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湖 南 科 技 大 學(xué)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（ 論 文 ）
題目
5MW風(fēng)電增速箱設(shè)計(jì)
作者
李經(jīng)緯
學(xué)院
機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)號(hào)
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(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
機(jī)電工程 學(xué)院 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)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(hào): 1103010505 專業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
1 設(shè)計(jì)（論文）題目及專題： 5MW風(fēng)電齒輪增速箱設(shè)計(jì) (一級(jí)行星輪系)
2設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間：自 2014 年 12 月 12 日開(kāi)始至 2015 年 05 月 26 日止
3 設(shè)計(jì)（論文）所用資源和參考資料：
① 5MW傳動(dòng)系統(tǒng)葉片額定轉(zhuǎn)速12.1rpm，額定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1173.7rpm，齒輪箱傳動(dòng)比為97:1，采用一級(jí)行星輪系和二級(jí)斜齒輪形式；
② 國(guó)外REpower 5MW、Multibrid M5000等風(fēng)電機(jī)組齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)資料；相關(guān)教材，如《海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)》、《風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行)》等；圖書(shū)館電子資源數(shù)據(jù)庫(kù)搜集到的期刊論文，博士、碩士學(xué)位論文等。
4 設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：
1) 完成5MW風(fēng)電齒輪箱傳動(dòng)比分配等設(shè)計(jì)與計(jì)算；
2) 完成傳動(dòng)軸、齒輪、軸承等關(guān)鍵傳動(dòng)零部件的選擇、設(shè)計(jì)、計(jì)算與校核；
3) 查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)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(jì)（論文）形式（設(shè)計(jì)說(shuō)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(jì)，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(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)一份，畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的書(shū)寫(xiě)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(jì)（論文）要求與撰寫(xiě)規(guī)范》，說(shuō)明書(shū)不少于40頁(yè)。
6 發(fā)題時(shí)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(jì)（論文）指導(dǎo)人評(píng)語(yǔ)
[主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作態(tài)度，研究?jī)?nèi)容與方法，工作量，文獻(xiàn)應(yīng)用，創(chuàng)新性，實(shí)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(píng)價(jià)]
指導(dǎo)人： （簽名）
年 月 日
指導(dǎo)人評(píng)定成績(jī)：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱人評(píng)語(yǔ)
[主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究?jī)?nèi)容與方法，實(shí)用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)]
評(píng)閱人： （簽名）
年 月 日
評(píng)閱人評(píng)定成績(jī)：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄
日期：
學(xué)生： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)：
題目：
提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)下列材料：
1 設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 共 頁(yè)
2 設(shè)計(jì)（論文）圖 紙 共 頁(yè)
3 指導(dǎo)人、評(píng)閱人評(píng)語(yǔ) 共 頁(yè)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)：
[主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的研究思路，設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）的介紹，回答問(wèn)題情況等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)]
答辯委員會(huì)主任： （簽名）
委員： （簽名）
（簽名）
（簽名）
（簽名）
答辯成績(jī)：
總評(píng)成績(jī)：
湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jī)組的核心部件，倍受?chē)?guó)內(nèi)外風(fēng)電相關(guān)行業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。但由于國(guó)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(jí)風(fēng)電齒輪箱，主要依靠引進(jìn)國(guó)外技術(shù)。因此，急需對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)電齒輪箱進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)研究，真正掌握風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)制造技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)國(guó)產(chǎn)化目標(biāo)。
本文設(shè)計(jì)的是兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱，通過(guò)方案的選取，齒輪參數(shù)計(jì)算等對(duì)其配套的齒輪箱進(jìn)行自主設(shè)計(jì)。
