风力发电机组齿轮箱的设计与分析毕业论文.docx

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1、风力发电机组齿轮箱的设计与分析毕业论文目录摘要错误!未定义书签。Abstract错误!未定义书签。1绪论11.1 课题背景11.2 国内外的发展1L 3毕业设计的主要内容21.4本章小结22齿轮箱的设计42. 1增速齿轮箱方案设计42.2齿轮参数的确定52.2. 1圆柱齿轮参数52.2.2行星轮系的齿轮参数62.3受力分析与静强度校核72.3.1受力分析72. 3. 2低速级外啮合齿面静强度计算92. 4高速轴的设计92. 5低速轴的设计92. 6中间轴的设计103. 7箱体的设计102.8本章小结113基于Pro/E的参数化建模124. IPro/Engineer 软件简介123.2参数化建

2、模介绍133. 3行星传动齿轮的建模133. 3.1行星轮的建模133. 3.2内齿轮的建模193. 4斜齿轮的建模213. 5轴类零件的建模273. 6生成装配图284. 7本章小结284基于ANSYS的轴类零件有限元分析295. 1 ANSYS 概述296. 2ANSYS workbench 概述297. 3轴类零件的分析过程298. 4本章小结325总结33参考文献34致谢351绪论1.1 课题背景风能是一种清洁的可再生能源，其总量要比固体、液体燃料能量的总和大得多，是一种永不枯竭的能源。有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世

3、界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一，由能源所引发的环境问题和人民生活水平不断提高所引起的对电力的需求，可以通过大力发展风力发电来解决。因此风力发电的开发和利用已经为世界各个国家所重视，并成为了电力系统构成中一个重要组成部分，对风力发电技术及风力发电机的研究亦有着重要的现实意义。由于风能是一种可再生的清洁能源，因此被称为蓝天白煤。据估计，地球上每年由太阳能转化来的风能大概有两百多万亿千瓦时，但是由于人类科学技术发展水平的限制，我们只能利用其中很少的一部分。就目前来看，我国的风力发电还是初级水平，风力发电量占全国发电总量很少，仅百分之一左右。但是我国的风力资源是很丰富的

4、。我国实际可开发利用的陆地风能储存量约为2.5亿KW,近海可开发利用的风力储存量为7.5亿KW,这说明我国在风力发电领域内拥有很大的潜力。但是另一方面，由于我国幅员辽阔，气候、地理差异较大，所以我多对风机的需求也多样化，现在国产的600KW机组和750KW机组已经难以满足目前的风电市场。风电强国如丹麦、美国等的风电技术领先我国很多，我们需要认真借鉴他们的经验，总结基础数据和经验，加强对总体设计以及核心设计制造技术的研究。加大对风力发电增速齿轮箱动态设计研究的力度，可以提高我国齿轮箱自主开发的水平，减小与国外风电技术的差距，提高国内风电技术的自主创新能力，降低对进口的需求，从而使我国风电机组的国

5、产化水平得到提高。加快开发风力资源，可以缓解中国正在面临的能源问题，减少环境污染，同时可以增加就业机会，实现经济、社会的可持续发展。伴随着风电产业的迅速发展，风电装备制造业在全球范围内也日趋繁荣，作为风电机组中的一个重要部件，风电齿轮箱自然受到国内外风电相关行业和研究人员的关注。风机增速齿轮箱的主要作用是把风轮的动力传递给发电机，是发电机得到合适的转速从而发电，它是风力发电机组中的一个很重要的机械传动装置，直接影响风力发电的整个过程。近年来国内外都把对它的研究作为风力发电技术研究的一个核心，并致力于对高效、大功率以及高安全性增速齿轮箱的研究。风力发电机组一般都是安装在荒野、海滩、高山等地方，这

