风力发电机传动系统的设计doc - 图文

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密级 公开

xxxxxxxxx本科生毕业设计

风力发电机传动系统的设计

学院名称：培黎工程技术学院 专业名称：机械设计制造及其自动化 学生姓名：马 指导教师：同 教授

二○一三年五月

BACHELOR'S DEGREE THESIS OF LANZHOU CITY UNIVERSITY

Design of Transmission System of Wind

Power Generator

College : School of Bailie Engineering & Technology

Subject : Mechanic Design Manufacturing and Automation

Name : Ma

Directed by : Professor Tong Changhong

May 2013

郑重声明

本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。

本人签名： 日期：

摘 要

风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣，传动系统是风电机组的核心系统，而齿轮箱又为双馈式风电机组传动系统的核心部件，备受国内外风电行业和研究机构的关注。但由于国内齿轮箱的研究起步晚，技术薄弱，尤其在目前兆瓦级风力发电机中，其属于易过载和过早损坏率较高的部件，且易出故障。与之相对应的，直驱式风力发电机具备低风速时高效率、低噪音等优点，但直驱式发电机组在风力发电越来越大型化发展的今天，其过于庞大的低速发电机运输、吊装困难，制造成本较高。二者相比较，考虑到结构、经济问题，我们就不得不重新思考如何提高齿轮箱的传动效率，从而提高传动系统的传动效率。

本文在对风力发电机的结构、原理深入了解、研究的基础上，对其传动系统的齿轮增速系统进行自主设计。

先确定齿轮箱的传动型式，选取一级行星和两级平行定轴传动方案，再分配传动比，通过计算，确定各齿轮齿数，并对其进行接触强度校核，结果符合安全要求。

关键词：风力发电机；传动系统；直驱式；双馈式；齿轮增速箱

ABSTRACT

The fast development of wind power industry helps to bring about booming of wind power equipment manufacturing business. Transmission system is the core of the wind turbine system and gear box, concerned by the wind power industry and research institutions at home and abroad, is the core component of doubly-fed wind turbine transmission system. But as a result of the research of domestic gear box started late and technology is weak, especially in the megawatt wind turbine, it belongs to easy to overload and high rates of premature failure parts and is easy to out of order. And at the same time, direct drive wind turbines is with the advantages of high efficiency and low noise when low wind speed, but direct drive wind power generator in more and more large-scale development today, low-speed generator is too large to transport and hoist and the manufacturing cost is higher. After compared with them, considering the structure and the economic problems, we are going to have to rethink how to improve the transmission efficiency of gear box, so as to improve the transmission efficiency of transmission system.

On the basis of deep understanding the structure and principle of wind turbine, i have been doing an independent design about gear growth system of wind turbine transmission system and it is presented in this paper.

Firstly, determine the transmission type of the gear box, select level of planets and two level parallel fixed axle transmission scheme, distribute transmission ratio, through calculation, determine the gear teeth, and contact strength check, the result is in conformity with the safety requirements.

Keyword: wind driven generator; drive system; direct drive; doubly-fed; step-up gear

box

目 录

第1章 绪论 .................................................................................................. 1

1.1 风力发电机研究的背景及其意义 ................................................................. 1

1.1.1 风力发电机研究的背景 ...................................................................... 1 1.1.2 风力发电研究的意义 .......................................................................... 1 1.2 风力发电发展的过程、现状及趋势 ............................................................. 2

1.2.1 风力发电初创时期 .............................................................................. 2 1.2.2 风力发电徘徊发展期 .......................................................................... 2 1.2.3 风力发电的现状及趋势 ...................................................................... 3 1.2.4 我国风力发电技术存在的问题 .......................................................... 4 1.3 本文研究的主要内容 ..................................................................................... 5

第2章 风力发电机组的组成和驱动结构型式 ......................................... 6

2.1 概述 ................................................................................................................. 6

2.2 风力发电机组的组成与结构 ......................................................................... 7 2.3 风力发电机的结构型式 ............................................................................... 10

2.3.1 直驱型风力发电机 ............................................................................ 10 2.3.2 双馈型风力发电机 .............................................................................11 2.3.3 直驱型风力发电机和双馈型风力发电机的特性比较 .................... 12

第3章 风力发电机组传动系统设计 ....................................................... 14

3.1 传动系统的结构 ........................................................................................... 14 3.2 风力发电机传动系统布置型式及其特点比较 ........................................... 14 3.3 增速齿轮箱传动系统的典型结构型式及分析 ........................................... 15 3.4 增速齿轮箱传动系统设计 ........................................................................... 17

3.4.1 设计的主要内容 ................................................................................ 17 3.4.2 齿轮增速传动系统设计 .................................................................... 19

3.4.2.1 传动比的分配 ......................................................................... 20 3.4.2.2 行星齿轮选用满足的几何条件 ............................................. 20 3.4.2.3 传动部分参数计算 ................................................................. 20 3.4.2.4 齿轮参数确定 ......................................................................... 21 3.4.3 箱 体 .................................................................................................. 30 3.4.4 齿轮箱的冷却和润滑 ........................................................................ 31 3.4.5 齿轮箱的使用及其维护 .................................................................... 31 3.5 联轴器的选用 ............................................................................................... 32

总结与展望 .................................................................................................... 33 参考文献 ........................................................................................................ 34 致谢 ................................................................................................................ 35 附录 ................................................................................................................ 36

第1章 绪论

1.1 风力发电机研究的背景及其意义

1.1.1 风力发电机研究的背景

风能是一种可再生的自然资源，是太阳能的转化形式,具体指的是太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均匀，从而使空气沿水平方向运动，空气流动所形成的动能。据统计，地球上的风能理论蕴藏量约为2.74×1015MW,可开发利用的风能为2.×109MW，是地球水能的10倍，只要能够使用地球上1%的风能就能满足全球能源的需要。

风能是人类利用历史悠久的能源和动力之一，风能利用主要包括风力发电、风帆助航、风车提水、风力磨坊、风力锯木等。人类对于风能的利用已有千年的历史，风能最早的利用方式是“风帆行舟”、利用“方格形风车”（Panemon）来带动石磨磨谷等。12世纪，风车从中东传入欧洲。据认为，是班师的十字军将风车的概念和设计带到了欧洲，风力和水力很快就在中世纪的英格兰成了机械能的主要来源。

今天，荷兰人将风车视为国宝，北欧国家保留的大量荷兰式的大风车，已成为人类文明是的见证。如1895年，丹尼尔﹒哈利戴开始发展了后来演变成鼎鼎有名的“美国农场风车”。在今天，假如没有这种风车，那么在美国、阿根廷和澳大利亚的许多地区，牲畜的牧场饲养也不是不可能的。

19世纪末，丹麦人首先研制了风力发电机。1891年丹麦建成了世界第一座风力发电站。到1973年发生石油危机后，风力发电进入了一个蓬勃发展的阶段，在世界不同地区建立了许多大、中型的风电场。同时，气候的变化也推动了风电技术的进一步升温。预计到21世纪中叶，风能将会成为世界能源供应的支柱之一，成为人类社会可持续发展的主要动力源[1]。 1.1.2 风力发电研究的意义