首先，確定齒輪箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)。選取一級(jí)行星派生型傳動(dòng)方案，通過(guò)計(jì)算，確定各級(jí)傳動(dòng)的齒輪參數(shù)。對(duì)行星齒輪傳動(dòng)進(jìn)行受力分析，得出各級(jí)齒輪受力結(jié)果。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜強(qiáng)度校核，結(jié)果符合安全要求。
最后，對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了齒面接觸應(yīng)力計(jì)算，結(jié)果符合要求。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)機(jī)齒輪箱，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，
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(lái)源 - 1 -
1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) - 2 -
1.2.1風(fēng)力發(fā)電國(guó)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(shì) - 5 -
1.2.3存在的問(wèn)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(jì)要求 - 7 -
1.5設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) - 7 -
2.齒輪箱的設(shè)計(jì) - 8 -
2.1 增速齒輪箱方案設(shè)計(jì) - 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(jí)齒輪參數(shù) - 16 -
2.3受力分析與靜強(qiáng)度校核 - 17 -
2.3.1受力分析 - 17 -
2.3.2低速級(jí)外嚙合齒面靜強(qiáng)度計(jì)算 - 21 -
2.4本章小結(jié) - 25 -
3.傳動(dòng)軸和箱體的設(shè)計(jì) - 26 -
3.1高速軸的設(shè)計(jì) - 26 -
3.2低速軸的設(shè)計(jì) - 26 -
3.3中間軸的設(shè)計(jì) - 28 -
3.4箱體 - 29 -
4齒輪箱及其他部件的設(shè)計(jì) - 30 -
4.1齒輪箱的密封 - 30 -
4.2齒輪箱的潤(rùn)滑、冷卻 - 30 -
4.3軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 31 -
4.4行星架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 32 -
4.5傳動(dòng)齒輪箱箱體設(shè)計(jì) - 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(rùn)滑油 - 33 -
5.3齒輪箱常見(jiàn)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(huì) - 36 -
致 謝 - 37 -
參考文獻(xiàn) - 38 -
1.引言
1.1課題來(lái)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(guó)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(wàn)株大樹(shù)連根拔起。僅就拔樹(shù)一事而論，風(fēng)在數(shù)秒鐘內(nèi)就發(fā)出了一千萬(wàn)馬力(即750萬(wàn)千瓦；一馬力等于0．75千瓦)的功率!有人估計(jì)過(guò)，地球上可用來(lái)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(guó)內(nèi)外都很重視利用風(fēng)力來(lái)發(fā)電，開(kāi)發(fā)新能源。
近10年風(fēng)力發(fā)電增長(zhǎng)迅猛，200年以來(lái) ，全球每年風(fēng)電裝機(jī)容量增長(zhǎng)速度為 20%～30%。全球風(fēng)能協(xié)會(huì)發(fā)布最新一期全球風(fēng)電的增長(zhǎng)數(shù)據(jù)顯示 ， 2008年全球范圍內(nèi)新增風(fēng)電裝機(jī)容量 2 705萬(wàn) kW，使得全球風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 1 . 20億 kW，較 2007年增長(zhǎng) 28 . 8%。 1998～2008年全球風(fēng)電裝機(jī)容量的增長(zhǎng)情況。如圖 1所示。
圖1.1全球風(fēng)電裝機(jī)容量
我國(guó)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(dòng)下 ， 2006年我國(guó)除臺(tái)灣外增加風(fēng)電機(jī)組 1 454臺(tái) ，增加裝機(jī)容量 133 . 7萬(wàn) kW，比過(guò)去 20年發(fā)展累積的總量還多 ，僅次于美國(guó)、 德國(guó)、 西班牙和印度。 2008年又新增風(fēng)電裝機(jī)容量630萬(wàn) kW，新增容量位列全球第 2，僅次于美國(guó)。截至 2008年底總裝機(jī)容量達(dá)到 1 215 .3萬(wàn) kW，同比增長(zhǎng) 106% ，總裝機(jī)容量超過(guò)了印度 ，位列全球第4，同時(shí)躋身世界風(fēng)電裝機(jī)容量超千萬(wàn)千瓦的風(fēng)電大國(guó)行列。圖 2反映了 2000年以來(lái)我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量的增長(zhǎng)。
圖1.2我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)輪、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、功率變換器、變壓器等部分構(gòu)成 ，其中 ，發(fā)電機(jī)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(jī)由早期的直流發(fā)電機(jī)、 籠型異步發(fā)電機(jī)等演變?yōu)楫?dāng)前的雙饋異步發(fā)電機(jī)和低速直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)等。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)及其控制技術(shù)的成熟 ，使變速恒頻風(fēng)力發(fā)電得以實(shí)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(jī)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)互為因果 ，相互促進(jìn)。近年來(lái)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(jī)的設(shè)計(jì)、 制造、 控制以及運(yùn)行維護(hù)水平的提高 ，各種新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)不斷出現(xiàn)。
本課題就是建立在對(duì)引進(jìn)的兆瓦級(jí)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(duì)增速齒輪箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為研發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)機(jī)增速齒輪箱打下基礎(chǔ)。
1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
1.2.1風(fēng)力發(fā)電國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
