(yōu)越性的同時，行星齒輪傳動也存在一些缺點：結(jié)構(gòu)形式比定軸齒輪傳動復(fù)雜；對制造質(zhì)量要求高：由于體積小、散熱面積小導(dǎo)致油溫升高，故要求嚴(yán)格的潤滑與冷卻裝置。這兩種行星傳動與平行軸傳動相混合的傳動形式，綜合了兩者的優(yōu)點。
依據(jù)提供的技術(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過方案比較，總傳動比i=97，采用一級行星派生型傳動，即一級行星傳動+兩級高速軸定軸傳動。為補償不可避免的制造誤差，行星傳動一般采用均載機構(gòu)，均衡各行星輪傳遞的載荷，提高齒輪的承載能力、嚙合平穩(wěn)性和可靠性，同時可降低對齒輪的精度要求，從而降低制造成本。
對于具有三個行星輪的傳動，常用的均載機構(gòu)為基本構(gòu)件浮動。由于太陽輪重量輕，慣性小，作為均載浮動件時浮動靈敏，結(jié)構(gòu)簡單，被廣泛應(yīng)用于中低速工況下的浮動均載，尤其是具有三個行星輪時，效果最為顯著。設(shè)計齒輪箱的轉(zhuǎn)動比為1：97，由于減速比較大，按照此轉(zhuǎn)動比，齒輪箱的結(jié)構(gòu)形式可設(shè)計為：一級行星傳動+兩級斜齒輪傳動。齒輪傳動方案一
兩級NGW型行星齒輪
特點：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可滿足較大速比的傳動要求，傳動比40~160
圖2.1雙極NGW型傳動方案
齒輪傳動方案二
行星齒輪與平行軸圓柱齒輪混合式
特點：低俗部分為行星齒輪傳動，可使功率分流，同時合理應(yīng)用了內(nèi)嚙合，結(jié)構(gòu)較緊湊。后兩級為定軸圓柱齒輪傳動，可合理分配速比，提高傳動效率
圖2.2行星齒輪圓柱齒輪混合式
依據(jù)提供的技術(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過方案比較，行星傳動有以下優(yōu)點：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；合理使用了內(nèi)嚙合；共軸線式的傳動裝置，使軸向尺寸大大縮小而；運動平穩(wěn)、抗沖擊和振動能力較強。在具有上述特點和優(yōu)越性的同時，行星齒輪傳動也存在一些缺點：結(jié)構(gòu)形式比定軸齒輪傳動復(fù)雜；對制造質(zhì)量要求高：由于體積小、散熱面積小導(dǎo)致油溫升高，故要求嚴(yán)格的潤滑與冷卻裝置。兩者比較決定采用第二種方案,即一級行星+兩級平行軸圓柱齒輪傳動。
圖2.3本設(shè)計采用的結(jié)構(gòu)
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(biāo)行星輪系各齒輪齒數(shù)必須要滿足一定的幾何條件。
(1)保證兩太陽輪和系桿轉(zhuǎn)軸的軸線重合，即滿足同心條件 。
(2)保證3個均布的行星輪相互間不發(fā)生干涉，即滿足鄰接條件。
（2.1）
(3)設(shè)計行星輪時，為使各基本構(gòu)件所受徑向力平衡，各行星輪在圓周上應(yīng)均勻分布或?qū)ΨQ分布。為使相鄰兩個行星輪不相互碰撞，必須保證它們齒頂之間在連接線上有一定問隙。
保證在采用多個行星輪時，各行星輪能夠均勻地分布在兩太陽輪之間，即滿足安裝條件 c為整數(shù)，裝配行星輪時，為使各基本構(gòu)件所受徑向力平衡，各行星輪在圓周上應(yīng)均勻分布或?qū)ΨQ分布。
(4)保證輪系能夠?qū)崿F(xiàn)給定的傳動比，即滿足傳動比條件。當(dāng)內(nèi)齒圈不動時有
以上各式中： ——中心太陽輪齒數(shù)；
——行星輪齒數(shù)；
——內(nèi)齒圈齒數(shù)；
K——行星輪個數(shù)；
ha*——齒頂高系數(shù)。
2.2齒輪參數(shù)確定
2.2.1行星輪系的齒輪參數(shù)
根據(jù)行星輪系的傳動所需要滿足的條件。