从我国来看，改革开放以来,由于我国的经济增长基本建立在高消耗，高污染的传统发展模式上,出现了比较严重的环境污染和生态破坏,环境与发展的矛盾日益突出。再加之不断增加的人口因素 ,这一切最终的结果是资源相对短缺，生态环境脆弱，环境容量不足，这也逐渐成为中国发展中的重大问题。从世界范围内来看，风力发电作为无污

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染的可再生能源随着世界范围内石油、煤炭储量的不断减少和燃用石油、煤炭等对环境污染产生严重影响。因此，节约能源，提高能源利用率，大力开发使用新能源和可再生能源，逐步以洁净能源替代矿物燃料，是我国能源建设与发展应遵循的原则，也是实施可持续发展战略的一个重要组成部分，对于环境保护和增加能源供应有着积极作用。此种情况下风能的利用受到人们的关注，但我国的风力发电机大多引进国外整套设备，从中国大范围、持久开发风能的需要来看，单纯依赖国外进口风机绝不是根本出路。只有在引进国外先进技术的同时发展我们自己的风机制造业，才是百年大计，才能保证不会面临淘汰的危险。因此研制具有自主知识产权的风力发电机具有十分重大的意义。

总之，发展风电技术，对于缓解能源危机,保护环境，发展国民经济具有深远的意义。

1.2 风力发电发展的过程、现状及趋势

1.2.1 风力发电初创时期

风力发电初创时期从1887—1888年冬到二十世纪30年代初开始，主要代表有美国人布拉什安装了一台被现代人认为是第一台自动运行的且用于发电的风力发电机，以及1891年，丹麦人拉库尔（LaCour）教授设计建造了世界上第一座风力发电试验站，采用蓄电池充、放电方式供电，获得成功，并得到推广应用。1897年，LaCour教授发明了快速转动、叶片数少的风力发电机，在发电时比低转速的风力发电效率高得多，如图1.1。到小容量的风力发电机组技术已经比较成熟，并得到广泛的推广和应用。

图1.1 四叶片直流风力发电 图1.2 Gedser 风力发电机 1.2.2 风力发电徘徊发展期

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从20世纪30年代初到60年代末，为风力发电的第二个阶段。此时风力发电处于徘徊时期。

比如,丹麦在风力发电机并网方面研究比较深入，取得了很多成果。1942年，丹麦F.L.Smidth公司在Bobo岛安装了一批两叶片和三叶片的风机，这些风机（与它们的前辈一样）发的是直流电，如图1.2,最具代表性的是盖瑟（Gedser）风力发电机组。

创新的200kW盖瑟风力发电机在1956—1957年由Johannes Juul为SEAS电力公司建成，风机安装在丹麦南部的盖瑟海岸。三叶片，上风向，带有电动机械偏航和异步发电机的风力发电机是现代风力发电机的设计先驱。这台风力机是失速调节型风力机，JohannesJuul发明了紧急气动叶片尖刹车，在风力机过塑是通过离心力的作用解放。基本上与现代失速型风力发电机上使用着相同的系统。这台风力发电机，在随后的很多年一直是世界上最大的。它在无需维护的情况下，运行了11年。

同样的，法国、英国、德国在这一时期对风力发电技术都取得了一些进展，但仍由于一些客观技术原因的存在，仍没有将风力发电技术发展到对于当时来说的最大化。

如前所述，为了找到更加廉价的能源，世界各国对风力发电寄予厚望，也投入了大量的人力、物力、财力，研制成功了一些大型风力发电机，取得了一些经验，但在20世纪60年代初，由于石油价格降低，风力发电在造价和稳定可靠性方面远竞争不过火力发电，所以风力发电的研究又停滞下来 [1]。 1.2.3 风力发电的现状及趋势

随着国际社会能源紧缺压力的不断增大，环境问题日益严重化，风力发电得到了高度的重视。二十多年来，风电技术日趋成熟，应用规模越来越广。

其中我国增长最快，维持100%的增速，当年吊装完成1400万千瓦，比2008年增加了760万千瓦，同比增长120%；欧盟实现装机容量1056万千瓦，同比增长17%；美国净增992万千瓦，同比增长19%。根据全球风能理事会的统计，截止到2010年12月，2010年全球风能新增装机3850万千瓦，累计装机19440万千瓦，同比2009年（15870万千瓦）增长了22.5%。2010年新增风电投资近473亿欧元（650亿美元）。

从风电发展的区域分布区域来看，2010年欧洲、亚洲、北美仍分居世界三甲，2010年底的装机容量分别达到8756万千瓦、5828万千瓦合4699万千瓦。欧洲虽然仍居首位，但是与亚洲、北美的差距正在缩小，我国风电新增容量超过欧盟。业内人士普遍估计，到2010年三大风电装机容量将基本持平。从国别来看，我国以累计装机容量4478

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万千瓦稳居首位，美国以4027万千瓦的装机容量位居第二，德国以2736万千瓦的容量位居第三，西班牙和印度位居第四和第五，累计装机容量分别2030万千瓦和1297万千瓦。进入前十名的还有法国（596万千瓦）、英国（586万千瓦）、意大利（579万千瓦）、加拿大（401万千瓦）、和葡萄牙（383万千瓦），详见图1.3。

图1.3 2010年全球风电装机排名前十的国家

总之,随着各国政策的倾斜和科技的不断进步,世界风力发电发展迅速,展现出了广阔的前景。未来数年世界风力发展的趋势可能如下发展:

(1) 风力发电从陆地向海面拓展。

(2) 单机容量进一步增大单机容量为5 MW 的风机已经进入商业化运行阶段。 (3) 在技术上,经过不断发展,世界风力发电机组逐渐形成了水平轴、三叶片、上风向、管式塔的统一形式.进入21世纪后,随着电力电子技术、微机控制技术和材料技术的不断发展,世界风力发电技术得到了飞速发展,主要体现在:

1) 变桨距功率调节方式迅速取代定桨距功率调节方式。 2) 变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式。 3) 无齿轮箱系统的直驱方式增多。 (4) 风力发电机组更加个性化。 (5) 从事风力发电的队伍进一步扩大[2]。 1.2.4 我国风力发电技术存在的问题

虽然目前我国的风电发展速度非常快, 但与发达国家相比, 主要存在以下问题: 1．国内风力发电机产量不足, 很大一部分核心设备主要从国外进口, 采购价格较高; 同时某些技术瓶颈也使生产成本增加, 故风力发电的能源价格居高不下。

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2．从发电量因数的比较可以看出, 我国的发电量因数还不到世界的一半, 这就意味着我国风力发电机的安装量和发电量严重不成比例。

3．我国近海的风能资源比陆上丰富, 具有更高、更稳定的风速; 与陆上相比, 可提供的能量超过120%～140%以上, 故海上风力发电的发展在我国未来非常重要。但是, 我国的海上风电发展已慢于世界其他国家, 且在技术研发方面也有不小的差距。