6、些地方风力很大，会给风机带来强大而且无规律的冲击。此外风机还要常年承受酷热和极端温差。多以相比于一般的机械产品，我们对风机的质量提出了更高的要求。我国对姗级以上的大型风电齿轮箱设计和制造技术几乎出于空白。而且随着运行时间的积累，发现在风力发电机的液压、监控、机械传动等几大系统中，传动系统中齿轮箱最易出现故障，因此设计出可靠性高的齿轮箱是发展我过风电事业的重点之一。1.2 国内外的发展世界上第一台用于发电的风力机1891年在丹麦建成，但由于各种原因未能成为电网中的电源。直到1973年发生石油危机，美国、西欧等国家为寻求替代化石燃料的能源，投人大量经费，研制现代风力发电机组，开创了风能利用的新时代

7、。目前，世界各国都竞相发展风电事业，利用风能的步伐不断加快，风电规模逐步扩大，风力发电由小到大、由单机到并网运行快速发展，已经形成了一种新兴产业。美国风力发电装机容量约160MW. 1992年风力发电量约30亿kwh主要集中在加利福尼亚州阿尔塔蒙特(Altamont)山口、蒂哈查皮(Tehachapi)山和圣戈尔戈尼奥(san Gorgoniv)山口。1992年新增装机容量很小，原因是淘汰了 80年代中期安装的风力发电机，这些风力机容量小、效率低。1992年丹麦的风电已经占其总发电量的百分之3。加拿大、日本、澳大利亚和以色列也十分重视风力发电。加拿大对垂直轴达里厄(Darrieus)型风轮机感

8、趣已有多年，已制成4MW+EOLE原型机，安装在魁北克的卡普沙据全球风能理事会(GWEC)发布的全球风电市场装机数据显示，全球风电产业2011年新增风电装机容量达四万一千兆瓦。这一新增容量使全球累计风电装机达到二十三万八千兆瓦。我国的风能资源十分丰富。根据全国第2次风能资源普查结果，全国陆地风能离地面10 m高度的经济可开发量达2.53亿kW,近海资源估计是陆上资源的3倍，10 m高经济可开发量约7.5亿kW,全国陆地、海上风能离地面10 m高度的经济可开发量总共约10亿kW。近年来，我国风电产业发展势头强劲，近年累计及新增装机容量。2009年中国新增风电装机容量为1 380.3万kW,超越美

9、国成为全球新增风电装机容量最多的国家。2009年中国是全球累计风电装机容量仅次于美国的国家，累计风电装机2 580.5万kW； 2010年，全球每新安装3台机组，就有1台在中国，当年新增风电装机容量1 882.8万kW,累计风电装机容量为4 453.3万kW,超越美国成为全球新增和累计风电装机容量最多的国家。1.3 毕业设计的主要内容本文以1.5MW级风力发电机齿轮箱为对象，通过对齿轮箱的机械结构设计，计算齿轮箱中各部分零件参数,再利用三维设计软件Pro/E进行建模,导入有限元分析软件ANSYS中进行轮齿的应力分析，具体内容如下：1)风电齿轮箱结构设计。依据其所要求的技术匹配参数，选择适当的齿

10、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、螺旋角等的确定，通过对运动副的受力分析，依照相关标准进行静强度校核。2)参数化三维造型。基于Pro/E的参数化建模功能，通过相关程序，实现齿轮箱中斜齿轮的参数化建模，完成各部分实体造型，并对其进行简单装配。3)高、中、低速轴有限元分析。首先，依据相关标准对齿轮进行应力计算；其次，利用有限元分析软件ANSYS,对齿轮进行有限元分析，对两者结果进行比较以验证有限元模型的正确性。1.4 本章小结本节介绍了风力发电的重要性和它在国内外的发展现状和趋势，并强针对中国的现状，大力发展风电的迫切性。另外本章还明确了课程设计的主要任务。2齿轮箱的