兩級定軸的傳動比，則一級行星傳動，角標(biāo)1表示低速級輸入端， ，每個行星輪的傳遞的功率P=5000KW，工作壽命為20年。
參數(shù)計算：
1.選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)：
1）選擇直齒圓柱齒輪。
2）齒輪精度等級為5級精度。
3）材料選擇為20CrMnMo,熱處理應(yīng)為淬火。
4）初選小齒輪齒數(shù)為，取30。
，
∴A= /=3.8
E = A
=5.472
查得 =5.1
式中：——齒輪的接觸疲勞極限；
—— 載荷不均勻系數(shù)；
—— 對分度圓直徑的齒寬系數(shù)；
——動載荷系數(shù)
—— 接觸強度計算的壽命系數(shù)；
—— 接觸強度計算的齒向載荷分布系數(shù)；
—— 齒面工作硬化系數(shù)；
2.按齒面接觸強度設(shè)計
（2.2）
1)確定公式內(nèi)各計算數(shù)值
2)計算
根據(jù)經(jīng)驗選取螺旋角°壓力角° ∴ °
(1)配齒計算
取 /= C ，
適當(dāng)調(diào)整=5.1 5.1×/ 3 = 34,
∴=20 , = c-=82
=0.5×(-)=31
采用不等角變位，取=30，
則 j==1.01
查圖可得適用的預(yù)計嚙合角24°≤≤26°
18°≤≤20.8°
預(yù)選=25°
(2) 按接觸強度初算a-c傳動的中心距與模數(shù)
太陽輪和行星輪材料選用滲碳淬火，齒面硬度HRC58-62，選取
齒寬系數(shù)，
齒數(shù)比
∴模數(shù) 取=28
未變位時
按預(yù)取嚙合角=24.5°可得a—c傳動中心距變動系數(shù)
則中心距
a’=
a取a’=720
計算a-c傳動的實際中心距變動系數(shù)Y和嚙合角
∴=25.05°
(3)計算a—c傳動的變位系數(shù)
查圖校核，在與線之間，為綜合性能較好區(qū)，可用。
查圖分配變位系數(shù)藝=0．22，=O．251
(4)計算c-b傳動的中心距變動系數(shù)及嚙合角
c-b傳動未變位時的中心距
=734.28mm
∴=25.27°
(5)計算c-b傳動的變位系數(shù)
=-0.547
(6)重合度計算
=1.4336
=1.0508
其中
∴
行星輪系的參數(shù)為
分度圓直徑
齒寬
內(nèi)齒輪R精度等級為6級。
2.2.2圓柱級齒輪參數(shù)
1.高速軸上的齒輪的設(shè)計
輸入功率，小齒輪轉(zhuǎn)速為294.79/min,傳動比i=3.9811,工作壽命20年。
（1）選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)：
1）選擇斜齒圓柱齒輪。
2）齒輪精度等級為5級精度。
3）材料選擇為20CrMnMo,熱處理應(yīng)為淬火。
4）初選小齒輪齒數(shù)為。
5）初選螺旋角°。
（2）按齒面接觸強度設(shè)計
1)確定公式內(nèi)各計算數(shù)值
2)計算
計算齒寬b及模數(shù) m=30 計算縱向重合度=1.586
計算載荷系數(shù)=1.433
2.中間軸上的齒輪設(shè)計
輸入功率=5315.3KW，小齒輪的轉(zhuǎn)速為61.71r/min。傳動比i=4.774,傳遞的轉(zhuǎn)矩=N.mm，使用壽命為20年。
（1）選定齒輪類型，精度等級，材料及齒輪
1）選擇斜齒圓柱齒輪。
2）齒輪精度等級為5級精度。
3）材料選擇為20CrMnMo,熱處理應(yīng)為淬火。
4）初選小齒輪齒數(shù)為。
5）初選螺旋角°
（2）按齒面接觸強度設(shè)計
1)確定公式內(nèi)各計算數(shù)值
2)計算
計算齒寬b及模數(shù) m=13 計算縱向重合度=1.0317
計算載荷系數(shù)=1.4121
高速軸上的一對齒輪系參數(shù)為：
中間軸上的一對齒輪的參數(shù)為：
2.3受力分析與靜強度校核
2.3.1受力分析