風(fēng)力發(fā)電的快速增長(zhǎng)帶動(dòng)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(chǎng)總價(jià)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(gè)國(guó)家，如丹麥、 德國(guó)、 西班牙和美國(guó)等， 著名的公司有Ves tas(丹麥)、 GE Wind(美國(guó))、 Gamesa(西班牙)、Enercon (德國(guó))、 Suzlon(印度)等。圖3 為2007 年世界風(fēng)電機(jī)組市場(chǎng)份額圖。2007 年， 丹麥的Vestas 公司占全球市場(chǎng)份額的 22.8%， 前3 位公司占有了市場(chǎng)份額的一半多。值得一提的是， 我國(guó)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(chǎng)的4. 2%。
圖1.3 2007年世界風(fēng)電機(jī)組市場(chǎng)份額
風(fēng)電的快速增長(zhǎng)同樣刺激了我國(guó)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(yùn)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(guò)對(duì)國(guó)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(guó)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(duì)伍也在迅速擴(kuò)大。2007 年我國(guó)新增裝機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)容量的39. 9% 。國(guó)際上，兆瓦級(jí)以上的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)成為主流機(jī)型。如美國(guó):主流機(jī)型1. 5MW， 丹麥: 主流機(jī)型( 2. 0~3. 0)MW。截至2006年，我國(guó)風(fēng)電機(jī)組1MW以下的機(jī)組占總裝機(jī)容量的70%， 1MW~ 2MW之間的風(fēng)電機(jī)型只占26%， 2MW以上機(jī)型占4%。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委規(guī)劃，我國(guó)未來(lái)的風(fēng)電新增裝機(jī)將以1. 5MW、 2MW機(jī)型為主， 1MW以下機(jī)型所占比重將逐漸降低。
風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的主要趨勢(shì)：
( 1) 機(jī)組單機(jī)容量增大風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的增大有利于提高風(fēng)能利用率，降低風(fēng)場(chǎng)的占地面積， 降低風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)成本，從而提高風(fēng)電的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前， 國(guó)際上主流的風(fēng)電機(jī)組已達(dá)到( 2~ 3)MW， 由德國(guó)Repower 公司研制的最大的5MW 風(fēng)電機(jī)組已投入運(yùn)行，其旋翼區(qū)直徑達(dá)到126 米?？梢灶A(yù)見(jiàn)， ( 3~ 5)MW的風(fēng)電機(jī)組在市場(chǎng)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(huì)議和風(fēng)能展上， 有與會(huì)者甚至提出了2020 年前開(kāi)發(fā)出20MW風(fēng)電機(jī)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(chǎng)將成為一個(gè)迅速發(fā)展的市場(chǎng)。目前丹麥、 德國(guó)、 英國(guó)、瑞典和荷蘭等國(guó)家海上風(fēng)電發(fā)展較快。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)(EWEA)預(yù)測(cè)， 2020年，歐洲海上風(fēng)電總裝機(jī)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(jī)組均為陸上風(fēng)電機(jī)組改造而成， 而復(fù)雜的海上自然條件使得風(fēng)電機(jī)組的故障率居高不下， 如世界最大的海上風(fēng)電場(chǎng)丹麥Vestas 霍恩礁風(fēng)電場(chǎng)， 80 臺(tái)海上風(fēng)電機(jī)組故障率超過(guò)70%。另一方面， 電網(wǎng)將難以承受大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)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(jī)組及上網(wǎng)配套設(shè)施等方面的問(wèn)題。
( 3) 變速恒頻技術(shù)快速推廣目前市場(chǎng)上恒速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組一般采用雙繞組結(jié)構(gòu)的異步發(fā)電機(jī)， 雙速運(yùn)行。在高風(fēng)速段， 發(fā)電機(jī)運(yùn)行在較高轉(zhuǎn)速上;在低風(fēng)速段，發(fā)電機(jī)運(yùn)行在較低轉(zhuǎn)速上。其優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單， 可靠性高;缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)速基本恒定，而風(fēng)速經(jīng)常變化，因此機(jī)組經(jīng)常處于風(fēng)能利用系數(shù)較低的狀態(tài)，風(fēng)能無(wú)法得到充分利用。隨著風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)電機(jī)組開(kāi)發(fā)制造廠商開(kāi)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(kāi)發(fā)出了變槳變速風(fēng)電機(jī)組。與恒速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組相比， 變速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組具有發(fā)電量大、 對(duì)風(fēng)速變化的適應(yīng)性好、 生產(chǎn)成本低、 效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，變速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組也是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)之一。德國(guó)Enercon 公司是目前全球生產(chǎn)變速風(fēng)電機(jī)組最多的公司。
( 4) 全功率變流技術(shù)興起近年來(lái)，歐洲的Enercon、 Winwind 等公司都開(kāi)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(jī)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(chǎng)上網(wǎng)電能的質(zhì)量。Enercon 公司還將原來(lái)對(duì)每個(gè)風(fēng)電機(jī)組功率因數(shù)的分散控制加以集中，由并網(wǎng)變電站來(lái)統(tǒng)一調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)的有源功率因素校正和諧波補(bǔ)償。全功率變流技術(shù)將在今后大型風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)時(shí)得到推廣應(yīng)用。