1.3 本文研究的主要内容

风力发电机依据有无齿轮箱分为直驱式风力发电机和双馈式风力发电机以及介于二者之中的半直驱式风力发电机。而当前风电技术和设备的发展主要呈现大型化、变速运行、变桨距、无齿轮箱等特点。

双馈式风力发电机，由于极对数小，因而结构比较简单，体积小，但是由于需要齿轮增速箱，因此传动系统结构比较复杂，齿轮箱设计、运行维护复杂，容易出故障。直驱风电机组的风轮直接驱动发电机转子旋转，不需要齿轮箱增速，从而提高了传动效率和可靠性，减少了故障点，但是直驱式机组的发电机极对数高，体积比较大，结构也复杂得多。

所以本文在基于对二者优缺点的对比中，取长补短进行对传动系统的优化设计，即对双馈式风力发电机的增速齿轮箱进行设计，使传动系统既具有双馈式的增速作用，又能够具备直驱式的高的传动效率。

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第2章 风力发电机组的组成和驱动结构型式

2.1 概述

风力发电机的功能是将风轮获取的空气动能转换成机械能，再将机械能转换为电能，输送到电网中。对风力发电机组的基本要求是在风电场所处的气候和环境条件下长期安全输送，以较低的成本获取最大的年度发电量。图2.1为风力发电设备示意。如图所示机械传动、偏航、液压、制动、发电机和控制等系统大部分都装在机舱内部，机舱外伸部分则是轮毂支撑的风轮。偏航系统直接安装在机舱底部，机舱通过偏航轴承与偏航机构连接，并安装在塔架上，可随时根据风向变化调整迎风风向[3]。

图2.1 风力发电设备示意

风电机组的主要部件布置要使得机组在运行时，机头（机舱与风轮）中心与塔架中心相一致，整个机舱底部与塔架的连接应能抵御风轮对塔架造成的动力负载与疲劳负载作用。

机舱外壳是玻璃纤维和环氧树脂制造的机舱罩，具有低成本、重量轻、强度高的特点，能有效地防雨、防潮和抵御盐雾、风沙的侵蚀。

图2.2是上风向、三叶片、水平轴、变桨变速带齿轮箱的兆瓦级风电主流结构。风电机的风轮旋转产生的能量，通过轮毂、主轴、齿轮箱的高速轴和柔性联轴器送到发电机。之所以使用齿轮箱，是为了将风轮上的低转速高转矩能量，转换为用于发电机上的

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高转速低转矩的能量，这样就可以使用就结构较小的普通电机发电。

如果不使用齿轮增速箱，在很低的风轮转速下只能用一个技术较多的发电机，而用发电机转子的质量与转矩大小成正比例，这样的发电机将非常庞大和笨重。直驱式风力发电机就是没有齿轮增速箱，由风轮直接驱动发电机，亦称无齿轮箱风力发电机，如图2.3所示。

图2.2 风电机组的结构图 图2.3 直驱式风力发电机结构

2.2 风力发电机组的组成与结构

如图2.1所示，风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。该机组通过风力推动叶轮旋转，再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电，有效的将风能转化成电能。其工作过程流程图如图2.4。

风 能 机械能 机械能 电能 风 轮 传动系统 风力发电

图2.4 风力发电机的工作过程

1．风轮

风力机区别于其他机械的最主要特征就是风轮。风轮一般由2~3个叶片和轮毂组成，其主要功能就是将风能转换为机械能。普通风力机从审美观点看一般三叶片更令人满意。

叶片是吸收风能的单元，用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。叶轮的转动是风作用在叶片上产生的升力导致。

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轮毂是风轮的枢纽，也是叶片的根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力，都通过轮毂传递到传动系统，再传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片桨距（是叶片做俯仰转动）的所在。

图2.5 轮 毂

2．传动系统

叶轮产生的机械能由机舱里的传动系统传递给发电机,风力机的传动系统一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴器、制动器和安全过载保护装置等组成。齿轮用于增加叶轮转速,从20到50r/min增速到1000到1500r/min,驱动发动机。齿轮箱有两种:平行轴式和行星式。但有些风力机的轮毂直接连接到齿轮箱上，不需要低速传动轴。还有些风力机（特别是小型风力机）设计成无齿轮箱的，风轮直接连接发电机。

传动系统要按输出功率和最大扭矩载荷来设计。 3．偏航系统（对风装置）

偏航系统主要有两个作用：其一是风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率；其二是提供必要的紧缩力矩，以保障风力发电机组的安全运行。

偏航系统工作原理：风向标作为感应元件，对应每一个风向都有一个相应的脉冲输出信号，通过偏航系统软件确定旋转方向和偏航角度，风向标将风向变化用脉冲信号传递到偏航点击的控制回路的处理器里，经过偏航系统调节软件比较后处理给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，风机转速将通过同轴连结的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对准风向，当对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。

4．液压和制动系统

液压系统的主要功能是向制动系统或液压、伺服变桨距控制系统的工作油缸提供压力油，由电动机、油泵、油箱、过滤器、管路及各种液压阀组成。

制动系统主要分为空气动力制动和机械制动两部分。 5．发电机

发电机是将叶轮转动的机械动能转换为电能的部件。齿轮箱高速轴和发电机轴通过柔性联轴器连接，发电机通过四个橡皮减震器与机舱底盘连接，这种结构可以有效地降

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低发电机噪声。风电机组要求发电机在负荷相对较低的情况下，仍保持有较高的效率，因为风电机组大多数时间内在较低风速下运行。

风力发电机系统包括发电机、变流器、水循环装置（水泵、水箱）或空冷装置。常见的发电机由异步发电机和同步发电机两种。

6．控制系统

控制系统利用微处理机，逻辑程序控制器或单片机通过对运行过程中输入信号的采集、传输、分析，来控制风电机组的转速和功率，如发生故障或其他异常情况能自动地检测并分析确定原因，自动调整排除故障或进入保护状态。

其主要任务是自动控制风电机组运行，依照其特性自动检测故障并根据情况采取相应的措施。主要包括控制和检测两部分。根据风电机组的结构和载荷状况、风况、变桨变速特点及其他外部条件，将组的运行情况主要分为以下几类：待机状态、发电状态、大风停机方式、故障停机方式，人工停机方式和紧急停机方式。

7．机舱

机舱的布置应遵循以下原则： (1) 操作和维修方便。 (2) 功能效率要求高。

(3) 尽量保持机舱静平衡，使机舱的重心位于机舱的对称面内，在塔架与风轮之间偏塔架轴线一方。这样便于吊具设计、机舱吊装，并有利于偏航回转装置负载均匀。

图2.6 机舱布置图

1—轮毂2—增速3—机舱罩4—联轴器5—电控系统6—发电机7—冷却器 8—泵站 9—偏航驱动 10—偏航制动 11—偏航轴承 12—底座 13—弹性底座 14—叶片