行星齒輪傳動的主要受力構(gòu)件有中心輪、行星輪、行星架、軸及軸承等。為進(jìn)行齒輪的強度計算，需要對行星輪以及太陽輪進(jìn)行受力分析。當(dāng)行星輪數(shù)目為3。假定各套行星輪載荷均勻，只需分析其中任一套行星輪與中心輪的組合即可。通常略去摩擦力和重力的影響，各構(gòu)件在輸入轉(zhuǎn)矩的作用下平衡，構(gòu)件間的作用力等于反作用力。
圖2.4行星傳動受力分析
行星架輸入功率為，太陽輪輸出功率為，增速傳動比為i，太陽輪節(jié)圓直徑為dl，根據(jù)斜齒圓柱齒輪傳動受力分析公式，齒輪所受切向力、徑向力、軸向力分別為：
式中：——法面壓力角
——分度圓螺旋角
——主動輪齒寬中點處直徑
——主動輪分度圓直徑
——表示額定轉(zhuǎn)矩
按照上述公式計算低速級各個齒輪的受力情況行星輪傳動強度的校核計算
齒輪強度計算（齒面接觸疲勞強度計算）
a-c傳動的接觸強度
太陽輪
（2.4）
行星輪
（2.5）
許用應(yīng)力計算
（2.6）
滿足要求滿足要求
2c-b傳動的接觸強度（計算應(yīng)力）
行星輪
內(nèi)齒圈
許用應(yīng)力計算
滿足要求滿足要求
表2.1 5MW風(fēng)力機輸入級齒輪接觸強度校核結(jié)果
太陽輪 行星輪
行星輪 內(nèi)齒圈
1.3
1.3
1.05
1.05
1.25
1.25
1
1
1
1
1
1
2.5
2.5
0.96
0.92
1
1
1500
1100
1500
1100
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
875.8
342.76
1172.76
524.3
1250
1000
a-c傳動的齒根彎曲疲勞強度（計算應(yīng)力）
（2.7）
許用應(yīng)力計算
滿足條件
b-c傳動的齒根彎曲疲勞強度
許用應(yīng)力計算
滿足條件
表2.2 5MW風(fēng)力機齒輪彎曲強度校核結(jié)果
太陽輪 行星輪
行星輪 內(nèi)齒圈
0.85
0.67
1.05
1.05
1.3
1.3
1.25
1.25
1
1
3.2
3.05
3.05
2.95
1
1
600
480
600
480
2
2
0.92
0.92
1
1
1
1
1
1
525.3
342.76
286.4
280.5
513.87
513.89
2.3.2低速級外嚙合齒面靜強度計算
（1）低速級接觸強度計算：
依據(jù)要求，按3倍額定功率計算靜強度。(其余嚙合齒輪副的計算步驟，結(jié)論與此相似。)
載荷：
式中: ——計算切向載荷，N；
——齒輪分度圓直徑，mm
——最大轉(zhuǎn)矩，N.m
修正載荷系數(shù)：
因已經(jīng)按最大載荷計算，取使用系數(shù)。
計算安全系數(shù)
式中：——靜強度最大齒面應(yīng)力，
（接觸應(yīng)力）
式中：——小輪分度圓直徑；
——齒寬；
——齒數(shù)比；
——使用系數(shù)；
——動載荷系數(shù)；
——壽命系數(shù)；
——節(jié)點區(qū)域系數(shù)；
——彈性系數(shù)；
——接觸強度計算的齒向載荷分布系數(shù)；
——接觸強度計算的齒間載荷分布系數(shù)；
——接觸強度計算的重合系數(shù)；
——接觸強度計算的螺旋角系數(shù)；
（式中各數(shù)據(jù)通過查《機械設(shè)計手冊》第三版第三卷表14-2-9（強度計算公式中個參數(shù)的確定方法）得到。）
① 使用系數(shù)查表 =1.3
② 動載荷系數(shù)
其中， （齒輪精度5級，查表得）；
③ 齒向載荷分布系數(shù)
太陽輪浮動，對對稱支承，查表得：
④ 齒間載荷分布系數(shù)
查機械設(shè)計手冊得 =1
⑤ 節(jié)點區(qū)域系數(shù)
（其中）
⑥ 彈性系數(shù)
⑦ 重合度系數(shù) （其中，按算）
⑧ 螺旋角系數(shù)
其中按接觸應(yīng)力 =878.83
⑨ 壽命系數(shù)
⑩ 工作硬化系數(shù)
而安全系數(shù) 代入上述值：
得到 故符合要求，具有高的可靠度。
（2）中間級接觸強度計算
