风力发电机增速器.docx
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风力发电机增速器
摘要
我国属于发展中国家，经济、能源与环境的协调发展是实现我国现代化目标的重要前提。
我国是个能源大国，也是个能源消费大国，当前我国能源的发展面临着人均能耗水平低、环境污染严重、能源利用率以及可再生能源比例少等问题。
因此，调整能源结构，减少温室气体排放，缓解环境污染，加强能源安全已成为全国关注的热点，对可再生能源的利用，特别是风能开发利用也给予了高度重视。
风能是一种清洁的可再生能源，风力发电是风能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。
风力发电机的传动机构主要由主轴、齿轮箱、输出轴等部分组成，首先对齿轮箱进行设计，根据某型风力发电机所要求的技术匹配参数，选择适当的齿轮传动方案，在此基础上进行传动比分配与各级传动参数如模数、齿数等的确定，对于齿轮箱中的轴进行设计，并对齿轮、轴以及轴承进行校核，再考虑行星架、箱体的选用问题，最后在考虑其他因素对风力发电机的影响，进行三维仿真模拟。
关键词：
风力发电机传动机构；行星齿轮传动；模拟仿真
Abstract
Chinaisadevelopingcountry,thecoordinateddevelopmentofeconomy,energyandenvironmentisanimportantprerequisitetorealizeourmodernizationgoal.Chinaisabigenergycountry,butalsoalargeenergyconsumption,thecurrentdevelopmentofChina'senergyisfacingalowlevelofpercapitaenergyconsumption,environmentalpollution,energyefficiencyandtheproportionofrenewableenergyandotherissues.Therefore,toadjusttheenergystructure,reducegreenhousegasemissions,easeenvironmentalpollution,strengthenenergysecurityhasbecomeahottopicofconcerntotheuseofrenewableenergy,especiallywindenergydevelopmentandutilizationhasalsogivenhighpriority.Windenergyisacleanrenewableenergy,windpoweristhemainformofwindenergyutilization,butalsotherenewableenergyinthemostmaturetechnology,themostlarge-scaledevelopmentconditionsandcommercialdevelopmentprospectsofoneofthepowergeneration.
Thetransmissionmechanismofthewindturbineismainlycomposedofthemainshaft,gearboxandoutputshaft.First,thegearboxisdesigned.Accordingtothetechnicalmatchingparametersrequiredbyacertaintypeofwindturbine,theappropriategeartransmissionschemeisselected.Onthisbasis,Thegearratioandthetransmissionparameterssuchasmodulus,thenumberofteeth,etc.todeterminetheshaftforthedesignofthegearbox,andgears,shaftsandbearingstocheck,andthenconsidertheplanetaryplanes,theselectionofthebox,andfinallyThree-dimensionalsimulationiscarriedouttoconsidertheinfluenceofotherfactorsonwindturbines.
Keywords:
Windturbinetransmissionmechanism;Planetarygeardrive;Simulation
1绪论4
1.1选题的背景及意义4
1.2风力发电机的研究现状4
1.2.1国内发展4
1.2.2国外发展6
1.3设计内容7
2风力发电机的结构组成8
2.1风力发电的原理8
2.2发电机结构8
3传动机构设计10
3.1设计参数10
3.2设计方案10
3.2.1方案的讨论11
3.2.2初步确定总体结构设计11
3.3传动比的分配11
3.4齿数的选择12
3.4.1齿数的选用12
17
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3.4.2齿轮的校核
3.5轴的设计
3.5.1低速级传动轴尺寸设计
3.5.2中间级传动轴的设计错误！
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3.5.3高速级轴的设计错误！
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3.5.4轴的校核错误！
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3.6行星架的选用错误！
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3.7箱体的设计与选用错误！
