1.5MW风电机组齿轮箱设计学生：罗建(2009105133)指导教师：赵春华教学单位：三峡大学机械与材料学院目录一、课题来源二、选题意义三、国内外研究现状概述四、主要研究内容一、课题来源风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其达到可以发电的转速。本课题依托国家自然科学基金项目（项目编号：51075234），围绕其进行相关方面的研究。二、选题意义1.有助于开发自主知识产权的兆瓦级增速齿轮箱，加速我国风电产业的发展。2.增速齿轮的设计和制造技术是整个风力发电机组的关键技术，关系到整个风力发电机组的命运。3.建立准确的分析模型，准确求解受载轮齿的载荷分布对修形规律的研究具有重要意义。三、国内外研究现状概述1.国外研究现状国外兆瓦级风电齿轮箱是随风电机组的开发而发展起来的，Renk、Flender等风电齿轮箱制造公司在产品开发过程中采用三维造型设计、有限元分析、动态设计等先进技术，并通过模拟和试验测试对设计方案进行验证。此外，国外通过理论分析及试验测试对风电齿轮箱的运行性能进行了系统的研究，为风电齿轮箱的设计提供了可靠的依据。三、国内外研究现状概述1891年，丹麦人首先发明风电机组，到如今已经有一百二十三年的历史，而作为风电机组的重要组成部分，风电齿轮箱的发展尤为迅速。时至今日，国外主流风电机组已达到兆瓦级，其中丹麦已达到3MW，美国为1.5MW，而最高为5MW机组已于2006初在德国投入试运行。经典文献W Musial, S Butterfield, B Mcniff. Improving wind turbine gearbox reliability：对风机齿轮箱运行过程中的失效情况进行了深入研究，提出了多种提高风机齿轮箱可靠性的可行性方法。 ADAM Ragheb, MAGDI Ragheb. WIND TURBINE GEARBOX TECHNOLOGIES：提出并总结了现有的比较成熟的风力涡轮机技术，对风力发电效率的提升具有重要意义。2.国内研究发展现状由于我国在商业化大型风力发电产业上起步较晚，技术上较欧美等风能技术发达的国家存在巨大差距。截至2010年，我国风电机组1MW以下的机组占总装机容量的70%，1MW2MW之间的风电机型却只占36%，2MW以上机型更少，仅占10%。根据国家发改委规划，我国未来的风电新增装机将以1.5MW、2MW机型为主，1MW以下机型所占比重将逐渐降低。经典文献张立勇，王长路，刘法根。风力发电及风电齿轮箱概述：介绍了风电齿轮箱的技术现状，指出了风电齿轮箱设计制造方面存在的主要问题。刘贤焕，叶仲和。大型风力发电机组用齿轮箱优化设计及方案分析：介绍了大型风力发电机组用齿轮箱的工作特点及目前常用的传动方案，提出了封闭式行星齿轮系的传动方案，并以齿轮总体积最小为目标，完成了这种方案的优化设计。汤克平 风电增速箱结构设计叙谈：对风电增速箱结构作了较为详尽的阐述，对风电增速箱选用及设计具有实用参考价值。四、主要研究内容1.齿轮箱结构设计2.齿轮箱其他零部件的选用3.绘制齿轮箱装配图设计思路首先，依据风机输出功率，在常见的1.5MW风机齿轮箱结构中选择一种结构，本文选取的齿轮箱结构为一级行星轮+两级平行轴传动，然后依次计算行星轮传动参数以及两级平行轴参数。其次，依据该结构中各传动系统之间的关系分配传动比，选取齿轮及轴的材料进行计算，得出传动参数如模数、齿数、螺旋角等。最后，通过对运动副的受力分析，依照相关标准进行静强度校核。运用AUTO.CAD绘制出零件图和装配图。1 1.齿轮箱结构设计1.11.1增速齿轮箱方案选择1.21.2行星轮传动设计1.31.3行星轮传动强度的校核计算1.41.4两级平行轴传动设计1.51.5两级平行轴传动强度的校核计算1.1.6 6轴径设计1.11.1增速齿轮箱方案设计对于兆瓦级风电齿轮箱，传动比多在50-80左右，一般有两种传动形式：一级行星+两级平行轴圆柱齿轮传动，两级行星+一级平行轴圆柱齿轮传动。