8．塔架与基础

塔架是支持风轮、发电机等部件的架子，还承受风向风力机和塔架的风压及风力机运行中的动载荷。塔架不仅要有一定的高度，使风力机处于较为理想的位置上（及涡流

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该种方式实际上是在“两三点式点式”的基础上省去了一个主轴的轴承，由主轴前端轴承和齿轮向两侧的支架组成 该种布置不需主轴，风轮法兰直接通过一个大轴承支撑在机架上 ①缩短轴向尺寸 ②简化了结构 ①对齿轮箱的承载能力要求高 ②噪声大 3.3 增速齿轮箱传动系统的典型结构型式及分析

风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可分为圆柱齿轮箱、行星齿轮箱以及他们相互组合起来的齿轮箱；按照传动的技术分为单机和多级齿轮箱；按照传动的布置形式又分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等[3]。

近年来，风力发电机组已发展到兆瓦级，下面就兆瓦级风电机组齿轮箱予以简单的介绍。

1．一级行星和两级平行轴齿轮传动

一级行星和两级平行轴齿轮传动形式，其传动原理简单的概括为，行星架将风轮动力传至行星轮（通常设置三个行星轮），再经过中心太阳轮到平行轴齿轮，经两级平行轴齿轮传递是高速轴输出。图3.2的视图显示了动力传递和增速线路以及齿轮箱结构。

机组的主轴与齿轮箱输入轴（行星架）利用胀紧套连接，装拆方便，能保证良好的对中性，且减少应力集中。在行星齿轮级中常利用太阳轮的浮动实现均载。这种结构在

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齿轮箱的输入轴不会因弯曲力矩而变形 一点式①传动链的前轴承、齿轮箱不需主轴，齿轮箱箱体和机舱支架做成一体 和箱架合的机架结构设计传动装置紧凑 难度加大 ②对零件的强度和性能的要求较高 该种布置是将主轴、主轴①结构紧凑②风轮与主轴装配方便 ③齿轮箱内齿轮采用集中强制润滑，润滑①齿轮箱外形尺寸和重量大 ②制造成本相对较高 ③风轮载荷直接作用在齿内置式承与齿轮相集成在一起，主轴内置于齿轮箱内，主轴与第一级行星轮采用花键或过盈连接，风轮载荷效果好 ④现场安装、轮箱箱体上，度齿轮和轴承的运转影响较大 通过箱体传到主轴机架上 维护工作量小

1～2MW的机组中应用较多。

图3.2 一级行星和两级平行轴齿轮传动齿轮箱

2．两级行星齿轮和一级平行轴齿轮传动

两级行星齿轮和一级平行轴齿轮传动型式，采用了两级行星齿轮增速可获得较大增速比，实际应用时在两行星级之外加上一级平行轴齿轮，错开中心位置，以便利用中心通孔通入电缆或液压管路。图3.3的视图显示了其动力传递和增速线路以及结构。

图3.3 两级行星和一级平行轴齿轮传动箱齿轮

3．内啮合齿轮分流定轴传动

内啮合齿轮分流定轴传动是将一级行星和两级平行轴齿轮传动结构的行星架与箱体固定在一起，行星轮轴也变成固定轴，内齿圈成为主动轮，动力通常由三根齿轮分流传至同轴连接的三个大齿轮，再将动力汇合到中心轮传至末级平行轴齿轮。这种传动方式也通常用于半直驱机组的传动装置中。

由内齿圈输入，将功率分流到几个轴齿轮，再从同轴的几个大齿轮传递到下一级平行轴齿轮，相当于行星架固定，内齿圈作为主动轮，再排行星齿轮变为定轴传动。这种装置由于没有周转轴，有利于布置润滑油路。另外从结构上看各个组件可独立拆卸，便于在机舱内进行检修。

4．分流差动齿轮传动

对于分流差动齿轮传动方式可以通过图3.4来了解，如图所示，则是利用差动和行

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星齿轮传动进行动力分流和合流的传动方式，可在结构设计中增加行星轮的个数，并采用柔性行星轮轴，是载荷分配更加均匀，用于较大功率场合。由图中可以看出，行星架传入的动力一部分经行星轮左侧传至太阳轮，另一部分通过与行星架项链的大内齿圈经一组定轴齿轮传至太阳轮，由于差动传递的作用，两部分的动力在此合成输出，传至末级平行轴齿轮。

图3.4 内啮合齿轮分流定轴传动

3.4 增速齿轮箱传动系统设计

随着风力发电技术的日趋成熟，风电机组正向大型化发展，由于风能资源一般分布在环境相对极其恶劣、人烟稀少的极地地方，而风电场的安置又必须以风能的分布为先决条件。所以，相对来说，鉴于对风力机的装机、传动效率、维护、维修方面的原因，提高风力机的可靠性是不容置缓。如第二章中所述，现代风力机的结构形式依据有无齿轮箱可分为带增速齿轮箱风电机组、直驱风电机组和半直驱风电机组。

由其特性可知，尽管直驱式风电机组具有简化传动结构的特点，在风力发电机组容量越来越向大型化发展的今天，过于庞大的低速发电机造成的运输、吊装难题，加上较高制造成本的条件限制，不得不回过头来思考如何减小机构的体积和重量以及降低成本的途径。适当运用齿轮增速或利用功率分流的方法是解决问题的思路之一。 3.4.1 设计的主要内容

与其它工业齿轮箱相比,由于风电齿轮箱安装在距地面几十米甚至一百多米高的狭小机舱内,其本身的体积和重量对机舱、塔架、基础、机组风载、安装维修费用等都有重要影响。同时,由于维修不便、维修成本高,通常要求齿轮箱的设计寿命为20年,对可靠性的要求也极其苛刻。因此，总体设计阶段应在满足可靠性和工作寿命要求的前提下,以最小体积、最小重量为目标进行传动方案的比较和优化；结构设计应以满足传递功率

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和空间限制为前提,尽量考虑结构简单、运行可靠、维修方便。

由于叶尖线速度不能过高,因此随着单机容量的增大,齿轮箱的额定输入转速逐渐降低,兆瓦以上级机组的额定转速一般不超过20r/ min。另一方面,发电机的额定转速一般为1500或1800r/ min ,因此大型风电增速齿轮箱的速比一般在75～100左右。为了减小齿轮箱的体积,500kW 以上的风电增速箱通常采用功率分流的行星传动；500kW～1000kW常见结构有一级行星和两级平行轴以及二级行星和一级平行轴传动两种形式；兆瓦级齿轮箱多采用一级行星和两级平行轴传动的结构。由于行星传动结构相对复杂,而且大型内齿圈加工困难,成本较高,即使采用2级行星传动,也以NWG传动形式最为常见[6]。

结合以上分析，设计此次的增速齿轮箱的传动方式采用行星轮系，以图3.5作为参考传动方案，初步拟定定轴部分采用减速器的设计方法，再结合书籍资料完成风力发电齿轮箱的设计，校核，CAD二维的装配图及其零件图 。