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3.7.1齿轮箱箱体设计错误！
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3.7.2齿轮箱的冷却和润滑错误！
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3.7.3齿轮箱的使用及其维护错误！
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4影响风力发电机功率的因素错误！
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4.1风力大小对功率的影响错误！
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4.2叶片附着物对其转动产生的阻碍因素对功率的影响.错误！
未定义书签4.3齿轮箱设计对功率的影响因素错误！
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4.4轴的合理设计对功率影响错误！
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5齿轮箱的三维建模错误！
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5.1软件介绍错误！
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5.2建模截图错误！
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5.2.1一级行星系传动错误！
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5.2.2二级行星系传动错误！
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5.2.3三级平行轴传动错误！
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5.2.4箱体图错误！
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5.2.5整体剖视图错误！
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6技术经济性分析错误！
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6.1零件材料的经济性分析错误！
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6.2方案选择上的技术性分析错误！
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7结论错误！
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致谢错误！
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参考文献错误！
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附录A.错误！
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附录B错误！
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1绪论
1.1选题的背景及意义
1）提供国民经济发展所需的能源
能源是国民经济发展和人类生活必需的重要物质基础。
我国能源面临最突出的问题是国内化石类能源供应严重不足。
一项关于我国未来能源供需报告曾预测，2020年国内可供应常规能源的量不到2亿吨标准煤，能源缺口将为4亿至5亿吨，需要从国外进口。
如果要减轻我国对石油和天然气进口的依赖，必须调整能
源结构，大规模开发可再生能源。
可再生能源将作为主要的替代能源，而风力发电则是可再生能源发展的重点，市场广阔、前景光明，将为国民经济发展提供更充足的物质保证。
2）减少温室气体排放
风力发电是当前既能获得能源，又能减少有害气体排放的最佳途径之一。
目前我国的电能结构中75%是煤电，排放污染严重，增加风电等清洁能源比重刻不容缓。
在减少温室气体二氧化碳和导致酸雨的二氧化硫等有害气体排放、保护环
境、环节全球气候变暖方面，风电是有效措施之一。
3）提高能源利用效率
常规能源发电虽然直接成本较低，但其成本还应包括运输、环境、资源等社会因素，加在一起要比风力发电高得多。
研究表明，这方面的成本大约要高出40%,并且这些外部成本是以环境污染和资源消耗为代价的。
风力发电由于基本没有外部成本，其社会成本就小得多。
1.2风力发电机的研究现状
1.2.1国内发展
风力发电是我国现阶段用处最多，国民最喜欢的一种清洁的可再生能源，风力发电机的开发缓解了我国环境污染的现象，减少了CO?
产生。
煤炭的燃烧作为能源
的使用大概是19世纪之前采用的方式，这种方式的大量使用致使我国的环境现状一天天恶劣下去，部分地区出现了泥石流、洪水的侵袭等各种自然灾害。
我国认识到这个问题之后，更加积极地将新能源的开发搬上国家建设的旅程表上，成
为了全国上下一起努力的目标，这时出现的风力发电引起了国家的注意，当时我国属于刚起步状态，对于一些未知的技术我们处于无知状态，需要我们学习外国的先进技术，但是由于他们不是免费提供给我们，所以需要我们花大价钱将其引进到国内，并对其进行研究和创新生产使用，应用到各个地区的开发的风力发电厂中。
由于风力发电机需要的地方广阔、周围居民少且建筑物少，因此大多将风力发电厂建立在偏远地区或者较荒芜的地区，但是这些地区的环境恶劣导致电网调节能力差，致使一些地区出现了弃电的现状。
