基于SolidWorks的風機主傳動系統(tǒng)三維建模

PAGEPAGEV基于SolidWorks的風機主傳動系統(tǒng)三維建模摘要本文采用了風力發(fā)電機的計算機建模仿真的方法，對風力發(fā)電機的主傳動系統(tǒng)性能及載荷計算的方法進行了研究，同時以1MW級風機說明了建模和仿真的基本方法和理論。風力發(fā)電機的主傳動系統(tǒng)的建模和仿真都是在SolidWorks軟件平臺下完成的，文章對風力發(fā)電機組的塔架、輪轂、主軸、齒輪箱、電機、機艙底盤進行了建模。對主傳動系統(tǒng)各部件在風力發(fā)電機組上的作用作了介紹，并對其結(jié)構(gòu)形式及選用進行了詳細的分析。風力發(fā)電機組的運轉(zhuǎn)環(huán)境非常惡劣，受力情況復雜，所以對其主傳動系統(tǒng)各部件材料的選用作了介紹。為了確保風力發(fā)電機在其壽命期內(nèi)能夠正常工作，對主軸進行了強度分析。由于齒輪箱在風力發(fā)電機組的特殊作用，對齒輪箱內(nèi)的傳動形式的種類、特點及應用作了介紹，并對其進行了合理的選擇。根據(jù)齒輪箱的增速要求，合理選擇了齒輪箱內(nèi)的各級齒輪軸和齒輪的參數(shù)。發(fā)電機也是風力發(fā)電機組的重要部件之一，它將風輪的機械能轉(zhuǎn)化為電能。發(fā)電機的選擇尤其重要，所以本文對所選擇的雙饋異步發(fā)電機的工作原理及作用作了介紹。由于主傳動系統(tǒng)安裝的需要，對機艙底盤進行了建模，并在滿足強度及剛度的前提下，對其材料和造型的合理選擇作了介紹。最后，在SolidWorks平臺上把所有建模設計出的風力發(fā)電機主傳動系統(tǒng)的零部件進行了裝配，并在平臺上進行了傳動模擬演示，使人們更直觀的了解風力發(fā)電機主傳動系統(tǒng)的組成及工作情況。關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機；主傳動系統(tǒng)；建摸；仿真ABSTRACTThewindgeneratorcomputermodelingsimulationapproachisadoptedhere,andtheresearchofloadcalculationdrivetrainsystemperformanceofthewindgeneratorareconductedwhile1MW-classair-compressorsonmodelingandsimulationofthebasicmethodsandtheories.Themaindrivetrainsystem‘smodelingandsimulationofwindgeneratorsareoperatedontheSolidWorkssoftwareplatform.Themodelingoftheroundwheel,axle,gearboxes,electrical,cabinchassisofthewindgeneratorisconductedonthisarticle.Themaincomponentsinthedrivetrainsystemontheroleofwindpowergenerationunitswereintroduced,andtheselectionofitsformandstructureofadetailedanalysed.Windgenerators’operatingenvironmentisverybad,,thevariouscomponentsofitsmaindrivetrainsystemwereintroducedintheselectionofmaterials.Toensurethatwindgeneratorsintheirnormallife,theintensityanalysisofthemainaxleisconducted.Forthegearboxesinwindgeneratorshavespecialroleforthetransmissiongearboxformtypes,characteristicsandapplicationswereintroduced,anditsreasonableselection.Accordingtogearboxesgrowth,areasonablechoiceofgearwheelaxleandgearboxatalllevelsoftheparametersisconducted.Windgenerators’generatorisoneoftheimportantpart,itwillwindroundthemechanicalenergyintoelectricalenergy.Theselectionofgeneratorsisparticularlyimportant,therefore,tothechoiceofthisdouble-fedasynchronousgeneratorworkandtheroleoftheorywasintroduced.Becauseofthedrivetrainsysteminstallationrequirements,themodelingofthecabinchassis,andstrengthandrigiditytomeetthepremiseofitsmaterialandshapeareasonablechoicewasintroduced.Finally,AllthepartsandcomponentsdesignedontheSolidWorksplatformdrivetrainareassembled,andthetransmissionsimulationdisplayisalsoconducted,allowingamoreintuitiveunderstandingofthewindgeneratordrivetrainsystemandthecompositionofthework.Keywords:Windgenerators；Thedrivetrainsystem；Modeling；Simulation目錄摘要 IABSTRACT II第1章引言 11.1課題的背景及意義 11.2目前國內(nèi)外風力機組發(fā)展現(xiàn)狀 11.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀 11.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 21.3課題所要解決的問題 2第2章風機主傳動系統(tǒng)的總體設計 32.1風力發(fā)電機主傳動系統(tǒng)的組成 32.2風力發(fā)電機主傳動系統(tǒng)的工作原理 32.3風力發(fā)電機主傳動系統(tǒng)的布置形式 3第3章風機主傳動系統(tǒng)中主要部件設計 53.1輪轂的形式與選用 53.1.1輪轂的作用及結(jié)構(gòu) 53.1.2輪轂的形式 53.2主軸的設計 63.2.1主軸的作用及結(jié)構(gòu) 63.2.2主軸強度校核 63.2.3主軸材料 83.3齒輪箱的構(gòu)造及選用 83.3.1齒輪箱的構(gòu)造 83.3.2齒輪箱的箱體設計 113.3.3齒輪箱的齒輪設計 113.3.4齒輪箱軸的設計 133.3.5齒輪箱的軸承設計 133.4電機的選用 143.4.1電機選用 143.4.2雙饋異步電機的工作原理 143.5機艙底盤作用及選用 153.5.1機艙底盤的分類及選用 153.5.2機艙底盤設計要求 163.5.3機艙底盤的材料 163.6塔架的介紹 163.6.1塔架的作用 163.6.2塔架的主要形式及選用 173.6.3塔架的材料 18第4章基于SolidWorks的風機主傳動系統(tǒng)三維建模方法 194.1輪轂的建模方法 194.2增速箱的建模方法 204.2.1上箱體的三維建模方法 204.2.2行星架的三維建模方法 224.2.3高速軸的三維建模方法 23結(jié)論 26參考文獻 27致謝 28沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計論文PAGE30第1章引言1.1課題的背景及意義隨著人類社會的發(fā)展、科技的進步以及日益嚴重的資源和環(huán)境問題的挑戰(zhàn)，世界能源結(jié)構(gòu)開始經(jīng)歷第三次大的變革，即從煤炭、石油、天然氣為主的能源系統(tǒng)，開始轉(zhuǎn)向以可再生能源為基礎的可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)。而風能取之不盡，用之不竭，是非常重要的一種潔凈的可再生能源，是人類能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變中一個非常重要的部分。地球上風能資源十分豐富，據(jù)世界氣象組織統(tǒng)計分析表明，地球上近地層的風能總量約為13000億KW，如有1%被有效利用，就可滿足人類對能源的需求。我國幅員遼闊，陸疆總長2萬多公里，海岸線1.8萬公里，風能資源豐富根據(jù)氣象部門的資料，可開發(fā)的陸地風能資源大約為253WG，可利用的海洋風能資源大約為750WG。風能易于獲得并轉(zhuǎn)換，且分布廣泛、無污染而又能夠不斷再生，所以開發(fā)利用風能可以很好的解決目前化石能源的危機，為人類解決能源危機提供一條很好的辦法。風力發(fā)電是目前利用風能的重要形式，也是多種可再生能源利用技術(shù)中比較成熟的。風力發(fā)電機組中的主傳動系統(tǒng)更是其最重要的部分之一。1.2目前國內(nèi)外風力機組發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀目前，風電已經(jīng)成為世界上增長最快的能源，過去5年全球風電累計裝機容量的平均增長一直保持在33%。近年來，德國、丹麥、西班牙、英國、荷蘭、印度、加拿大等國在風力發(fā)電技術(shù)的研究與應用上投入了相當大的人力及資金，充分綜合利用空氣動力學、新材料、新型電機、電力電子技術(shù)、計算機、自動控制及通信技術(shù)等方面的最新成果，研制出了變極、變滑差、變速恒頻及低速永磁等新型發(fā)電機，開發(fā)了由微機控制的單臺及多臺風力發(fā)電機組成的機群的自動控制技術(shù)，從而大大提高了風力發(fā)電的效率及可靠性能。德國風力發(fā)電量占世界總量的40%，排名世界第一，其后依次為美國、西班牙、丹麥和印度。