相对于平行轴圆柱齿轮传动，行星传动的以下优点：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；合理使用了内啮合；共轴线式的传动装置，使轴向尺寸大大缩小而；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，故要求严格的润滑与冷却装置。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。依据提供的技术数据，经过方案比较，通常1.5MW齿轮箱采用一级行星+两级平行轴的传动方案。为补偿不可避免的制造误差，行星传动一般采用均载机构，均衡各行星轮传递的载荷，提高齿轮的承载能力、啮合平稳性和可靠性，同时可降低对齿轮的精度要求，从而降低制造成本。对于具有三个行星轮的传动，常用的均载机构为基本构件浮动。由于太阳轮重量轻，惯性小，作为均载浮动件时浮动灵敏，结构简单，被广泛应用于中低速工况下的浮动均载，尤其是具有三个行星轮时，效果最为显著。设计齿轮箱的输入转速为29r/min,输出转速为1800r/min，转动比转动比 1800/29=62，由于减速比较大，按照此转动比，齿轮箱的结构形式可设计为：一级行星传动+两级平行轴传动。图2.1 齿轮箱传动简图 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系各齿轮齿数必须要满足一定的几何条件。1.21.2行星轮传动设计 (2)按接触强度初算a-c传动的中心距与模数m1.4两级平行轴传动设计 利用已知转速传动比以及功率求出各级传动转矩，选取齿轮材料进行设计，分别从齿面接触强度和齿根弯曲强度两方面进行设计，求出齿轮合理直径，然后再进行齿面接触强度及齿根弯曲强度校核，确定齿轮参数。1.4.1参数计算1.4.2第一级齿轮传动参数计算 由齿面接触疲劳强度法面模数 小于由齿根弯曲疲劳强度计算法面模数 ,取 m=14满足接触疲劳强度，但为了同时满足弯曲疲劳强度，需按弯曲疲劳强度算来计算分度圆直径。1.5.1第一级齿轮传动齿根弯曲疲劳强度计算1.5.2第一级齿轮传动接触疲劳强度计算1.6轴径设计 首先初算轴的直径，然后根据轴的受力计算轴的弯矩扭矩，最终计算安全系数达到校核的目的1.6.1两级平行轴中间轴设计选取轴的材料为 ，渗碳淬火 由参考文献1P5-19公式10.2可得：中间齿轮轴示意图(1)齿轮1（高速级从动轮）的受力计算：由参考文献1P140公式8.16可知中间齿轮轴受力及弯矩分析图(2)齿轮4的受力计算： 由参考文献1P140公式8.16可知(3)齿轮的轴向力平移至轴上所产生的弯矩为：(4)轴向外部轴向力合力为：(5)计算轴承支反力：(6)计算危险截面弯矩(7)计算应力(8)计算安全系数2.齿轮箱其他零部件的选用2.1 轴承的选用 轴承式传动链设计需要重点考虑的问题。如主轴的前轴承需要承受风轮产生的弯矩和推力 ，通常采用深沟球轴承作为径向与轴向支撑。2.2 转臂的结构设计及支承结构 行星架是行星齿轮传动中的一个重要构件，在行星轮系中起着承上启下的作用，直接影响齿轮箱的寿命和齿轮箱的噪声，一个结构合理的行星架应当是外廓尺寸小，质量小，具有足够的强度和刚度，动平衡性好，能保证行星轮间的载荷分布均匀，而且应具有良好的加工和装配工艺。从而，可使行星齿轮传动具有较大的承载能力、较好的传动平稳性以及较小的振动和噪声，为此对行星架的制作有以下要求： 1.行星架的材料应选用QT700、42 、ZG34 ，其力学性能应分别符合GB/T1348-2009、BG/T3077-1999、JB/T6402-2008的规定，也可使用其他具有等效力学性能的材料。