更是由于我国对于该新兴技术的不全面的了解，一些地区出现了安全隐患，如电的泄露、塔基的不稳定导致坍塌现象。
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图1-1风力发电现状
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图1-2全国每年风电利用小时数概况
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图1-3弃风数据表
Fig.1-3abandonedairdatasheet
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图1-4各省份近几年风力发电数据
Fig.1-4windpowerdataintheprovincesinrecentyears
1.2.2国外发展
1）美国
美国PTC政策（生产税抵免政策）延长实施四年或将促进2017-2020年新增风
电吊装容量创新高，接近40GW。
风电行业供需侧多种因素的影响下，预计大部分吊装容量将于2019、2020年实现并网，政治环境不稳定与施工资源短缺或将阻碍风电项目的开发。
除此之外，近年来为了享有税务优惠而参与风电建设的投资商撑起了风电项目融资的半边天，超半数的吊装项目融资来自他们的资金支持，而如今遭遇企业所得税改革，对行业的投资热度将降低。
边境政策的调整与其它电价措施的的出台也将阻碍本地供应链的发展，导致国内行业发展将越来越依赖
于进口风机零部件。
工程、采购与施工资源的短缺问题也迫在眉睫。
MAKE预计加拿大风电市场将于2017-2026年间，新增6.2GW吊装容量。
2017-2019年间，加拿大东部省份将成为新增容量主力地区，此后，由于政府对风电开发的支持力度不断削减、电力行业大规模的去碳化进程加快、电力需求走
低，该区域的新增容量预测将减少。
从2019年末起，Alberta与Saskatchewan省的电力采购需求将导致此后至2026年间，风电需求向西转移。
对于加拿大东部的Quebec省而言，因美国东北部对加拿大水电需求较高，风电作为非水可再生能源可补足省内电力需求，该省将成为2021年后仍能保持较高吊装容量水平的唯个东部省份。
2）加拿大
加拿大自然资源部长称，随着加拿大将经济多样化提上日程，风能时代可能即将开始。
参加区域能源大会的风能倡导者和政府官员们视察了魁北克地区，因
为北美的能源格局正在转变。
加拿大风能协会主席罗伯特•奥尔南表示，需要更多依靠低碳资源来拉动经济增长。
同时说道：
“我们有资源并且有技术”。
据加拿大政府估计，该国的风电投资组合占全球第8位，装机容量已达1200万千瓦。
一些省级政府正在主动开发清洁能源，萨斯克切温省正在努力发展且承诺在2030年之前达到50%的电能从可再生能源中获取。
加拿大自然资源部长吉姆•凯尔称：
“这很明显，风能的时代已经到来，我们的政府已经承诺要处理气候变化，并且我们知道风能将在这些努力中扮演决定性的角色。
”
1.3设计内容
齿轮箱的工作过程为：
风作用到叶片上，驱使风轮旋转。
旋转的风轮带动齿轮箱主轴转动将动能输入齿轮副。
经过三级变速，齿轮副将输入的大扭矩、低转速动能转化成低扭矩、高转速的动能，通过联轴器传递给发电机。
发电机将输入的动能最终转化为电能并输送到电网。
本次毕业设计主要设计的是风力发电机的传动机构部分，把叶片转动产生的机械能转化为电能达到最大值，并且储存起来供用户或者工厂使用，其次还要考虑一些其他机构的因素和外在风力大小对整个风力发电机的影响。
主要步骤为：
1）选择齿轮箱的传动形式
2）根据提供的总传动比分配分传动比
3）根据传动比查表选择合适的齿轮数、模数，并对齿轮进行校核
4）设计各级传动轴，并对轴径最小的轴进行校核计算
5）根据总体要求选择合适的行星架、箱体
6）对风力机功率的影响因素进行分析
7）绘制三维模型，并对其进行仿真模拟
8）对课题进行技术经济性分析
2风力发电机的结构组成
2.1风力发电的原理
风力发电的原理：
叶片带动轮毂转动是因为风能带动叶片旋转运动的结果，同时
轮毂与齿轮箱的主轴相连接，所以齿轮箱内部结构也会跟随着转动，轴的转动带动齿轮旋转，一级一级的传递下去，最后从齿轮箱的输出轴传递出去到发电机部分。
风力发电是目前一项新兴的再生能源可回收利用的技术，在世界各地都广发地应，并受各国资源局的青睐，同时该项技术不但缓解环境污染的问题，而且可再生能源的利用可促进了生态平衡。
在部分地区已经建立了多个风力发电机，并已投入使用，取得显著的成果。
风力发电机的组成部分主要有8个部分且每一份组成部分都起到了关键性的作用，且缺一不可。
即：
叶片、轮毂、机体、发电机、
图2-1风能——回转机械能——电能
Fig.2-1windenergy-rotatingmechanicalenergy-electricenergy
2.2发电机结构
Fig.2-2workflow
风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。
广义地说，它是一以大气为工作介质的能量利用机械。
机舱：
机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。
维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。
机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。
转子叶片：
捉获风，并将风力传送到转子轴心。
轴心：
转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。
低速轴：
风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。
轴中有用于液压
系统的导管，来激发空气动力闸的运行。
齿轮箱：
齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。
高速轴及其机械闸：