歐洲風能協(xié)會和綠色和平組織簽署了《風力12——關(guān)于2020年風電達到世界風力總量的12%的藍圖》的報告，期望并預測2020年全球的風力發(fā)電裝機將達到12.31億KW，年安裝量達到1.5億KW，風力發(fā)電量將占全球發(fā)電總量的12%。風力發(fā)電機單機容量朝著大型化發(fā)展，目前兆瓦級風力機已經(jīng)是國際風電市場上的主流產(chǎn)品，美國7兆瓦風力機已經(jīng)研制成功，而英國正在研制10兆瓦的巨型風力機。1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國大型發(fā)電機技術(shù)的開發(fā)應用落后于發(fā)達的歐美國家。在“八五”和“九五”期間，將風能應用列入了國家重點科技攻關(guān)項目，并組織了多家科研單位進行攻關(guān)，取得了一定成績。在短時間內(nèi)實現(xiàn)了技術(shù)跨越?，F(xiàn)在，在小型風力機組的生產(chǎn)和應用方面，我國以15萬臺擁有量居世界首位；但在大型并網(wǎng)風力發(fā)電方面起步較晚，發(fā)展速度不盡人意，但仍然取得了客觀的成績。目前我國國產(chǎn)化機組產(chǎn)量仍然偏小，遠未達到規(guī)模利益，使得零部件采購價格偏高，利潤空間很小。風場中使用的風力機95%都來自國外，設備幾乎全部是進口的。為了建立自己的風電工業(yè)，提升國產(chǎn)風力機組生產(chǎn)能力和應用重，近幾年我國進一步加強了風力機組制造行業(yè)的建設，并在全國形成了一批風電設備制造廠。此外還有清華大學、浙江大學、北方交通大學、沈陽工業(yè)大學等研究院所也都曾參與了風力發(fā)電相關(guān)技術(shù)的研究，已初步掌握了大型風力發(fā)電機組的系統(tǒng)設計關(guān)鍵設備的制造，取得了一定的成果，并有產(chǎn)品投入試運行，但畢竟時間太短，基礎較差，所制造的產(chǎn)品缺乏合適的設備檢驗和足夠的時間驗證，以至人們對國產(chǎn)風力發(fā)電機組技術(shù)的可靠性存在疑慮。我國有豐富的風能源，因此有風力發(fā)電在我國有著廣闊的發(fā)展前景。1.3課題所要解決的問題本文重點敘述了用SolidWorks對1MW風力發(fā)電機組中的主傳動系統(tǒng)部件的三維建模設計過程，并解決了對風力發(fā)電機組中的主傳動系統(tǒng)部件的設計、計算及選擇問題，最后把所設計的零件進行了裝配，并進行了傳動模擬。

第2章風機主傳動系統(tǒng)的總體設計2.1風力發(fā)電機主傳動系統(tǒng)的組成風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)設計內(nèi)容主要包括葉片、輪轂、偏航系統(tǒng)、主軸、主軸承、齒輪箱、剎車系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機艙及塔架的結(jié)構(gòu)設計。其主傳動系統(tǒng)又由輪轂、主軸、齒輪箱、連軸器、制動器、發(fā)電機等部件組成。本設計除了以上介紹的主傳動系統(tǒng)部件還設計了塔架和機艙底盤。2.2風力發(fā)電機主傳動系統(tǒng)的工作原理風力發(fā)電機組是利用風能轉(zhuǎn)化為機械能，再轉(zhuǎn)化為電能的一個系統(tǒng)。風輪（葉片和輪轂組成）在風的作用下旋轉(zhuǎn)，將風能轉(zhuǎn)換成風輪的旋轉(zhuǎn)機械能，將輪轂的扭矩通過主軸傳遞給增速箱，通過增速箱輪副的增速來實現(xiàn)發(fā)電機發(fā)電的要求。2.3風力發(fā)電機主傳動系統(tǒng)的布置形式風力機歸納起來，可分為兩類：①水平軸風力機，風輪的旋轉(zhuǎn)軸與風向平行。②垂直軸風力機，風輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流方向。對于風力發(fā)電機，多采用升力型水平軸風力機，因為大多數(shù)水平軸風力機具有對風裝置，能隨風向改變而轉(zhuǎn)動。所以采用此類型風力機。風力發(fā)電機組的主傳動系統(tǒng)主要有以下幾種形式：（1）一字型圖2-11—輪轂2—主軸3、6—連軸器4—增速箱5—制動器7—發(fā)電機這種布置形式，是風力發(fā)電機組中采用最多的形式，其主要特點是對中性好，負載分布均勻；其缺點是占軸線長，可能使主軸太短，主軸承載荷較大。（2）回流式圖2-21-輪轂2-主軸3、6-聯(lián)軸器4-增速箱5-制動器7-發(fā)電機其主要特點是可以縮短機艙長度，增加主軸長度，減少塔架負載的不均衡。（3）分流式圖2-31-輪轂2-主軸3、5-聯(lián)軸器4-增速箱6-制動器7-發(fā)電機這種形式比較少見，一般在設計中不采用。由于一字形布置方式對中性好，負載分布均勻，所以采用此種布置方式。