( 5) 直驅(qū)和半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組采用多極電機(jī)與葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的方式， 免去故障率較高的齒輪箱，在低風(fēng)速時(shí)效率高，且具有低噪聲、 高壽命、 運(yùn)行維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)份額增長(zhǎng)較塊， 但由于技術(shù)和成本等方面的原因， 在未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)帶增速齒輪箱的風(fēng)電機(jī)組仍將在市場(chǎng)中占主導(dǎo)地位。半直驅(qū)是介于齒輪箱驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)之間的一種驅(qū)動(dòng)方式，它采用一級(jí)齒輪箱增速， 結(jié)構(gòu)緊湊， 具有相對(duì)較高的轉(zhuǎn)速和較小的轉(zhuǎn)矩。與傳統(tǒng)的齒輪箱驅(qū)動(dòng)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(guò)更高效和緊湊的機(jī)艙排列減小了系統(tǒng)的體積和重量。
圖1.4風(fēng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)
1.2.2風(fēng)電齒輪箱的發(fā)展趨勢(shì)
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(jī)組中最重要的部件，倍受?chē)?guó)內(nèi)外風(fēng)電相關(guān)行業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。
風(fēng)機(jī)增速齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電整機(jī)的配套產(chǎn)品，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中一個(gè)重要的機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)，使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行發(fā)電，它的研究和開(kāi)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(jī)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(wú)規(guī)律的變相變負(fù)荷的風(fēng)力作用以及強(qiáng)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(duì)其可靠性和使用壽命都提出了比一般機(jī)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(guó)家主要有美國(guó)、德國(guó)等歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，在風(fēng)電行業(yè)中處于統(tǒng)治地位。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家早已開(kāi)發(fā)出單機(jī)容量達(dá)兆瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并且技術(shù)相對(duì)成熟，具有比較完善的設(shè)計(jì)理論和豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而且商業(yè)化程度比較高，因此在國(guó)際風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中處于明顯的優(yōu)勢(shì)和主導(dǎo)地位。
國(guó)外兆瓦級(jí)風(fēng)電齒輪箱是隨jxL電機(jī)組的開(kāi)發(fā)而發(fā)展起來(lái)的，Renk、Flender等風(fēng)電齒輪箱制造公司在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用三維造型設(shè)計(jì)、有限元分析、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)，并通過(guò)模擬和試驗(yàn)測(cè)試對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證。此外，國(guó)外通過(guò)理論分析及試驗(yàn)測(cè)試對(duì)風(fēng)電齒輪箱的運(yùn)行性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。
盡管?chē)?guó)際上齒輪箱設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但統(tǒng)計(jì)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(jī)故障總數(shù)的20％左右，由于我國(guó)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(guó)家存在報(bào)大差距。我國(guó)在九五期間開(kāi)始走引進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的路子，通過(guò)引進(jìn)和吸收國(guó)外成熟的技術(shù)，成功研發(fā)出了兆瓦級(jí)以下風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
1.2.3存在的問(wèn)題及展望
盡管我國(guó)風(fēng)電齒輪箱國(guó)產(chǎn)化工作近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步基本掌握了兆瓦級(jí)以下機(jī)組的設(shè)計(jì)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(wèn)題：
1) 國(guó)內(nèi)缺乏基礎(chǔ)性的研究工作和基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)對(duì)國(guó)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(jì)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(jì)人員。
3) 未完全掌握大型風(fēng)電增速箱的設(shè)計(jì)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(jì)制造技術(shù)的企業(yè)數(shù)量較少無(wú)論是產(chǎn)品數(shù)量還是產(chǎn)品質(zhì)量都難以滿足市場(chǎng)需要。
4) 缺乏大型試驗(yàn)裝置及測(cè)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(tái)和機(jī)制。
1.3課題意義