关于行星轮系的传动比，及齿轮的计算，会参照《机械原理》《机械设计手册》等一些书籍的部分内容进行，还有关于轴的计算等。有关设计的主要参数如表3.2所示。

表3.2 齿轮箱设计的重要参数

输入功率 输入转速范围 风轮转速 传动形式 总传动比 发电机型号 发电机额定功率 发电机转速范围 发电机额定转速 0.55kW 10～20r/min[5] 18r/min 一级行星和两级平行定轴 100 FG500M46-4RB+KK 1560kW 1000～2000r/min 1800r/min 由于风力发电机组运转的环境非常恶劣，受力情况复杂，要求所用的材料除了要满足机械强度条件外，还应能满足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。并且外齿轮制造精度不低于6级，齿面硬度58～62HRC。同时，为了提高承载能力，所以，齿轮、轴类采用合金钢制造，具体为外齿轮采用20CrMnMo材料，内齿圈和轴类零件采用42CrMo材料。

18

表3.3 所选材料的部分特性[8]

截面尺寸 钢号 热处理状态 直径 D/mm 20CrMnMo 渗碳+正火+ 30 低温回火 ≤100 壁厚 s/mm 15 ≤50 σb /N·mm-2 ≥1079 ≥834 ≥785 ≥7 力学性能 σs δ5 /% ψ ak /J·cm-2 硬度 HBS ≥40 ≥39.2 58.8 39.2 39.2 表56～62HRC 心28～33HRC 207～269 207～269 207～269 ≥490 ≥15 ≥40 ≥39.2 ≥14 40 ≥14 35 10 30 490 441 100～250 50～125 42CrMo 调质 735～883 589 250～300 125～150 637 300～500 150～250 588 3.4.2 齿轮增速传动系统设计

根据设计要求，即发电机的转速要求达到2000r/min左右，依据现有风力机相对应的发电机的功率及额定转速选取1.5MW双馈异步风力发电机，包括常温型、防盐雾性、低温型。一般对于兆瓦级风电齿轮箱，传动比一般多在100左右，传动系统多采用行星传动，因为行星传动具有以下优点：

第一，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；

第二，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； 第三，运动平稳、抗冲击和振动能力较强。

在具有上述特点和优越性的同时，行星齿轮传动也存在一些缺点：结构形式比定轴齿轮传动复杂；对制造质量要求高；由于体积小，散热面积小，导致油温升高，故对于润滑与冷却装置要求严格。而这两种行星传动与平行轴传动相混合的传动形式，综合了两者的优点。

因此，依据提供的技术数据，设计齿轮箱的传动比为1:100，由于增速比较大，按照此传动比，齿轮箱的传动结构形式可设计为：一级行星和两级平行轴传动[7]。

图3.5 一级行星+两级平行轴传动简图

19

3.4.2.1 传动比的分配

根据设计参数，已知风轮转速为n发=18r/min，电动机转速nm =1800r/min 则总传动比i=

n f1= nm100合理的分配传动比是传动系统设计的一个重要问题。它将直接影响到传动系统外廓尺寸重量、润滑及传动机构的中心距等多方面。所以为了使齿轮传动系统结构紧凑，外形轮廓尺寸相对较小，所一般对增速传动系统于传动比的分配是高速级的传动比低于低速级。因此依据定轴轮系传动比的分配范围选取合理的传动比，选取 两级定轴传动比 i定=i2×i3=4×4

则一级行星齿轮传动比 iⅠ=100÷（4×4）≈6.25 3.4.2.2 行星齿轮选用满足的几何条件

行星齿轮传动由于多对齿轮同时参与啮合承受载荷，要实现这一目标行星轮系各齿轮齿数必须要满足一定的几何条件。

(1) 保证两太阳轮和系杆转轴的轴线重合，即满足同心条件Zs+2Zp=Zr。

(2) 保证3个均布的行星轮相互间不发生干涉，即满足邻接条件：

180?（Zs+Zp）sin>Zp+2 ha*

k(3) 设计行星轮时，为了不使行星轮各基本构件所受径向力平衡，各行星轮在圆周上应均匀分布或对称分布，即满足均布条件：保证在采用多个行星轮时，各行星轮能够均匀地分布在两太阳轮之间，即满足安装条件（Zs+Zr）/K=P， P为整数。装配行星轮时，为使各基本构件所受径向力平衡，各行星轮在圆周上应均匀分布或对称分布。

(4) 保证轮系能够实现给定的传动比i1H，即满足传动比条件。当内齿圈不动时有Zr/Zs=i1H-1

以上各式中：Zs为中心太阳轮齿数；Zp为行星轮齿数；Zr为内齿圈齿数；K为行星轮

个数；ha*为齿顶高系数。

3.4.2.3 传动部分参数计算

1．各轴的转速n（r/min）

高速轴Ⅳ的转速 nⅣ=nm =1800r/min

20

中间轴Ⅲ的转速 nⅢ=nⅣ/i3

低速轴Ⅱ的转速 (太阳轮S所在轴) nⅡ=nⅢ/i2 行星架的转速 nⅠ=n风

式中：nm为发电机的转速； n风为风轮的输入转速；i3为定轴平行轴间传动比；i2为太

阳轮与低速轴间传动比。 2．各轴的输入功率P（kW）

风轮的输入功率 PⅠ=0.55 kW 低速轴Ⅱ的输入功率 PⅡ=PⅠ?c?m?g?S?1 中间轴Ⅲ的输入功率 PⅢ= PⅡ?2?g?2 高速轴Ⅳ的输入功率 PⅣ= PⅢ?g?c

式中：?c为联轴器的的效率；?g为一对轴承的效率；?m为考虑齿轮啮合摩擦损失的效

率；?s为考虑润滑油搅动和飞溅的液力损失的效率；?1低速级齿轮传动的效率；

?2为高速级齿轮传动的效率。

3．各轴的输入转矩

风轮的输入转矩 TⅠ=9550 PⅠ/ nⅠ 低速轴Ⅱ的输入转矩 TⅡ=9550 PⅡ/ nⅡ 中间轴Ⅲ的输入转矩 TⅢ=9550 PⅡ/ nⅡ 高速轴Ⅳ的输入转矩 TⅣ=9550 PⅢ/nⅢ

表3.4 传动参数的数据表

项目 功率P/kW 转矩T/(N·m) 转速n/(r/min) 传动比i 效率 ? 3.4.2.4 齿轮参数确定

1．行星轮系的齿轮参数

根据行星轮系的传动所需要满足的条件确定所需参数。在前面已经确定一级行星轮

21

风轮轴Ⅰ 低速轴Ⅱ 中间轴Ⅲ 高速轴Ⅳ 0.55 291.80 18 6.25 0.95 0.52 44.14 112.5 4 0.97 0.51 10.82 450 4 0.98 0.50 2.65 1800 发电机 额定1560 — 1800 — 0.96