第3章風機主傳動系統(tǒng)中主要部件設計3.1輪轂的形式與選用3.1.1輪轂的作用及結(jié)構(gòu)輪轂是連接葉片與主軸的重要部件，它承受了風力作用在葉片上推力、扭矩、彎矩及陀螺力矩。通常輪轂的形狀為三通形或三角形。風輪輪轂的作用是傳遞風輪的力和力矩到后面的機械結(jié)構(gòu)中去，由此葉片上的載荷可以傳遞到機艙或塔架上。輪轂的結(jié)構(gòu)主要如圖3-1，3-6所示。它可以是鑄造結(jié)構(gòu)，也可以采用焊接結(jié)構(gòu)，其材料可以去鑄鋼也可以采用高強度球墨鑄鐵。由于高強度球墨鑄鐵具有不可替代的優(yōu)越性，如鑄造性能好、容易鑄成，且減振性能好，應力集中敏感性低、成本低等。在風力發(fā)電機組中大量采用高強度球墨鑄鐵作為輪轂的材料。圖3-1三通型輪轂圖3-2三角型輪轂3.1.2輪轂的形式一般常用的輪轂形式有以下幾種：（1）剛性輪轂剛性輪轂的制造成本低、維護少、沒有磨損，三葉片風輪大部分采用剛性輪轂，也是目前使用最廣泛的一種形式。但它要承受所有風自風輪的力和力矩，相對老講承受風輪載荷高，后面的機械承載大，結(jié)構(gòu)上有三角形和球形等形式。（2）鉸鏈式輪轂鉸鏈式輪轂常用于單葉片和二葉片風輪，鉸鏈軸及風輪旋轉(zhuǎn)軸相互垂直，葉片在揮舞方向、擺振方向和扭矩方向上都可以自由活動，也可以稱為柔性輪轂。由于鉸鏈式輪轂具有活動部件，相對于剛性輪轂來說，制造成本高，可靠性相對較低，維護費用高；它與剛性輪轂比所受力和力矩較小。對于二葉片風輪，兩個葉片之間是剛性連接的，可繞聯(lián)軸節(jié)活動。當來流在上下有變化或陣風時，葉片上的載荷可以使葉片離原風輪旋轉(zhuǎn)平面。由于此風力發(fā)電機風輪采用三葉片，所以輪轂采用剛性三通型輪轂。3.2主軸的設計3.2.1主軸的作用及結(jié)構(gòu)在風力發(fā)電機組中，主軸承擔了支撐輪轂傳遞過來的各種負載的作用，并將扭矩傳遞給增速箱，將軸向力、氣動彎矩傳遞給機艙、塔架。在結(jié)構(gòu)允許的條件下，通常將主軸盡量設計的保守一些。主軸的主要結(jié)構(gòu)一般有以下兩種，如圖3-3所示。圖3-3主軸示意圖a）挑臂梁結(jié)構(gòu)b)懸臂梁結(jié)構(gòu)圖a主軸由兩個調(diào)向滾柱軸承所支撐。圖b主軸上的一個支撐由軸承架支撐；另一支撐由齒輪箱支撐，也就是所謂的三點式支撐。此種結(jié)喉的優(yōu)點是前支點為剛性支撐，后支點（齒輪箱）為彈性支撐。這種結(jié)構(gòu)能吸收自與片來的突變負載。所以主軸采用了懸臂梁結(jié)構(gòu)。3.2.2主軸強度校核主軸的疲勞強度安全系數(shù)校核主軸的疲勞強度校核判斷根據(jù)為。當該式不能滿足時，應改進軸的結(jié)構(gòu)降低應力集中，其主要措施可采用熱處理、表面強化處理等工藝措施以及加大軸徑、改用較好材料等方法解決。危險截面安全系數(shù)S的校核計算公式為(3-1)式中——只考慮彎矩作用時的安全系數(shù)——只考慮扭矩作用時的安全系數(shù)——按疲勞強度計算的許用安全系數(shù)(3-2)式中——對稱循環(huán)應力下的材料彎曲疲勞極限（MPa）——對稱循環(huán)應力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限（MPa）——彎曲和扭轉(zhuǎn)時的有效應力集中系數(shù)——表面質(zhì)量系數(shù)——材料拉伸和扭轉(zhuǎn)的平均應力折算系數(shù)——彎曲應力的應力副和平均應力（MPa）——扭轉(zhuǎn)應力的應力副和平均應力（MPa）以知：，查機械設計手冊表26·1-1得=255MPa，=145MPa；查表26·3-6得，；查表26·3-9得；查表26·3-13得，；查表26·3-11得，，因為是對稱循環(huán)所以。——空心軸內(nèi)徑與外徑d之比，——抗彎和抗扭截面系數(shù)㎜——截面上的彎矩和扭矩N·mmN·mN·mmm由表26·3-4可知，=，故，所以是安全的。3.2.3主軸材料主軸材料選用由于風力發(fā)電機組主軸受力復雜，通選用的材料是34CrNiMo6。3.3齒輪箱的構(gòu)造及選用風力發(fā)電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件，其主要功能是將風輪在風力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應的轉(zhuǎn)速。風輪的轉(zhuǎn)速很低，遠達不到發(fā)電機發(fā)電的要求，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。由于機組安裝在高山、荒野、海灘、海島等風口處，受無規(guī)律的變向變載荷的風力作用以及強陣風的沖擊，常年經(jīng)受酷暑、嚴寒和極端溫差的影響，加之所處環(huán)境交通不便，齒輪箱安裝在塔頂?shù)莫M小空間內(nèi)，一旦出現(xiàn)故障，修復非常困難，故對其可靠性和使用壽命比一般的機械高得多的要求。3.3.1齒輪箱的構(gòu)造齒輪箱的類型與特點：風力發(fā)電機組齒輪箱的種類很多，按照傳統(tǒng)類型可以分為圓柱齒輪箱、行星齒輪箱以及它們互相組合起來的齒輪箱；按照傳動的級數(shù)可分為單級和多級齒輪箱；按照傳動的布置形式又可以分為展開式、分流式和同軸式以及混合式等等。常用的齒輪箱形式及特點和應用如下：（1）兩級圓柱齒輪傳動：1）展開式：如圖3-4所示，傳動比i=，這種傳動形式結(jié)構(gòu)簡單，但齒輪相對于軸承的位置不對稱，因此要求軸有較大的剛度。高速級齒輪布置在遠離轉(zhuǎn)矩輸入端，這樣，軸在轉(zhuǎn)矩作用下產(chǎn)生的扭矩變形可部分地互相抵消，以減緩沿齒寬載荷分布不均勻的現(xiàn)象。