風(fēng)力發(fā)電是清潔可再生能源，蘊(yùn)存量巨大，具有實(shí)際開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。中國(guó)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(kāi)發(fā)量(H=40 m)8.41 GW。也就是說(shuō)，風(fēng)能與水能總量旗鼓相當(dāng)。大量風(fēng)能開(kāi)發(fā)不可能靠某個(gè)部門(mén)或行業(yè)的財(cái)政補(bǔ)貼就能解決，商業(yè)化不僅是市場(chǎng)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(jī)組中的齒輪箱是一個(gè)重要的機(jī)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(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)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(jī)發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，必須通過(guò)齒輪 箱齒輪副的增速作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。齒輪箱作為傳遞動(dòng)力的部件，在運(yùn)行期間同時(shí)承受動(dòng)、靜載荷。其動(dòng)載荷部分取決于風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)的特性和傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器的質(zhì)量、剛度、阻尼值以及發(fā)電機(jī)的外部工作條件。
開(kāi)發(fā)新能源是國(guó)家能源建設(shè)實(shí)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(kāi)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(guó)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(guó)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研發(fā)能力上還有待提高，總體來(lái)說(shuō)主要以引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)為主。目前國(guó)內(nèi)引進(jìn)的技術(shù)，有的是國(guó)外淘汰的技術(shù)，有的圖紙雖然先進(jìn)，但受限于國(guó)內(nèi)配套廠家的技術(shù)、工藝、材料等原因，導(dǎo)致國(guó)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(guó)外風(fēng)機(jī)技術(shù)的同時(shí)，開(kāi)發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的兆瓦級(jí)增速齒輪箱，是加速我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。
(2)增速齒輪的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)系到整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的命運(yùn)。因此，要加強(qiáng)齒輪的研究，對(duì)齒輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高齒輪的嚙合質(zhì)量，降低噪聲，保證齒輪機(jī)械效率，提高齒輪的運(yùn)行可靠性。
(3)增速齒輪箱以漸開(kāi)線齒輪為主，人們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的漸開(kāi)線齒輪有了一套比較成熟的設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算和加工方法。兆瓦級(jí)增速齒輪對(duì)漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)，這就對(duì)齒輪分析的計(jì)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(dòng)、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(duì)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(jì)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(shì)，及現(xiàn)在各個(gè)國(guó)家對(duì)風(fēng)力發(fā)電的重視程度。我國(guó)現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電的總體情況、風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈主要分為主軸、齒輪箱（增速箱）、機(jī)械剎車(chē)以及相關(guān)組件。齒輪箱作為風(fēng)機(jī)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(jì)過(guò)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(jì)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(jì)方法，再結(jié)合書(shū)籍資料完成風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的設(shè)計(jì)，校核，及優(yōu)化的一系列工作。
關(guān)于行星輪系的傳動(dòng)比，及齒輪的計(jì)算，會(huì)參照《機(jī)械原理》等一些書(shū)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(jī)額定功率
5000KW
輸入轉(zhuǎn)速
12.1r/min
輸出轉(zhuǎn)速
1173.7r/min
傳動(dòng)形式
一級(jí)行星兩級(jí)斜齒輪
總傳動(dòng)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(jì)算，按3倍額定功率計(jì)算靜強(qiáng)度>1.0。.外齒輪制造精度不低于6級(jí)，齒面硬度HRC58--62，外齒輪采用20CrNi2MoA。
1.5設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
（1） 齒輪傳動(dòng)通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
1）相關(guān)的中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)
風(fēng)電齒輪箱的傳動(dòng)設(shè)計(jì)中，需要參照通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3480-1997《漸開(kāi)線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法》。GB/T3480-1997標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6336-1~ISO 6336-3基本對(duì)應(yīng)，主要用于齒輪的齒面耐點(diǎn)蝕和齒根承載能力設(shè)計(jì)。對(duì)于齒輪膠合承載能力的計(jì)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）和德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（DIN）在齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)源于DIN 3990。該標(biāo)準(zhǔn)包括5個(gè)子集，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6336基本對(duì)應(yīng)。