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畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
題 目： 大型風力電機增速箱傳動系統(tǒng)設(shè)計
與運動仿真
學 院： 應用技術(shù)學院
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
學生姓名： 何欣 學 號： 201313090208
指導老師： 譚加才
2017年 3 月 8 日
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
1．文獻綜述：結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫2500字以上的文獻綜述，文后應列出所查閱的文獻資料。
文 獻 綜 述
0 引言
能源、環(huán)境是當今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題。常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主，它不僅資源有限，而且造成了嚴重的大氣污染。從全球能源消耗來看， 87%的能源來自化石燃料（包括煤炭、石油和天然氣），6%來自核電，其余的 7%來自可再生能源（主要是水電和風力發(fā)電)[1]。隨著人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，能源將供不應求，如果不盡早調(diào)整以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)，勢必形成對化石燃料的更大規(guī)模的開采與消耗，從而導致有限化石資源的枯竭?；剂系娜紵嗣禾慨a(chǎn)生的煙塵之外，還會釋放許多有害氣體。我國燃煤釋放的 SO2占全國總排放量的 85%，CO2占 85%，NOX占 60%，煙塵占 70%。1997 年我國 SO2排放總量為 2346 萬噸。我國酸雨區(qū)域在迅速擴大，已超過國土面積的 40%。1995 年酸雨沉降造成的經(jīng)濟損失為 1165 億元，占 GNP 的 1.9%[2].而風能是一種潔凈的可再生能源,具有取之不盡、用之不竭、不會對環(huán)境造成污染等無可比擬的優(yōu)點。隨著風電技術(shù)的日趨成熟、風電產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高以及風電成本的逐漸降低,風電己具備了大規(guī)模開發(fā)的條件[3]。自然界中的風能資源極其巨大，據(jù)相關(guān)資料顯示：地球上風能總量能達到13000億千瓦[4]。如果我們能夠充分的利用其百分之一的能源，就可以滿足我們社會能源的需求。
1 風力發(fā)電機及傳動系統(tǒng)概述
風力發(fā)電機是將風能轉(zhuǎn)換為機械能，機械能轉(zhuǎn)換為電能的電力設(shè)備。廣義地說，它是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質(zhì)的熱能利用發(fā)動機。風力發(fā)電利用的是自然能源。相對柴油發(fā)電要好的多。但是若應急來用的話，還是不如柴油發(fā)電機。風力發(fā)電不可視為備用電源，但是卻可以長期利用。
風力發(fā)電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風力發(fā)電機技術(shù)，大約是每秒三公尺的微風速度（微風的程度），便可以開始發(fā)電。[5]
目前世界上應用的最多的是水平軸風力發(fā)電機組，主要由風力機、機械傳動系統(tǒng)、發(fā)電機、機艙和塔架組成。風力發(fā)電機組的傳動系統(tǒng)一般包括低速軸、齒輪增速箱、高速軸和制動器。為了便于捕獲風能和適應機組性能控制需要，機組還必須配置偏航傳動、變槳距傳動以及阻尼、制動等輔助裝置。低速軸的前端與輪轂固連為一體，并通過軸承及軸承座支撐在機艙底座上；低速軸的后端經(jīng)聯(lián)軸器與齒輪增速箱聯(lián)接；齒輪增速箱輸出軸經(jīng)高速軸及制動器與發(fā)電機聯(lián)接。
隨著電力技術(shù)的提高，目前出現(xiàn)了低速驅(qū)動的多級同步發(fā)電機，采用這種發(fā)電機的機組可省略齒輪增速箱，形成了風力發(fā)電機組的直接驅(qū)動技術(shù)，在風電領(lǐng)域內(nèi)得到了重視和發(fā)展，德國直驅(qū)機組的數(shù)量已超過了 30%[6]，但單機功率一般不超過 2MW，若進一步提高單機發(fā)電量，不但體積和重量會迅速增加，而且對永磁同步發(fā)電機提出了更高的技術(shù)要求，既不經(jīng)濟，也難以實現(xiàn)。近年來也出現(xiàn)了一種較為折中的結(jié)構(gòu)形式，即采用一級行星齒輪傳動來帶動永磁同步發(fā)電機，稱為半直驅(qū)傳動方案。這種方案由于發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不高，因此僅需要實現(xiàn)增速比不大的要求，一般使用一級行星增速傳動，這種結(jié)構(gòu)形式的風電機組主要應用于海上風電場[7][8]。在未來相當長的一段時間內(nèi)，考慮成本、運輸、易實現(xiàn)大型化等因素，采用具有齒輪增速箱的結(jié)構(gòu)形式仍是主流。
2 風力電機增速箱概念、作用及特點