用于載荷比較平穩(wěn)的場合。高速級一般做成斜齒，低速級可做成直齒。2）分流式：如圖3-5所示，傳動比i=，這種結(jié)構(gòu)復雜，但由于齒輪相對于軸承對稱布置，與展開式相比載荷沿齒寬分布均勻、軸承受載較均勻。中間軸危險截面上的轉(zhuǎn)矩只相當于軸所傳遞轉(zhuǎn)矩的一半。適用于變載荷的場合。高速級一般用斜齒，低速級可用直齒或人字齒。圖3-4展開式圖3-5分流式3）同軸式：如圖3-6所示，傳動比i=，這種傳動形式減速器橫向尺寸較小，兩對齒輪侵入油中深度大致相同，但軸向尺寸和重量較大，且中間軸較長、剛度差，使沿齒寬載荷分布不均勻，高速軸的承載能力難于充分利用，兩級圓柱齒輪傳動同軸。4）同軸分流式：如圖3-7所示，傳動比i=，這種傳動形式每對嚙合齒輪僅傳動全部載荷的一半，輸入軸和輸出軸只承受扭矩，中間軸只受全部載荷的一半，故與傳遞同樣功率的其他減速器相比，軸頸尺寸可以縮小。圖3-6同軸式圖3-7同軸分流式（2）行星齒輪傳動1）單級NGW：如圖3-8所示，傳動比i=，與普通圓柱齒輪減速器相比，尺寸小，重量輕，但制造精度要求較高，結(jié)構(gòu)較復雜，在要求結(jié)構(gòu)緊湊的動力傳動中使用廣泛。2）兩級NGW：如圖3-9所示，傳動比i=，特點與應用與單級NGW相同。圖3-8單級NGW圖3-9兩級NGW3）一級行星兩級圓柱齒輪傳動混合式：如圖3-10所示，傳動比i=，低速軸為行星傳動，使功率分流，同時合理應用了內(nèi)嚙合。末二級為平行軸圓柱齒輪的傳動，可合理分配減速比，提高傳動效率。圖3-10混合式齒輪箱傳動形式的選用：由于需求齒輪箱的增速比為1：78.158，根據(jù)以上齒輪箱的特點以及設計的需要，我們采用了一級行星兩級圓柱齒輪混合式傳動。3.3.2齒輪箱的箱體設計齒輪箱的設計必須保證在滿足可靠性和預期壽命的前提下，使結(jié)構(gòu)簡化并且重量最輕。根據(jù)機組的要求，選用合理的設計參數(shù)，排定最佳傳動方案，選擇穩(wěn)定可靠的構(gòu)件和具有良好力學特性以及在環(huán)境溫差下仍然保持穩(wěn)定的材料，配備完整充分的潤滑、冷卻系統(tǒng)和監(jiān)控裝置等，是設計齒輪箱的必要前提條件。箱體是齒輪箱的重要部件，它承受來自風輪的作用力和齒輪傳動時產(chǎn)生的反力。箱體必須具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。箱體的設計按照風力發(fā)電機組的動力傳動的布局、加工和裝配、檢查以及維護等要求來進行。注意軸承支承和機座支承的不同方向的反力及其相對值，選取合適的支承結(jié)構(gòu)和壁厚，增設必要的加強筋。筋的位置須與引起箱體變形的作用力的方向相一致。采用鑄鐵箱體可發(fā)揮其減振性，易于切削加工等特點。常用的材料有球墨鑄鐵。鑄造箱體時應盡量避免壁厚突變，減小壁厚差，以免產(chǎn)生縮孔和疏松等缺陷。為減小機械加工過程和使用中的變形，防止出現(xiàn)裂紋，應進行退火、時效處理，以消除內(nèi)應力。為了便于裝配和定期檢查齒輪的嚙合情況，在箱體上設有觀察窗。機座旁設有連體吊鉤，供起吊整臺齒輪箱用。箱體支座的凸緣具有足夠的剛性，尤其是作為支承座的耳孔和搖臂支座孔的結(jié)構(gòu)。為了減小齒輪箱傳動到機艙機座的震動，齒輪箱可安裝在彈性減振器上。箱蓋上還應設有透氣罩、油標或油位指示器。在相應部位設有注油器和放油孔。3.3.3齒輪箱的齒輪設計風力發(fā)電機組齒輪箱的主要承載零件是齒輪，其齒輪的失效形式主要是輪齒者斷和齒面點蝕、剝落，故各種標準和規(guī)范都要求對齒輪的承載能力進行分析計算，常用用的標準是GB/T3480或DIN3990中規(guī)定的齒根彎曲疲勞和齒面接觸疲勞校核計算，對輪齒進行極限狀態(tài)分析。（1）齒輪傳動設計參數(shù)的選擇：1）形角（分度圓壓力角）的選擇齒輪的標準齒形角為。采用大齒形角（、、等），可以提高強度，使輪齒的齒厚及節(jié)點處的齒廓曲率半徑增大，從而提高承載能力，但會增大軸承上的載荷。采用小齒形角（小于）時，可使避免根切的最少齒數(shù)增多，加大了重合度，從而降低噪聲和動載荷，但會減小輪齒的強度。根據(jù)實踐經(jīng)驗，我們采用了標準齒形角。2）摸數(shù)m的選擇在滿足輪齒彎曲強度的條件下，選用較小的摸數(shù)可以增大齒輪副的重合度，減小滑動率，也可以減小齒輪切削量，降低制造成本。但隨之而來的因制造和安裝的質(zhì)量問題會增大輪齒折斷的危險性，故實際使用常常選用較大摸數(shù)。摸數(shù)的選擇：行星級內(nèi)齒輪、行星輪、太陽輪的摸數(shù)m=14，中間級齒輪摸數(shù)m=12，高速級齒輪摸數(shù)m=8。3）齒數(shù)Z受齒輪根切的限制，小齒輪有最少齒數(shù)的要求。對于尺寸一定的齒輪，齒數(shù)加和摸數(shù)減小可明顯提高傳動質(zhì)量，故在滿足輪齒彎曲強度的條件下，應盡量選用較多齒數(shù)。齒數(shù)選擇：行星級內(nèi)齒輪Z=90，行星輪Z=35，太陽輪Z=18；中間級小齒輪Z=16，大齒輪Z=60；高速級大齒輪Z=66，小齒輪Z=19。4）螺旋角角太小，將失去斜齒輪的優(yōu)點；取大值，可增大重合度，使傳動平穩(wěn)性提高，但會引起很大的軸向力，一般取=。