對(duì)于齒輪膠合承載能力的計(jì)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(guó)于 2003 年 9 月頒布了 G B/ T19073 - 2003 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 — 齒輪箱標(biāo)準(zhǔn) ( 以下簡(jiǎn)稱 19073 標(biāo)準(zhǔn)) ,對(duì)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(yàn)方法、 檢驗(yàn)規(guī)則及標(biāo)志、 包裝、 運(yùn)輸和儲(chǔ)存提出了概括性要求 ; 美國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì) (AWEA) 和齒輪協(xié)會(huì)(AG MA) 于 2003 年 10 月制定了新的風(fēng)力機(jī)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) , 即 ANSI/ AG MA/AWEA6006 - A03 ( 以下簡(jiǎn)稱 6006 標(biāo)準(zhǔn) ) 。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)40kW ～ 2MW 的風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的設(shè)計(jì)、 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(guó)家采用 ,是風(fēng)電齒輪箱領(lǐng)域影響最大的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)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(guó)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(jī)械效率應(yīng)大于 97 % , 噪聲應(yīng)不大于 85dB , 機(jī)械振動(dòng)應(yīng)滿足G B8543 中 C 級(jí)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(jí)時(shí)的設(shè)計(jì)壽命為 20 年 ,3 級(jí)時(shí)為 30 年。對(duì)零部件來(lái)說(shuō) , 通常要求齒輪壽命達(dá)到 17. 5 萬(wàn)小時(shí) [7] , 軸承壽命 13 萬(wàn)小時(shí) [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(hào)、設(shè)計(jì)規(guī)范、 齒輪箱設(shè)計(jì)和制造要求以及潤(rùn)滑等內(nèi)容 , 對(duì)齒輪強(qiáng)度計(jì)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(jì)
2.1 增速齒輪箱方案設(shè)計(jì)
根據(jù)傳動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)、支撐構(gòu)件、潤(rùn)滑系統(tǒng)和其他構(gòu)件構(gòu)成。
齒輪箱體需要承受來(lái)自風(fēng)輪的載荷，同時(shí)要承受齒輪傳動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的各種載荷。箱體也是主傳動(dòng)鏈的基礎(chǔ)構(gòu)件之一，需要根據(jù)風(fēng)電機(jī)組總體布局設(shè)計(jì)要求，為風(fēng)輪主軸、 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和主傳動(dòng)鏈提供可靠地支撐與連接，將載荷平穩(wěn)傳遞到主機(jī)架。
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)齒輪箱增速傳動(dòng)功能的核心部分，通常由多級(jí)齒輪傳動(dòng)副和支撐構(gòu)件組成。
可靠的潤(rùn)滑系統(tǒng)是齒輪箱的重要配置，可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)構(gòu)件的良好潤(rùn)滑。同時(shí)，為確保極端環(huán)境溫度下的潤(rùn)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(duì)潤(rùn)滑油、高速端軸承等溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的傳感器，防止外部雜質(zhì)進(jìn)入的空氣過(guò)濾器，以及雷電保護(hù)裝置等附件。
齒輪傳動(dòng)裝置的種類(lèi)較多，按其傳動(dòng)形式大致可分為定軸齒輪、行星齒輪和組合傳動(dòng)的齒輪箱；按傳動(dòng)級(jí)數(shù)可分為單級(jí)或多級(jí)齒輪箱；按布置形式可分為展開(kāi)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(jí)的齒輪傳動(dòng)。目前大型風(fēng)電機(jī)組的增速齒輪箱典型設(shè)計(jì)，多采用行星齒輪與定軸齒輪組成混合齒輪系的傳動(dòng)方案。其中NGW傳動(dòng)是一種行星齒輪的典型設(shè)計(jì)形式。
對(duì)于兆瓦級(jí)風(fēng)電齒輪箱，傳動(dòng)比多在100左右，一般有兩種傳動(dòng)形式：一級(jí)行星+兩級(jí)平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)，兩級(jí)行星+一級(jí)平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)。相對(duì)于平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)，行星傳動(dòng)的以下優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)裝置，使軸向尺寸大大縮小而；運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、抗沖擊和振動(dòng)能力較強(qiáng)。在具有上述特點(diǎn)和優(yōu)越性的同時(shí)，行星齒輪傳動(dòng)也存在一些缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)形式比定軸齒輪傳動(dòng)復(fù)雜；對(duì)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(rùn)滑與冷卻裝置。這兩種行星傳動(dòng)與平行軸傳動(dòng)相混合的傳動(dòng)形式，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。
依據(jù)提供的技術(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)方案比較，總傳動(dòng)比i=97，采用一級(jí)行星派生型傳動(dòng)，即一級(jí)行星傳動(dòng)+兩級(jí)高速軸定軸傳動(dòng)。為補(bǔ)償不可避免的制造誤差，行星傳動(dòng)一般采用均載機(jī)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(shí)可降低對(duì)齒輪的精度要求，從而降低制造成本。
對(duì)于具有三個(gè)行星輪的傳動(dòng)，常用的均載機(jī)構(gòu)為基本構(gòu)件浮動(dòng)。由于太陽(yáng)輪重量輕，慣性小，作為均載浮動(dòng)件時(shí)浮動(dòng)靈敏，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于中低速工況下的浮動(dòng)均載，尤其是具有三個(gè)行星輪時(shí)，效果最為顯著。設(shè)計(jì)齒輪箱的轉(zhuǎn)動(dòng)比為1：97，由于減速比較大，按照此轉(zhuǎn)動(dòng)比，齒輪箱的結(jié)構(gòu)形式可設(shè)計(jì)為：一級(jí)行星傳動(dòng)+兩級(jí)斜齒輪傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)方案一