11、设计2.1增速齿轮箱方案设计兆瓦级风电齿轮箱的传动比往往在100左右，这种齿轮箱的传动形式一般有两种。第一种是两级行星齿轮传动结合一级平行轴圆柱齿轮传动，第二种是一级行星齿轮传动结合两级平行轴圆柱齿轮传动。行星齿轮传动和平行轴圆柱齿轮传动比较而言，有它的优点也有自身的缺点。它的优点是：制造方便，结构简单，体积小，重量轻，传动效率比较高：合理发挥了内啮合的优良特性；抽象尺寸大大缩短。它的缺点是：制造加工困难；结构形式相对于平行轴齿轮比较复杂；由于体积小、散热困难导致润滑油温度升高，所以它对润滑和冷却装置也提出了很高的要求。基于行星齿轮传动的优缺点，我们选择平行轴齿轮传动和行星齿轮传动相结合的传动

12、方式，这样就综合了两者的优点，获得更好的传动行性能。根据提供的数据资料，总的传动比较大，为99.34,出于技术和实际条件的考虑，采用一级行星齿轮传动结合两级平行轴圆柱齿轮传动。行星传动一般会采用均载机构，因为制造中难免产生误差，是各行星轮的分布难以完全对称，均载机构可以均衡行星轮传递的载荷，提高齿轮啮合的平稳性、可靠性和承载能力。这样在制造中也可以放宽对精度的要求，降低制造成本。本次行星传动中，我们使用三个行星轮，选择基本浮动构件太阳轮作为均载机构。它具有以下优点；重量小，惯性小，结构简单，在中低速工作环境下反应灵敏效果显著。7图21采用的传动结构轮传动由于有多对齿轮同时参与啮合承受载荷，要实

13、现这一目标行星轮系的各齿轮齿数必须要满足一定的几何条件。如下：确保三个行星齿轮之间不相互干涉，既满足条件(Z1+Z2) sinl80/KZ2+2ha(2)保证太阳轮的轴线和杆的轴线重合，即满足同心条件Z1+Z2=Z3。(3)行星轮设计中，需要保证每个行星轮沿圆周均匀分布，目的是使每个基本构件受到的径向力平衡。同时需要确保它们齿顶之间在连接线上有一定间隙，以免相邻的行星轮发生碰撞。即满足安装条件(Z+Z2)/K=C, C为整数。(4)保证轮系的传动是按照给定的传动比进行。当内齿圈不动时有Z3/Z1=而1以上各式中：Z.一中心太阳的轮齿数；Z2,行星轮的齿数；Z3-一内齿圈的齿数；K行星轮的个数；

14、ha*齿顶高系数。2. 2齿轮参数的确定2. 2. 1柱齿轮参数1、高速轴上的齿轮设计输入功率P3=1562.857KW,小齿轮转速为1399.013i7min,传动比i=3.9183,工作寿命为20年。(1)选定齿轮类型，精度等级，材料以及齿数：a.选择斜齿圆柱齿轮。b.齿轮精度选为5级精度。c.齿轮材料选择20CrMnMo,热处理应为淬火。d.初选小齿轮齿数为Z7=25,大齿轮齿数Z8=98。已初选螺旋角8=14。(2)按齿面接触强度设计4, 2皤工9 .0彳)2、(/ U(2-1)a.确定公式内各计算数值b.计算圆周速度V=16.47m/s计算齿宽b及模数m得b=179.872 m=8.

15、73 h= 19.64计算纵向重合度1)=1.586计算载荷系数k=kAkVkHakH B =1.433根据实际的载荷系数，计算分度圆的直径为dl=264.752、中间轴上的齿轮设计输入功率P2=1594.589KW,小齿轮的转速为357.046r/mino传动比i=4.5224传递的转矩Tl=4.265X107N mm,使用寿命为20年。(1)选定齿轮类型，精度等级，材料a.选择斜齿圆柱齿轮b.齿轮精度为5级精度c.材料选择为20CrMnMo,热处理应为淬火d.初选小齿轮齿数为Z5=23,大齿轮Z4=104e.初旋螺旋角B =10。(2)按齿面接触强度设计忖小心 u aH(2-2)a.确定公式内各计算数值b.计算圆周速度V=6.432m/s计算齿宽b以及模数m得b=257.22 m=14.73 h=33.145计算纵向重合度5=