對于普通圓柱齒輪傳動，低速級轉(zhuǎn)速低扭矩大，可采用直齒輪；中間級通常?。桓咚偌墳闇p少噪聲，可取較大的口角，如。所以，中間級斜齒輪螺旋角??；高速級斜齒輪螺旋角取。5）齒寬B齒寬是決定齒輪承載能力的主要尺寸之一，但齒寬越大，載荷沿齒寬分布不均勻的現(xiàn)象越嚴重。齒輪應給定一個最小齒寬，以保證齒輪足夠的剛度。行星級齒輪寬度B=220mm；中間級大齒輪齒寬B=240mm，小齒輪齒寬B=250mm；高速級小齒輪齒寬B=140，大齒輪齒寬B=130mm。（2）齒輪加工1）滲碳淬火通常齒輪最終處理的方法是滲碳淬火，齒表面硬度達到HRC60+/-2，同時規(guī)定隨摸數(shù)大小而變化的硬化層深度要求，具有良好的抗磨損接觸強度，輪齒心部具有相對較低的硬度和較好的韌性，能提高抗彎曲強度。滲碳淬火后獲得較理想的殘余應力，它可以使齒輪最大拉應力區(qū)的應力減小。因此對齒根部通常保留熱處理后的表面，在磨齒時不磨去齒根部分。2）齒形加工為了減輕齒輪副嚙合時的沖擊，降低噪聲，需要對齒輪的齒形齒向進行修行。在一對齒輪副中，小齒輪的齒寬比大齒輪略大一些，這主要是為了補償軸向尺寸變動和便于安裝。（3）齒輪與軸的聯(lián)接1）平鍵聯(lián)接：常用與具有過盈配合的齒輪或聯(lián)軸節(jié)的聯(lián)接。由于鍵是標準件，故可根據(jù)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點、使用要求和工作條件進行選擇。如果強度不夠，可采用雙鍵，成布置，在強度校核時按1.5個鍵計算。2）花鍵連接：通常這種聯(lián)接是沒有過盈的，因而被聯(lián)接零件需要軸向固定。花鍵聯(lián)接承載能力高，對中性好，但制造成本高，需要專用刀具加工。花鍵按其齒形不同，可分為矩形花鍵、漸開線花鍵和三角形花鍵三種。漸開線花鍵聯(lián)接在承受負載的齒間的徑向力能起到自動定心作用，使各個齒受力比較均勻，其加工工藝與齒輪大致相同，易獲得較高的精度和互換性，故在風力發(fā)電齒輪箱中應用較廣。3）脹緊套聯(lián)接：利用軸、孔與錐形彈性套之間接觸面上產(chǎn)生的摩擦力來傳遞動力，是一種無鍵聯(lián)接方式，定心性好，裝拆方便，承載能高，能沿周向和軸向調(diào)節(jié)軸與輪轂的相對位置，且具有安全保護作用。3.3.4齒輪箱軸的設計齒輪箱中的軸按其主動和被動關(guān)系可分為主動軸、從動軸和中間軸。首級主動軸和末級從動軸的外伸部分，與風輪輪轂、中間軸或電機轉(zhuǎn)動軸相連接。由于是增速傳動，較大的傳動比使軸上的齒輪直徑較小，因而輸出軸往往采用軸齒輪結(jié)構(gòu)。為了保證軸的強度和剛度，允許軸的直徑略小于齒輪頂圓，此時要留有滾齒、磨齒的退刀間距，盡可能避免損傷軸承軸頸。軸上各個配合部分的軸頸需要進行磨削加工。為了減少應力集中，對軸上臺肩處的過渡圓角、花鍵向較大軸徑過渡部分，均應作必要的拋光處，以提高軸的疲勞強度。在過盈配合處，為減少輪轂邊緣的應力集中，壓合處的軸徑應比相鄰部分軸徑加大5%。裝在軸上的零件，軸向固定應可靠，工作載荷應盡可能用軸上的止推軸肩來承受，相反方向的固定則可利用螺帽或其他緊固件。3.3.5齒輪箱的軸承設計齒輪箱的支承中，大量應用滾動軸承，其特點是靜摩擦力矩和動摩擦力矩都很小，即使載荷和速度在很寬范圍內(nèi)變化時也如此。滾動軸承的安裝和使用方便，但是，當軸的轉(zhuǎn)速接近極限轉(zhuǎn)速時，軸承承載能力和壽命急劇下降，高速工作時的噪聲和震動都比較大。齒輪傳動時，軸和軸承的變形引起齒輪和軸承內(nèi)外圈軸線的偏斜，使輪齒上載荷分布不均勻，會降低傳動的承載能力。由于載荷不均勻性而使輪齒經(jīng)常發(fā)生斷齒的現(xiàn)象，在許多情況下又是由于軸承的質(zhì)量和其他因素，如劇烈的過載而引起的。在風力發(fā)電齒輪箱上常采用的軸承有圓柱磙子軸承、圓錐滾子軸承、調(diào)心滾子軸承等。在所有的滾動軸承中，調(diào)心滾子軸承的承載能力最大，且能廣泛應用在承受較大負載或難以避免同軸誤差和撓曲較大的支承部位。此齒輪箱基本上都使用的是調(diào)心滾子軸承。調(diào)心滾子軸承有雙列球面滾子，滾子軸線傾斜于軸承的旋轉(zhuǎn)軸線。其外圈滾道呈球面形，因此滾子可在外圈滾道內(nèi)進行調(diào)心，以補償軸的撓曲和同心誤差。這種軸承的滾道型面與球面滾子型面非常匹配。雙排球面滾子在具有三個固定擋邊的內(nèi)圈滾道上滾動，中擋邊引導滾子的內(nèi)端面。當有滾子組件的內(nèi)圈中向外擺動時，則由內(nèi)圈的兩個外擋邊保持滾子。每排滾子均有一個黃銅實體保持。3.4電機的選用3.4.1電機選用此主傳動系統(tǒng)采用的是雙饋異步發(fā)電機。