兩級(jí)NGW型行星齒輪
特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可滿足較大速比的傳動(dòng)要求，傳動(dòng)比40~160
圖2.1雙極NGW型傳動(dòng)方案
齒輪傳動(dòng)方案二
行星齒輪與平行軸圓柱齒輪混合式
特點(diǎn)：低俗部分為行星齒輪傳動(dòng)，可使功率分流，同時(shí)合理應(yīng)用了內(nèi)嚙合，結(jié)構(gòu)較緊湊。后兩級(jí)為定軸圓柱齒輪傳動(dòng)，可合理分配速比，提高傳動(dòng)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(guò)方案比較，行星傳動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)裝置，使軸向尺寸大大縮小而；運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、抗沖擊和振動(dòng)能力較強(qiáng)。在具有上述特點(diǎn)和優(yōu)越性的同時(shí)，行星齒輪傳動(dòng)也存在一些缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)形式比定軸齒輪傳動(dòng)復(fù)雜；對(duì)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(rùn)滑與冷卻裝置。兩者比較決定采用第二種方案,即一級(jí)行星+兩級(jí)平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)。
圖2.3本設(shè)計(jì)采用的結(jié)構(gòu)
行星齒輪傳動(dòng)由于有多對(duì)齒輪同時(shí)參與嚙合承受載荷，要實(shí)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(yáng)輪和系桿轉(zhuǎn)軸的軸線重合，即滿足同心條件 。
(2)保證3個(gè)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(jì)行星輪時(shí)，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(gè)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(wèn)隙。
保證在采用多個(gè)行星輪時(shí)，各行星輪能夠均勻地分布在兩太陽(yáng)輪之間，即滿足安裝條件 c為整數(shù)，裝配行星輪時(shí)，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(dòng)比，即滿足傳動(dòng)比條件。當(dāng)內(nèi)齒圈不動(dòng)時(shí)有
以上各式中： ——中心太陽(yáng)輪齒數(shù)；
——行星輪齒數(shù)；
——內(nèi)齒圈齒數(shù)；
K——行星輪個(gè)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(dòng)所需要滿足的條件。
兩級(jí)定軸的傳動(dòng)比，則一級(jí)行星傳動(dòng)，角標(biāo)1表示低速級(jí)輸入端， ，每個(gè)行星輪的傳遞的功率P=5000KW，工作壽命為20年。
參數(shù)計(jì)算：
1.選定齒輪類(lèi)型，精度等級(jí)，材料及齒數(shù)：
1）選擇直齒圓柱齒輪。
2）齒輪精度等級(jí)為5級(jí)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(duì)分度圓直徑的齒寬系數(shù)；
——?jiǎng)虞d荷系數(shù)
—— 接觸強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)；
—— 接觸強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)
（2.2）
1)確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
2)計(jì)算
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取螺旋角°壓力角° ∴ °
(1)配齒計(jì)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(jì)嚙合角24°≤≤26°
18°≤≤20.8°
預(yù)選=25°
(2) 按接觸強(qiáng)度初算a-c傳動(dòng)的中心距與模數(shù)
太陽(yáng)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(shí)
按預(yù)取嚙合角=24.5°可得a—c傳動(dòng)中心距變動(dòng)系數(shù)
則中心距
a’=
a取a’=720
計(jì)算a-c傳動(dòng)的實(shí)際中心距變動(dòng)系數(shù)Y和嚙合角
∴=25.05°
(3)計(jì)算a—c傳動(dòng)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(jì)算c-b傳動(dòng)的中心距變動(dòng)系數(shù)及嚙合角
c-b傳動(dòng)未變位時(shí)的中心距
=734.28mm
∴=25.27°
(5)計(jì)算c-b傳動(dòng)的變位系數(shù)
=-0.547
(6)重合度計(jì)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(jí)為6級(jí)。
2.2.2圓柱級(jí)齒輪參數(shù)
1.高速軸上的齒輪的設(shè)計(jì)
輸入功率，小齒輪轉(zhuǎn)速為294.79/min,傳動(dòng)比i=3.9811,工作壽命20年。
（1）選定齒輪類(lèi)型，精度等級(jí)，材料及齒數(shù)：
1）選擇斜齒圓柱齒輪。
2）齒輪精度等級(jí)為5級(jí)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(qiáng)度設(shè)計(jì)
1)確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
2)計(jì)算
計(jì)算齒寬b及模數(shù) m=30 計(jì)算縱向重合度=1.586
計(jì)算載荷系數(shù)=1.433
2.中間軸上的齒輪設(shè)計(jì)
輸入功率=5315.3KW，小齒輪的轉(zhuǎn)速為61.71r/min。傳動(dòng)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(lèi)型，精度等級(jí)，材料及齒輪
1）選擇斜齒圓柱齒輪。
2）齒輪精度等級(jí)為5級(jí)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(qiáng)度設(shè)計(jì)
1)確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
2)計(jì)算
計(jì)算齒寬b及模數(shù) m=13 計(jì)算縱向重合度=1.0317
計(jì)算載荷系數(shù)=1.4121
高速軸上的一對(duì)齒輪系參數(shù)為：
中間軸上的一對(duì)齒輪的參數(shù)為：
2.3受力分析與靜強(qiáng)度校核
2.3.1受力分析
行星齒輪傳動(dòng)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(qiáng)度計(jì)算，需要對(duì)行星輪以及太陽(yáng)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(dòng)受力分析