高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。
它装备有紧
急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。
发电机：
通常被称为感应电机或异步发电机。
偏航装置：
借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。
偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。
图中显示了风力发电机偏航。
通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。
电子控制器：
包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。
为
防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。
液压系统：
用于重置风力发电机的空气动力闸。
冷却元件：
包含一个风扇，用于冷却发电机。
塔：
风力发电机塔载有机舱及转子。
通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。
它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。
管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。
格状的塔的优点在于它比较便宜。
风速计及风向标：
用于测量风速及风向。
3传动机构设计
3.1设计参数
表3-1参数表
Tab.3-1parameterlist
项目数量
总传动比i
104
额定功率/kW
1500
输入转速/rpm
1800
输出转速/rpm
9.7~119
模数/m
1~20
由于风力发电机运转的环境恶劣，受力情况复杂，因此要求所用材料除了要满足机械强度条件以外，还应该能满足在极端温差条件下所具有的材料特性，比
如抵抗低温冷脆性、冷热温差影响下的尺寸稳定性等。
由以上条件可知外齿轮制造精度不低于6级，即齿面硬度60〜62HRC（太阳轮）和56〜58HRC（行星轮）。
与此同时为提高承载能力，齿轮、轴类采用合金钢制造，具体为外齿轮采用20CrMnMo材料，内齿圈采用42CrMo材料。
3.2设计方案
321方案的讨论
对于兆瓦级风力发电机的齿轮箱的传动比一般在100左右，分为两种传动传动形式：
一级行星齿轮+两级平行轴传动和二级行星齿轮+—级平行轴传动。
传动系统多采用行星传动，因行星传动具有很有优点，如下：
1）传动效率高，体积小，重量轻，结构简单，制造方便，传递功率范围大，使功率分流；
2）合理使用内啮合，共轴线式的传动装置，使轴向尺寸大大缩小；
3）运动平稳、抗冲击和振动能力较强但是行星齿轮传动也有一定的缺点，如下：
1）结构形式比定轴齿轮传动复杂、对制造质量要求高；
2）因体积小散热面积小，导致油温升高，对润滑和冷却要求严格。
3.2.2初步确定总体结构设计
根据以上分析的结果，采用二级行星传动+—级平行轴传动的方式，提高了速比，降低了齿轮箱的体积。
与此同时，主轴内置于齿轮箱的内部。
不需要现场主轴对中；主轴轴承采用稀油润滑，效果更好；大大减小了机舱的体积。
如图所示：
囁行星传动卫衍星饲二级平行轴传动
图3-1传动机构的原理图
Fig.3-1schematicdiagramofdrivemechanism
3.3传动比的分配
根据参数，传动比为1:
104,电动机额定转速为nm=1800r/min,所以风轮转速为
1
n发=nmi=1800=17.3r/min（3-1）
m104
齿轮箱采用NGW型号的形式，行星轮机构定为2级，每级传动比可按《机械
设计手册》第四版第三卷中表14-5-5查得：
第一级行星轮传动比：
i1=7.1
第二级行星轮传动比：
i2=5.6
则一级平行轴的传动比：
3.4齿数的选择
行星齿轮传动由于有多对齿轮同时参与啮合承受载荷，要实现这一目标行星轮各齿轮数必须满足一定的几何条件：
1）同心条件：
为了保证正确的啮合，各对啮合齿轮之间的中心距必须相等。
太阳轮A与行星轮C的中心距等于行星轮C与内齿轮B的中心距。
即：
zA+zc=zB-zc（3-3）
2）装配条件：
保证各行星轮能均布地安装在两中心齿轮之间，并且与两个中心轮啮合良好，没有错位现象。
为了简化计算和装配，应使太阳轮和内齿轮的齿数和等于行星轮数目Cs的整数倍。
即：
3）邻接条件：
必须保证相邻两行星轮互不相碰，并留有大于0.5倍模数的间隙，
即行星轮齿顶圆半径之和小于其中心距L。
即：
180°
（Za-Zc）sinZc+2（ha+XC）（3-5）
Cs
4）传动比条件：
=i1H-1（3-6）
3.4.1齿数的选用
1）第一级行星轮系传动设计
第一级行星轮系选用直齿圆柱齿轮，其齿轮精度等级为5级精度
当ii=7.1时，查表3-2《行星齿轮传动设计》
Za=19zc=50Zb=119则必=7.0588
74_7agoo
P==0.58%：
：
4%合理（3-7）
7.1
初选模数m=16
齿顶高
ha1=hm=116=16mm（3-8）
齿根高
hf1=（ha+c）m=（1+0.25）16=20mm（3-9）
齿高
h1=ha1hf1=16+20=36mm（3-10）
齿宽：
b1=（0.4~1.2）a1=（0.4~1.2）552=（220.8~662.4）mm（3-11）
太阳轮：
分度圆直径:
dA1=mzA=1619=304mm（3-12）
dC1=mzc=1650=800mm（3-16）
齿顶圆直径:
dCa1=dC1+2ha1=800+216=832mm（3-17）
齿根圆直径:
def1=dci-2hfi=800-220=760mm（3-18）
齿宽：
bC^500mm（3-19）
内齿圈：
分度圆直径：
dB1=mzB=16119=1904mm（3-20）
齿顶圆直径：
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