3.4.2雙饋異步電機的工作原理眾所周知，同步發(fā)電機在穩(wěn)態(tài)運行時，其輸出端電壓的頻率與發(fā)電機的極對數(shù)及發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速有著嚴格固定的關(guān)系，即(3-3)式中——發(fā)電機輸出電壓頻率，Hz——發(fā)電機的極對數(shù)——發(fā)電機旋轉(zhuǎn)速度，r/min顯而易見，在發(fā)電機轉(zhuǎn)子變速運行時，同步發(fā)電機不可能發(fā)出恒頻電能，由電機結(jié)構(gòu)知，繞子轉(zhuǎn)子異步電機的轉(zhuǎn)子上嵌裝有三相對稱繞組，根據(jù)電機原理知道，在三相對稱繞組中通入三相對稱交流電，則將在電機氣隙內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，此旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與所通入的交流電的頻率及電機的極對數(shù)有關(guān)，即（3-4）式中：為繞線轉(zhuǎn)子異步電機轉(zhuǎn)子的三相對稱繞組通入頻率為的三相對稱電流后所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)速度，r/min；為繞線轉(zhuǎn)子異步電機的極對數(shù)；為繞線轉(zhuǎn)子異步電機轉(zhuǎn)子三相繞組通入的三相對稱交流頻率，Hz。從式（3-4）中可知，改變頻率，即可改變，而且若改變通入轉(zhuǎn)子三相電流的相序，還可以改變此轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向。因此，若設為對應于電網(wǎng)頻率為50Hz（=50Hz）時異步發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速，而n為異步電機轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)速度，則只要維持=常數(shù)，見式（3-5），則異步電機定子繞組的感應電勢，如同在同步發(fā)電機時一樣，其頻率將始終維持不變。=同步轉(zhuǎn)速（3-5）異步電機的滑差率，則異步電機轉(zhuǎn)子三相繞組內(nèi)通入的電流頻率應為（3-6）公式（3-6）表明，在異步電機轉(zhuǎn)子以變化的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時，只要在轉(zhuǎn)子的三相對稱繞組中通入滑差頻率（即入S）的電流，則在異步電機的定子繞組中就能產(chǎn)生50Hz的恒頻電勢。3.5機艙底盤作用及選用風力發(fā)電機組的機艙除了承擔容納所有機械部件外，還承受所有外力（包括靜負載及動負載）的作用。尤其是現(xiàn)在風力發(fā)電機組為了獲得更多的風能，往往將塔架高度提的很高，對機艙的強度的要求更為苛刻，特別是對機艙底盤的結(jié)構(gòu)設計要求較高。3.5.1機艙底盤的分類及選用機艙底盤一般分類如下：(1)按制造方法及材料可分為鑄造機艙底盤、焊接機艙底盤二類。(2)按結(jié)構(gòu)形狀可分為梁式機艙底盤、框架式機艙底盤、箱式機艙底盤三類。焊接機艙底盤具有強度和剛度、重量輕、生產(chǎn)周期短以及施工簡單等優(yōu)點，因此在風力發(fā)電機組中采用焊接機艙底盤。3.5.2機艙底盤設計要求機艙底盤的設計主要應保證剛度、強度及穩(wěn)定性。機艙底盤強度和剛度都要從靜態(tài)和動態(tài)兩個方面考慮。動剛度是衡量機艙底盤抗振能力的指標，而提高機艙底盤抗振性能力從提高機艙底盤構(gòu)件的靜剛度、控制固有頻率、加大阻尼等。機艙底盤設計的一般要求在滿足剛度及強度的前提下，機艙底盤應盡量輕、成本低；抗振性好；機構(gòu)設計合理，工藝性良好，便于焊接和機械加工；結(jié)構(gòu)力求便于安裝與調(diào)整，方便修理和更換零部件；造型好，使之即適用經(jīng)濟，又美觀大方。3.5.3機艙底盤的材料焊接機艙底盤采用多采用Q235板材。為了保持尺寸穩(wěn)定，消除內(nèi)應力，焊接后必須進行熱處理，第一次熱處理安排在焊接完成后，第二次熱處理安排在粗加工之后進行。3.6塔架的介紹塔架和基礎是風力發(fā)電機組的主要承載部件。其重要性隨著風力發(fā)電機組的容量增加，高度增加，愈來愈明顯。在風力發(fā)電機組中塔架的重量占風力發(fā)電機組總重的1/2左右，其成本占風力發(fā)電機組制造成本的15%左右，由此可見聽架在風力發(fā)電機組設計與制造中的重要性。3.6.1塔架的作用塔架的主要功能是支承風力發(fā)電機的機械部件，發(fā)電系統(tǒng)（重力負載），承受風輪的作用力和風作用在塔架上的力（彎矩、推力及對塔架的扭力），塔架還必須具有足夠的疲勞強度，能承受風輪引起的振動載荷，包括起動和停機的周期性影響、突風變化、塔影效應等。塔架的剛度要合適，其自振頻率（彎曲及扭轉(zhuǎn)）要避開運行頻率（風輪旋轉(zhuǎn)頻率的3倍）的整數(shù)倍。塔架靜強度的載荷條件(1)橫吹：風速為65m/s（2s平均）風輪不轉(zhuǎn)動，葉片順槳，風向吹在艙上。(2)正常運行十地震載負：風速為額定風速時，產(chǎn)生的風輪軸向力最大,同時根據(jù)均勻建筑物由地震產(chǎn)生的水平載荷因子，將其產(chǎn)生的慣性力加在風輪軸向推力上。(3)最大運行載荷：額定風速下正常運行載荷的2倍。3.6.2塔架的主要形式及選用（1）單管拉線式塔架由一跟鋼管和條拉線組成，如圖3-11所示。它具有簡單、輕便、穩(wěn)定等優(yōu)點。圖3-11單管拉線塔架示意圖圖3-12桁架拉線式（2）桁架拉線式小、中型風力機的塔架通常都采用這種結(jié)構(gòu)。