的传动比为i1=6.25，则其转化轮系的传动比，依据《机械设计手册》（第五版）中第五章，渐开线圆柱齿轮行星传动，参照表14-5-5，NGW型行星齿轮传动的齿数组合，选取齿数组合为当P=3，且将传动比圆整为i1=6.26时，ZS=23，ZP=49，ZR=121.传动比误差为0.14%，远远小于要求的不应超过其范围的4%，在合理的范围之内[8]。

(1) 选定齿轮类型，精度等级，材料 1）选择直齿轮圆柱齿轮。 2）齿轮精度等级为6级精度。

3）材料选择为20CrMnMo，硬度为表56～62HRC，心28～33HRC，热处理应为渗碳+淬火+低温回火。

(2) 按照齿面接触强度初算S-Pi传动中心距和模数[8]

输入转矩 则在一对S-Pi传动中，传递给小齿轮（太阳轮）的转矩为 TⅠ=9550 PⅠ/ nⅠ=291.8 N·m 设载荷不均匀系数 KC=1.15 齿数比 ?=

ZP49=≈2.13 ZS23太阳轮和行星轮的材料选用如上表所示，齿面硬度具体要求：太阳轮59~63HRC,行星轮为53~58HRC；?Hlim=1500MPa，

许用接触应力 ?HP=0.9?Hlim=1500×0.9=1350MPa 取齿宽系数?a=1，载荷系数K=1.8，则中心距

a?Aa(??1)3KTI2?s??Hp=483×（2.13+1）31.8?291.8=97.78mm

0.5?2.13?13502模数m=

2a=2.71 mm，依据GB/T 1357-1987，取标准模数m=3mm

ZS?ZP为提高啮合齿轮副的承载能力，将Zp减少2个齿，改为Zp=47，并进行不等角变位，则S-Pi传动未变位时的中心距为

m3asp?(ZS?ZP)=（23+47）=105mm

22根据系数j=

Zr?ZpZs?Zp=

121?47= 1.05，查图14-5-4，预取啮合角?sp=25?， 则?pr=17.3?

23?4722

S-Pi传动中心距变动系数为

1cos?1cos20?ysp?(ZS?ZP)?(?1)=?(23?47)?(?1)=1.289 ??2cos?sp2cos25则中心距 a?=asp+yspm=105+1.28×3=108.867mm 取实际中心距为 a?=109mm

?(3) 计算S-Pi传动的实际中心距变动系数y?sp和啮合角?sp

y?sp=

a??aspmaspa=

109?105=1.33 3105cos20?=0.90528487 109??cos?spcos?=

?=25?8?55?? ?sp(4) 计算S-Pi传动的变位系数

x?sp?(ZS?ZP)??in?in?vspv2tan?inv25?8?55???inv20?=(23+47)=1.2 ?2tan20

用图14-5-5校核，z?sp=70 和x?sp= 1.2 均在许用区内，可用。根据x?sp= 1.2 ，实际的?=

47= 2.04 ，在图14-5-5中，x?纵坐标上 处用作水平直线与③号斜线23（??1.6~2.2）相交，其交点向下做垂直线，与x1横坐标的交点即为太阳轮的变为系数

xs=0.55，行星轮的变位系数为：xp=x?sp-xs=0.65

(5) 计算Pi-R传动的中心距变位系数ypr和啮合角??pr Pi-R传动未变位时的中心距为：apr= 则 ypr=

a??aprmapra?m3(Zr?Zp)=(121?47)=111mm 22=

109?111=—0.67 3111cos20?=0.956934687 109 cos??pr=

cos?=

∴ ??pr=16?52?15?? (6) 计算Pi-R传动的变位系数

23

x?pr=(Zr?Zp)inv??pr?inv?2tan?inv16?52?15???inv20?=（121－47）=－0.62

2tan20?xr=x?pr+xp=－0.62+0.65=0.03

(7) 计算几何尺寸

1) 计算r、s、p齿轮的分度圆直径、齿顶圆直径、端面重合度 齿顶高变动系数： ?y=（x2?x1）－y

??x1??y)m=1+ 齿顶高： ha1?(ha??x2m?y)m ha2?(ha齿根高：

?hf1?(ha?c??x1)mhf2?(h?c?x2)m?a?

齿高 ：

h1?ha1?hf1h2?ha2?hf2

则分度圆： 由式 d?mz

分别计算得 ds=69mm dp=141mm dr=363mm 齿顶圆直径：由式 da=d+2ha

da?d?2ha

分别计算得 das=79mm dap=153mm dar=357mm

齿根圆直径：由式 df?d?2hf df?d?2hf 分别计算得 dfs?57mm dfp=127mm dfr=373mm 端面重合度：由式???1[z1(tan?a1?tan??)?z2(tan?a2?tan??)] 2? 分别计算得 ??=0.3714

2) 计算齿宽：选取齿宽系数?d=1，由式b??dds 计算齿宽得 b=141mm

为了防止大小齿轮因装配误差产生轴向错位时导致啮合宽度减小而增大轮齿单位齿宽的工作载荷，常将小齿轮的齿宽人为地加宽5~10mm。

24

因此取实际齿宽为：BS=135mm,BP=145mm，Br=140mm

(8) 验算S-Pi传动的接触强度 1) 分度圆上名义切向力Ft

Ft?2) 使用系数KA

依据机械设计手册，查表14-1-71，取K,A=1.5

3) 动载荷系数KV 齿轮线速度 v?3.14?130?128=0.87m/s

60?100060?10002000TS2000?1006.71==15488 N das130?dsns=

由设计手册表14-1-80公式计算传动精度系数C

C??0.5048In(z)?1.144In(m)?2.85In(fpt)?3.2 式中z=26,m=5, 代入数值计算 C=7.25 圆整 C=H=7

4) 螺旋线载荷分布系数KH?和齿间载荷分配系数KH? 由机械设计手册，表14-1-87查得

S-P 传动 KH?c?4000b2x?crfma ?1?npx??5.12()?3?Eds2Fm/bx?crfma2Fm/b，且KH?≥1.05

P-C传动 KH??1? 式中，np为行星轮个数

由机械设计手册，查表14-1-29

5) 节点区域系数ZH和弹性系数ZE

KAFt1.5?15488==179 N 查表取KH?=1.0 b130 由机械设计手册，查图14-1-76 ZH=2.47 由表14-1-95 ZE=188.9N/mm2

25

6) 重合度系数Z?