參照上述低速級接觸強度計算步驟和公式，得到中間級齒面計算接觸應(yīng)力各項系數(shù)如下表所示：
表2.3 中間級齒面計算接觸應(yīng)力各項系數(shù)
系數(shù)
值
1.3
1.025
1.13
1
2.252
189.8
0.8745
0.995
0.9
1
代入以上系數(shù)，計算接觸應(yīng)力
按接觸應(yīng)力 =928.74
計算安全系數(shù) =1.438 故符合要求。
（3）高速級接觸強度計算
參照上述低速級接觸強度計算步驟和公式，得到高速級齒面計算接觸應(yīng)力各項系數(shù)如下表所示：
表2.4高速級齒面計算接觸應(yīng)力各項系數(shù)
系數(shù)
值
1.3
1.06
1.383
1
2.33
189.8
0.7294
0.985
0.91
1
代入以上系數(shù)，計算接觸應(yīng)力
按接觸應(yīng)力 =961.76
計算安全系數(shù) =1.42 故符合要求。
2.4本章小結(jié)
依據(jù)技術(shù)指標(biāo)，綜合行星傳動與平行軸傳動的有點，選取一級行星派生型傳動，采用太陽輪浮動的均載機構(gòu)，計算確定了齒輪箱各級傳動的參數(shù)。對行星傳動進(jìn)行受力分析，得出各級傳動齒輪的受力結(jié)果。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行靜強度校核，結(jié)果符合安全要求。
3.傳動軸和箱體的設(shè)計
3.1高速軸的設(shè)計
(1)最小軸直徑的設(shè)計（A=105~135）
功率P=5060.2KW，轉(zhuǎn)速n=294.79r/m，A取125。
所以d=560mm
（2）結(jié)構(gòu)設(shè)如下
圖3.1高速軸
3.2低速軸的設(shè)計
最小軸直徑的設(shè)計
功率P=5378.8KW，轉(zhuǎn)速n=1173.7所以d=140mm。根據(jù)軸承精度選擇，
圖3.2低速軸
齒輪采用的是斜齒，因此軸主要承受扭矩，其工作能力按扭轉(zhuǎn)強度條件計算。根據(jù)以上情況，可得低速級傳動軸的受力簡圖：
圖3-3 低速軸受力圖
由上受力圖經(jīng)行軸的強度校核
扭轉(zhuǎn)強度條件為：
mm 45鋼＝30～40
軸的強度滿足要求。
式中，——軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， ；
——軸所受的扭矩， ；
——軸的抗扭截面模量， ；
——軸的轉(zhuǎn)速， ；
——軸所傳遞的功率，Kw;
——軸的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，；
－取決于軸材料的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 的系數(shù)，其值可查機械設(shè)計手冊。
故滿足強度要求。
3.3中間軸的設(shè)計
（1）最小軸直徑的設(shè)計
功率P=5271.2KW，轉(zhuǎn)速n=61.71r/m。
所以d=600。，
（2）結(jié)構(gòu)設(shè)如下：
圖3-5中間軸
齒輪采用的是直齒，因此軸主要承受扭矩，其工作能力按扭轉(zhuǎn)強度條件計算。根據(jù)以上情況，經(jīng)行軸的強度校核。
扭轉(zhuǎn)強度條件為：
mm 45鋼＝30～40
根據(jù)條件，按照強度校核公式計算：
故滿足強度要求。
3.4箱體
箱體是齒輪箱的重要零件，它承受來自風(fēng)輪的作用力和齒輪傳動時產(chǎn)生的反力。箱體必須有足夠的剛性去承受力和力矩的作用，防止變形，保證傳動質(zhì)量。箱體的設(shè)計應(yīng)按照風(fēng)力發(fā)電機組動力傳動的布局、加工和裝配、檢查以及維護(hù)等要求來進(jìn)行。應(yīng)注意軸承支撐和機座支撐的不同方向的反力及其相對值，選取合適的支撐結(jié)構(gòu)和壁厚，增設(shè)必要的加強筋。筋的