它由鋼管或角鋼焊接而成的桁架，在輔以跟拉線組成，如圖3-12所示。桁架的斷面形狀最常見的有等邊三角形與正方形兩種。（3）桁架式它由鋼管或角鋼焊接而成底大頂小的桁架，其斷面最常用的是正方形，也有采用多邊形的，如圖3-13所示。這種結(jié)構(gòu)不帶拉線，沿著桁架立掛的腳手架可爬往機艙。下風向布置的中；大型風力機多采用這種結(jié)構(gòu)的塔架。（4）圓臺式它由鋼板卷制焊接而成的上小下大的圓臺，如圖3-14所示。機組的動力盤與控制柜通常就吊掛在塔架的內(nèi)壁上，無需再另建控制室。塔內(nèi)有直梯通往機艙。它外形美觀、結(jié)構(gòu)緊湊，很受歡迎。因此，廣泛用于上風向布置的大型風力機上。圖3-13桁架塔架示意圖圖3-14圓臺塔架示意圖由于圓臺式結(jié)構(gòu)突出、外形美觀，所以此風力發(fā)電機采用的是圓臺式塔架。3.6.3塔架的材料在風力發(fā)電機組中常用材料為Q3455c，Q345D。此風力發(fā)電機塔架材料用的是Q345D該材料具有韌性高、低溫性能較好的優(yōu)點，具有一定的耐腐蝕性。由于風力發(fā)電機組安裝在荒野、高山、海島，承受日曬雨淋，甚至沙塵和鹽霧的腐蝕。所以其表面防銹處理十分重要。通常表面采用熱鋅，噴鋅或噴漆處理。一般表面防銹處理要達到20年以上的壽命。

第4章基于SolidWorks的風機主傳動系統(tǒng)三維建模方法4.1輪轂的建模方法在SolidWorks里對輪轂進行三維建模的方法：首先在零件圖里進行草圖繪制，選擇前視基準面繪制草圖，如圖4-1所示。圖4-1輪轂草圖然后退出草圖，選擇工具攔上的旋轉(zhuǎn)凸臺，以前視基準面為基準距離為840mm建立一個基準面，在此基準面畫草圖圓直徑為1950mm，退出草圖并對其拉伸厚度為230mm的凸臺，在以凸臺為基準面繪制草圖直徑為1696mm的圓，退出草圖對其拉伸切除，對凸臺底邊作圓角，并在凸臺上繪制直徑為1720mm和1696mm圓的草圖，拉伸出高度為10mm的凸臺，在以上一個凸臺為基準，在工具攔上選擇異型孔導向繪制M30的螺紋孔，并對其圓周陣列。在以圖4-1的軸線為基準軸對上述特征進行圓周陣列，對各邊作圓角，并對旋轉(zhuǎn)所得到實體的大孔上面為基準，作M16的螺紋孔，進行陣列得到圖4-2。圖4-2輪轂以上就是用SolidWorks對輪轂三維建模的步驟，圖4-2就是風力發(fā)電機輪轂三維建模模型。4.2增速箱的建模方法4.2.1上箱體的三維建模方法在零件圖里以前視基準面繪制直徑為1510mm的圓，拉伸厚度為210mm的凸臺，在以凸臺為基準面繪制草圖，退出草圖，拉伸深度為689mm的凸臺，并以半圓凸臺底面為基準面，繪制草圖，退出草圖，選擇工具攔上的旋轉(zhuǎn)凸臺.在以長方形凸臺上面為基準面繪制寬度為84.5mm的長方形草圖，選擇工具攔上的拉伸切除，然后在以半圓凸臺的內(nèi)面為基準面繪制高為145mm，寬為104.5mm的長方形草圖，選擇工具攔上的拉伸凸臺。以凸臺前面為基準面繪制草圖，然后選擇工具攔上的拉伸切除，深度為86mm。對新生成的圖形進行45mm的倒角。在以長方形凸臺上面為基準面繪制草圖，退出草圖，選擇工具攔上的拉伸切除，深度為375mm。在以141mm為高，以66為寬拉伸出凸臺。以凸臺前面為基準面繪制草圖，選擇拉伸切除。并以長方形凸臺上面為基準面繪制草圖，特征選擇成型到下面拉伸凸臺。在凸臺另一面以上面為基準面繪制草圖，選擇工具攔上的拉伸切除，深度為460mm。對拉伸出的凸臺進行切除直徑為50mm的圓孔，并對邊作60mm的圓角,以半圓凸臺為基準面做草圖直徑為50mm的圓孔，拉伸切除并陣列切除特征。在以凸臺前面為基準繪制草圖，退出草圖，作深度為126mm的拉伸切除，在以前面為基準面繪制草圖，退出草圖拉伸高度為8mm的凸臺。以前面為基準面，距離為360mm為基準建立一個基準面，在此基準面上繪制草圖，如圖4-3所示。圖4-3上箱體內(nèi)部建模退出草圖，做對稱拉伸切除，寬度為430mm，在切除的模型里面為基準面，繪制直徑為225mm和310mm的圓草圖，并對其拉伸切除，深度分別為85mm和110mm，在以切除的面為基準繪制205mm和280mm的圓的草圖，分拉伸切除深度為15mm。以前視基準面繪制草圖，退出草圖，選擇工具攔上的旋轉(zhuǎn)切除，得到圖4-4。圖4-4上箱體以上就是用SolidWorks對風機齒輪箱上箱體的建模方法。4.2.2行星架的三維建模方法首先在零件圖進行草圖設計，繪制草圖，如圖4-5所示。圖4-5行星架草圖退出草圖，選擇工具攔上的旋轉(zhuǎn)凸臺。對其各邊做圓角，并以前面為基準面繪制草圖，對其拉伸切除，在以前視基準面為基準繪制草圖，退出草圖，選擇工具攔上的拉伸切除，在以切除的實體面為基準面繪制草圖，拉伸高度為5mm的凸臺，在以此凸臺為基準面繪制直徑為160mm的草圖，選擇工具攔上的拉伸切除，特征為完全貫穿，對上述特征以中線為基準線做圓周陣列。以里面為基準面繪制直徑為120mm的草圖，退出草圖作拉伸切除，深度為62mm，同樣以里面為基準面繪制直徑為220mm的草圖圓，退出草圖作拉伸切除，深度為25mm，在此切除實體面上做M16的羅紋孔，并陣列，如圖4-6所示。圖4-6行星架以上就是用SolidWorks對風機齒輪箱的行星架的三維建模方法。4.2.3高速軸的三維建模方法首先在零件圖里以前視基準面繪制草圖，退出草圖在工具攔里選擇拉伸