由前已知端面重合度??=0.3174 则查图14-1-79 Z?=0.775 7) 计算接触应力

?Hs?ZBKAKVKH?KH?ZHZEZ?Ft??1 ?dsb?Ft??1 ?dPb??Hp?ZDKAKVKH?KH?ZHZEZ?8) 寿命系数ZNT

应力循环次数NLS?60nst

NLp?60npt

由机械设计手册，查表14-1-96公式计算 ZNTS1090.0706 ?()NLS910 ?()0.057NLP ZNTP9) 齿面工作硬化系数ZW和尺寸系数Zx

由图14-1-90 ZWs=ZWp=1.12 由表14-1-99 Zx=1.076-0.0109m=1.02

10) 安全系数SH

SHS??HlimSZNTSZLZVZRZWSZX=1.33

?HSSHP??HlimPZNTSZLZVZRZWPZX=1.4

?HPSHS、SHP均达到表14-1-100规定的较高的可靠度时，最小安全系数

SHmin=1.25～1.30的要求。齿面接触强度核算通过。

2．平行轴齿轮参数设计

26

由于在本次设计中采用的是一级行星齿轮+两级平行轴定轴传动型式，在前面已经对行星轮系参数等进行了一系列的计算，对于后两级平行轴间的两对啮合的齿轮，初步采用相同的设计、计算参数，所以以高速轴为例进行设计、计算。

注：依据传动图，与太阳轮所在齿轮轴上的大齿轮为编号1，与其啮合的小齿轮为2号，相对应的中间轴上大齿轮为3号，则高速轴上的小齿轮为4号，具体如图3.5所示。

(1) 选定齿轮类型，精度等级，材料及其齿数；

输出功率 PⅣ=0.5kW,小齿轮转速为1800r/min,传动比为i=4,工作预寿命20年。 1）选择斜齿轮圆柱齿轮。 2）齿轮精度等级为6级精度。

3）材料选择为20CrMnMo，硬度为表56～62HRC，心28～33HRC，热处理应为渗碳+淬火+低温回火。

4）选小齿轮齿数Z4=19，齿轮3齿数Z3=19×4=76 5）初选螺旋角??14?

(2) 按照齿面接触强度设计[9]

由设计公式

3 d1t≥2.32ZHZE?2k1T1??1? 进行计算。 ????d?d?????H??21） 确定公式内的各计算数值

① 选载荷系数Kt以及重合度 ?d =1.62

由于冲击载荷较大，故选取Kt=2 ， ② 计算小齿轮传递的转矩T4。

95?5?105P95.5?105?0.54T4= == 2653N·mm

n18004③ 由表10—7 选取齿宽系数?d=1.

④ 由表10—6查得，选取材料的弹性影响系数ZE=188MPa.

⑤ 由表3-3查得齿轮的接触疲劳强度极限?Hlim4??Hlim3? 785 N/mm2. ⑥ 计算应力循环次数N.

1227

则 N=60n4jLh

⑦ 计算接触疲劳许用应力。

取接触疲劳寿命系数KHN1=KHN2=0.90，且取失效概率为1%，安全系数[10]

S=1.5，由式 [?H]=

KHN1?lim1 S计算得 ??H?4=??H?3=0.9×785/1.5=471N·mm 2) 计算

① 试计算小齿轮分度圆直径d1t ，代入[?H]中较小的值。

3d1t≥2.32ZEZH2k1T1??1???d?d?????H?= 4.56m/s

??? =48.34mm ?2② 圆周速度 ?=

?d1tn160?1000 计算齿宽b=?d?d1t=38.672mm ③ 计算齿宽与齿高之比。 模数mt=

bhd1t=2.54mm z1bh 齿高h?2.25mt?6.75mm 则齿宽与齿高之比=5.73 ④ 计算纵向重合度??

?=1.205 ???0.318?dz4tan⑤ 计算载荷系数k?kAkVkH?kH??1.443。则按实际的载荷校正所得算得的分度圆直径，由式（10-10a）得 d4=d1t3K?53.9mm，取d4=54mm Kt 计算模数 mn=

(3) 按齿根弯曲强度计算 由式 mn?d1cos?=2.76mm z12KT4Y?cos2?YFaYSa2?dz4????H?

28

1) 确定式中计算参数

① 计算载荷系数K。K?KAKVKF?KF?=2.1 ② 由纵向重合度计算??=1.025，查得Y?=0.88 ③ 计算当量齿数 ZV4?Z3Z4Z?=20.80 =83.19 V333cos?cos?④ 查取齿形系数YFa1=2.76 YFa2=2.22 ⑤ 查取应力校正系数YSa1=1.56 YSa2=1.77 ⑥ 计算大、小齿轮的2) 设计计算

YFaYFa并加以比较，大齿轮的大。 [?F]计算mn?1.568 ，由齿面接触疲劳强度的法面模数mn大于由齿根弯曲强度计算的法面模数，取mn=2.0mm，以可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度计算的分度圆直径d4=53.9mm来计算应有的齿数。于是由式

Z4? 则几何尺寸计算

① 计算中心距 a?d4co?s=26.19，Z4=26，取则Z3=104 2

(Z3?Z4)mn=133.98，圆整后为a?134mm

2cos?② 按圆整后的中心距计算螺旋角?=14?2?5?? ③ 计算大小齿轮的分度圆直径 d4?Z4mnZm=53.6mm d3?3n=214.4mm cos?cos?④ 计算齿轮宽度 由式b??dd计算b=42.88mm 则取 b4=55mm b3=50mm

两平行定轴级的两对齿轮系参数为：

mn?2， ?=14?2?5??，Z1=Z3=104，Z2=Z4=26，d1=d3=208

d2=d4=52mm，中心距a=134mm，则取 b4=55mm b3=50mm 3．齿轮轴的设计

29

(1) 行星架结构的设计[8,11,12]

行星架是行星齿轮传动中结构比较复杂的一个重要零件。在最常用的NGW型传动中，它也是承受外力矩最大（除NGWN型外）的零件。行星架有双臂整体式、双臂剖分式和单臂式三种形式。为了使齿轮箱整体结构简单，便于维护，这里采用双臂剖分式。

(2) 高速轴的设计

最小轴直径的设计计算公式d?A3转速nm=1800r/min ，A取115

所以d=7.51mm,由于轴的末端要与联轴器相连，需开键槽，又根据发电机的功率选择，所以d=12mm

P（A=105~115），功率P=0.5KW， n(3) 中间轴的设计

最小轴直径的设计计算公式d?A3转速nm=450r/min ， A取115

所以d=11.98mm，又根据轴承载荷选择，所以d=15mm 注：以上设计结构图及装配图见附图。 3.4.3 箱 体

箱体是齿轮箱的重要零件，它承受来自风轮的作用力和齿轮传动是产生的反力。箱体必须有足够的刚性去承受力和力矩的作用，防止变形，保证传动质量。箱体的设计应按照风力发电机组动力传动布局、加工和装配、检查以及维护等要求来进行。应注意轴承支承和机座支撑的不同方向的反力及其相对值，选取合适的支撑结构和壁厚，增设必要的加强筋。采用铸铁箱体可发挥其减震性，易于加工等特点，适于批量生产。常用的材料有球墨铸铁和其他高强度铸铁。设计铸造箱体时避免壁厚突变，减少壁厚差，以免产生缩孔和疏松等缺陷，用铝合金或其他轻合金制造的箱体，可使其重量较铸铁轻20%～30%，但从另一个角度考虑，轻合金铸造箱体，降低重量的效果并不明显。这是因为轻合金铸件的弹性模量较小，为了提高刚性，设计时常需要加大箱体的受力部分的横截面积，在承受座处加装钢制轴承套，相应部分的尺寸和重量都要加大。单件小批量生产时，常采用焊接或焊接与铸件相结合的箱体。为了减少机械加工过程中和使用中的变形，防