行星架輸入功率為，太陽(yáng)輪輸出功率為，增速傳動(dòng)比為i，太陽(yáng)輪節(jié)圓直徑為dl，根據(jù)斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)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(dòng)輪齒寬中點(diǎn)處直徑
——主動(dòng)輪分度圓直徑
——表示額定轉(zhuǎn)矩
按照上述公式計(jì)算低速級(jí)各個(gè)齒輪的受力情況行星輪傳動(dòng)強(qiáng)度的校核計(jì)算
齒輪強(qiáng)度計(jì)算（齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算）
a-c傳動(dòng)的接觸強(qiáng)度
太陽(yáng)輪
（2.4）
行星輪
（2.5）
許用應(yīng)力計(jì)算
（2.6）
滿足要求滿足要求
2c-b傳動(dòng)的接觸強(qiáng)度（計(jì)算應(yīng)力）
行星輪
內(nèi)齒圈
許用應(yīng)力計(jì)算
滿足要求滿足要求
表2.1 5MW風(fēng)力機(jī)輸入級(jí)齒輪接觸強(qiáng)度校核結(jié)果
太陽(yáng)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(dòng)的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度（計(jì)算應(yīng)力）
（2.7）
許用應(yīng)力計(jì)算
滿足條件
b-c傳動(dòng)的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
許用應(yīng)力計(jì)算
滿足條件
表2.2 5MW風(fēng)力機(jī)齒輪彎曲強(qiáng)度校核結(jié)果
太陽(yáng)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(jí)外嚙合齒面靜強(qiáng)度計(jì)算
（1）低速級(jí)接觸強(qiáng)度計(jì)算：
依據(jù)要求，按3倍額定功率計(jì)算靜強(qiáng)度。(其余嚙合齒輪副的計(jì)算步驟，結(jié)論與此相似。)
載荷：
式中: ——計(jì)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(jì)算，取使用系數(shù)。
計(jì)算安全系數(shù)
式中：——靜強(qiáng)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)；
——?jiǎng)虞d荷系數(shù)；
——壽命系數(shù)；
——節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)；
——彈性系數(shù)；
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)；
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分布系數(shù)；
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的重合系數(shù)；
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的螺旋角系數(shù)；
（式中各數(shù)據(jù)通過(guò)查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版第三卷表14-2-9（強(qiáng)度計(jì)算公式中個(gè)參數(shù)的確定方法）得到。）
① 使用系數(shù)查表 =1.3
② 動(dòng)載荷系數(shù)
其中， （齒輪精度5級(jí)，查表得）；
③ 齒向載荷分布系數(shù)
太陽(yáng)輪浮動(dòng)，對(duì)對(duì)稱支承，查表得：
④ 齒間載荷分布系數(shù)
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得 =1
⑤ 節(jié)點(diǎn)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(jí)接觸強(qiáng)度計(jì)算
參照上述低速級(jí)接觸強(qiáng)度計(jì)算步驟和公式，得到中間級(jí)齒面計(jì)算接觸應(yīng)力各項(xiàng)系數(shù)如下表所示：
表2.3 中間級(jí)齒面計(jì)算接觸應(yīng)力各項(xiàng)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(jì)算接觸應(yīng)力
按接觸應(yīng)力 =928.74
計(jì)算安全系數(shù) =1.438 故符合要求。
（3）高速級(jí)接觸強(qiáng)度計(jì)算
參照上述低速級(jí)接觸強(qiáng)度計(jì)算步驟和公式，得到高速級(jí)齒面計(jì)算接觸應(yīng)力各項(xiàng)系數(shù)如下表所示：
表2.4高速級(jí)齒面計(jì)算接觸應(yīng)力各項(xiàng)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(jì)算接觸應(yīng)力
按接觸應(yīng)力 =961.76
計(jì)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(dòng)與平行軸傳動(dòng)的有點(diǎn)，選取一級(jí)行星派生型傳動(dòng)，采用太陽(yáng)輪浮動(dòng)的均載機(jī)構(gòu)，計(jì)算確定了齒輪箱各級(jí)傳動(dòng)的參數(shù)。對(duì)行星傳動(dòng)進(jìn)行受力分析，得出各級(jí)傳動(dòng)齒輪的受力結(jié)果。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行靜強(qiáng)度校核，結(jié)果符合安全要求。
3.傳動(dòng)軸和箱體的設(shè)計(jì)
3.1高速軸的設(shè)計(jì)
(1)最小軸直徑的設(shè)計(jì)（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(jì)
最小軸直徑的設(shè)計(jì)
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(qiáng)度條件計(jì)算。根據(jù)以上情況，可得低速級(jí)傳動(dòng)軸的受力簡(jiǎn)圖：
圖3-3 低速軸受力圖
由上受力圖經(jīng)行軸的強(qiáng)度校核
扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：
mm 45鋼＝30～40
軸的強(qiáng)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。
故滿足強(qiáng)度要求。
3.3中間軸的設(shè)計(jì)
（1）最小軸直徑的設(shè)計(jì)
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(qiáng)度條件計(jì)算。根據(jù)以上情況，經(jīng)行軸的強(qiáng)度校核。
扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：
mm 45鋼＝30～40
根據(jù)條件，按照強(qiáng)度校核公式計(jì)算：
故滿足強(qiáng)度要求。
3.4箱體
箱體是齒輪箱的重要零件，它承受來(lái)自風(fēng)輪的作用力和齒輪傳動(dòng)時(shí)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(dòng)質(zhì)量。箱體的設(shè)計(jì)應(yīng)按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)力傳動(dòng)的布局、加工和裝配、檢查以及維護(hù)等要求來(lái)進(jìn)行。應(yīng)注意軸承支撐和機(jī)座支撐的不同方向的反力及其相對(duì)值，選取合適的支撐結(jié)構(gòu)和壁厚，增設(shè)必要的加強(qiáng)筋。筋的