P（A=105~115），功率P=0.51KW， n30

止出现裂纹，无论是铸造或是焊接箱体均应进行退火，时效处理，以消除内应力。为了便于装配和定期检查齿轮的啮合情况，在箱体上应设有观察窗。基座旁一般设有连体吊钩，供起吊整台齿轮箱用。 3.4.4 齿轮箱的冷却和润滑

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。

接触式密封使用的密封件应密封可靠，耐久、摩擦阻力小。容量制造和装拆，应能随压力的升高二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。本次设计采用接触式密封方案。

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起到足够的保护作用。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。此外还应具有以下功能：①减少摩擦和磨损，具有高强度的承载能力，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和点蚀，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。 3.4.5 齿轮箱的使用及其维护

1．安装要求

齿轮箱的主动轴与叶片轮毂的连接必须可靠紧固。输出轴若直接与电机连时，应采用合适的联轴器，最好的弹性联轴器，并串联起来保护作用的安全装置。齿轮箱轴线上和与之相连的部件的轴线应保证同心，其误差不得大于所选联轴器的齿轮箱的允许值，齿轮箱体上也不允许承受附加的扭转力。齿轮箱安装之后用人工搬运应灵活，无卡滞现

31

象。打开观察窗盖检查箱体内部件应无锈蚀现象。用涂色发检验，齿面接触斑点应达到技术条件的要求。

2．定期更换润滑油

第一次换油应在首次投入运行500h之后进行，以后的换油周期为每5000-10000h。在运行过程中也要注意箱体内油质的变化情况，定期取样化验，若油质发生变化，氧化生成物过多并超过一定比例时，就应及时更换。齿轮箱应每半年检修一次，备件应按照正规图纸制造，更换新备件后的齿轮箱，其齿轮啮合情况符合技术条件的规定，并经过试运转与载荷试验后再正式使用。

齿轮箱的常见故障有齿轮损伤、轴承损坏、断轴和渗透油、油温高等。

3.5 联轴器的选用

风力发电机传动系统中，联轴器主要用于连接风轮轴与行星架或者高速轴与发电机，对效率的传动要求高，且由于风能的不稳定性，起动频繁。而弹性柱销联轴器传递转矩的能力大，结构更为简单，安装、制造方便，耐久性好，弹性柱销有一定的缓冲和吸振能力，允许被连接两轴有一定的轴向位移以及少量的径向位移，适用于轴向窜动较大、正反转变化较多和起动频繁的场合。故选弹性柱销联轴器。

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总结与展望

本次设计从开题报告、初稿、二稿、三稿再到定稿，总共历时三个月，从时间上来说，的确有点紧张，以至于在设计的很多地方，我觉得做得很是不到位，比如轴的校核计算、装配图绘制的还不够完善。不过，在导师的悉心指导下，已经弥补了很多的不足。从内容上讲，还算比较充实的。因为设计的完成是建立在导师的精心指导和我本人广泛的查阅文献资料上。所以总的来说，在本次设计中，我还是获益匪浅，真正的是对我大学四年的所学知识的一个综合，不止是本专业，还包括计算机方面的应用知识。下面主要就设计内容总结。

本次设计以风力发电机的传动系统为主要研究对象，在充分了解风力发电机的结构组成以及工作原理的基础上，进行增速齿轮箱的设计。

论文的前两章对风力发电机的发展及结构做了一个大概的介绍，然后，在第三章展开本次设计的重点。在设计时，主要遇到以下问题。

第一，在传动比方面的分配。目前MW级风力发电机，对于双馈式，由于采用增速齿轮箱，如前所述采用的是行星轮系与定轴轮系混合式的传动型式，在传动比的分配上一般是前一级的传动比高于后一级。但在本次设计中，采用的是行星轮系和两级平行定轴轮系相混合的传动型式，分配传动比时，高速级与低速级采用相同的传动比，在最后的设计中校核中发现由于中间轴所受转矩高于高速轴，因此轴径应比高速轴大。

第二，在轴承的选取上，风力发电机一般采用调心滚子轴承，但由于时间问题，在进行设计选用时，找不到有关于调心滚子轴承的计算数据，因此就用圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承代替。

第三，对于本文设计中所用到的图、表，本想从参考文献中罗列出来，但是由于时间仓促，只能在设计计算过程中标明出处。

第四，对于双馈式风力发电机，由于齿轮箱的存在，在传动过程中，功率的有效传递很难达到理想的97%。但当采用行星轮与定轴轮系相混合的传动型式时，通过功率分流的方式可以提高传动效率,但仍然难以达到97%。

最后，在风力发电机越来越向大功率、变桨距发展的今天，齿轮箱作为传动系统的重要部件，随着经济、技术的发展，从材料、传动可靠性、再到传递效率，将呈现精密化、可靠性高、传递效率大的趋势。风力发电也必将成为各国家的重要发电产业之一。

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参考文献

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致谢

不知不觉，一学期已将近过半，我的毕业论文也已经整理完毕，毕业论文的完成意味着我的大学学习生活即将结束，从此我将进入一个新的人生旅途、开始一段崭新的生活和工作。在此，我衷心地感谢所有在我做毕业论文期间帮助过我的人。

首先我要感谢我的指导同长虹教授，感谢他的大力帮助和支持。在整个设计过程当中，同教授在大局上指导我毕业设计的每一进程，还在百忙中抽空为我答疑解难，帮我分析讲解毕业设计中所遇到的问题。不仅如此，同教授还无私的给我提供了丰富的学习资源和良好的学习环境，为我的毕业设计带来了很大方便。同时在我完成毕业设计的过程中提供了很多指导性的意见，使我受益匪浅。另外，同教授渊博的学识、严谨的治学态度和为人给了我很大的教育，这些将使我终身受益。再此，我衷心感谢同教授给予我的帮助和教育。

其次我要感谢我的所有任课老师，在我求学的四年期间，是他们用辛勤的汗水教导了我，是他们用宽容、认真的态度一直感染着我。他们不仅仅教给我知识，还有生活的态度，做人的道理，指引了我人生的道路。

此外，我还要感谢曾经帮助过我的同学，谢谢他们给予我的无私的帮助。他们的一些建议使得我的毕业设计能够顺利完成并有创新。在此，我真诚地感谢他们。

最后，我要感谢我的母校——兰州城市学院，在校期间，这里给我留下了美好的回忆。特别是在我即将踏上工作岗位的同时，毕业设计整个过程给了我这样一个锻炼的机会，使我加深了对以前知识的理解和巩固，拓宽了知识面，也提高了我对所学知识的综合应用能力。我要对母校说：母校有我三五载，我爱母校一万年。祝愿母校能够培养更多对社会有贡献的人才！

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附录

附图1：高速轴 附图2：中间轴 附图3：齿轮 附图4：轴承端盖

附图5：轴承端盖（带装轴承孔）附图6：行星架装配图 附图7：总装配图

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