機械系統(tǒng)的傳動是將動力源或某個執(zhí)行的速度、力矩傳遞給執(zhí)行件，使得該執(zhí)行件具有某種運動和出力的功能，風機增速箱就是傳動裝置。傳動裝置可以分為：機械傳動裝置，液壓傳動裝置，電氣傳動裝置等。而機械傳動按其原理分為嚙合傳動與摩擦傳動，具體分為鏈傳動、帶傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動四類[9]。根據(jù)風力發(fā)電機組的工作環(huán)境以及傳動特點，一般采用的都是齒輪傳動。
齒輪機構(gòu)用以傳動空間中任意兩軸 之間的運動和動力，它具有傳遞功率范圍大、效率高、傳動比準確、使用壽命長、工作安全可靠性特點，是現(xiàn)代機械中應用最廣泛的一種傳動機構(gòu)。齒輪傳動的方式分為：閉式傳動、半開 式傳動和開 式傳動三種方式[10]。由于風力發(fā)電機工作環(huán)境惡劣，一般采用的是閉式傳動以滿足潤滑要求。
增速器是安裝在原動 件和機構(gòu)之間的獨立的傳動裝置，用以增加傳速減小相應的力矩。增速器是風機發(fā)電機組中的重要組件，承擔著調(diào)速、改變運動形式、動力和分配與傳遞等功能。
3 我國風力發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
近年來，我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強勁，2009年中國新增風電裝機容量為1380.3萬KW，超越美國成為全球新增風電裝機容量最多的國家。2009年中國是全球累計風電裝機容量僅次于美國的國家，累計風電裝機2580.5萬KW，2010年，全球每新安裝3臺機組，就有一臺在中國，當年新增風電裝機容量1892.8萬KW，累計風電裝機容量為4473,3萬KW，超越美國成為全球新增和累計風電裝機容量最多的國家[11]
從全世界來看，風力發(fā)電主要發(fā)展趨勢：在風力發(fā)電機中，由于新型材料的運用、設(shè)計水平的進步、控制技術(shù)的改進等，使得風力發(fā)電機正朝著結(jié)構(gòu)簡單、容量大、適應性好、穩(wěn)定性高、發(fā)電效率高、壽命長、智能化程度高和低成本方向發(fā)展。①單機容量大型化。為降低風力發(fā)電單位造價及成本，世界各國爭相研制大功率風力發(fā)電機，兆瓦級風力發(fā)電機組己成為國際市場上的主流產(chǎn)品;②柔性結(jié)構(gòu)的運用。采用柔性葉片和柔性塔架，可降低材料的消耗和最大限度的吸收振動、減輕動載荷、明顯的降低風力發(fā)電機的生產(chǎn)成本。③變速變槳調(diào)節(jié)會成為世界主流技術(shù)。④風力發(fā)電將成為主要替代能源之一。在歐洲，到2006年風電發(fā)電量占總發(fā)電量的3%，預計到了2020年將會達到12%，到2030年會達到30%。所以我們有理由相信在不久，風力發(fā)電將成為世界主要的替代能源之一。
參考文獻
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畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
２．開題報告：一、課題的目的與意義；二、課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望；三、課題主要內(nèi)容和要求；四、研究方法、步驟和措施
開 題 報 告
1、 課題的目的與意義
風能是清潔的可再生能源取之不盡用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技術(shù)中風力發(fā)電是技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)發(fā)展前景的方式。發(fā)展風電對于改善能源結(jié)構(gòu)、保護生態(tài)環(huán)境、保障能源安全和實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展等方面有著極其重要的意義。大力發(fā)展風電這已經(jīng)成為世界上的共識。
能源是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和人類生活必需的物質(zhì)保證。我國人口眾多但資源相對缺乏在全面建設(shè)小康社會的進程中國民經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展能源需求將不斷增長我國將面臨嚴峻的能源供應問題。
我國能源面臨最突出的矛盾是國內(nèi)優(yōu)質(zhì)能源供應不足。受國內(nèi)石油資源限制2010年我國石油進口量將達到1.6億噸2020年將增加到2.2億噸3.6億噸。2010年后石油對外依存度將超過50到2020年石油對外依存度將達到5268。我國天然氣需求增長旺盛進口天然氣數(shù)量也將迅速增長。即使按目前預計的能源進口量2020年仍將有至少2億噸標準煤的能源缺口如果要減輕我國對石油和天然氣進口的依賴2020年的能源缺口將為4億噸5億噸標準煤可再生能源將作為主要的替代能源之一而風力發(fā)電則是可再生能源技術(shù)發(fā)展重點。風能是不需要開采、運輸、不產(chǎn)生任何污染的清潔可再生能源。而且1臺單機容量1000千瓦的風機與同容量火電裝機相比，每年可減排二氧化碳2000噸 、二氧化硫10噸 、二氧化氮6噸。僅2007年, 全球940億瓦風機容量就將減少 二氧化碳排放12200萬噸，相當于20個大型燃煤發(fā)電站的排放量。
我國發(fā)展風電的必要性近期體現(xiàn)在以下幾方面
①滿足能源供應。
②促進地區(qū)經(jīng)濟特別是西部地區(qū)的發(fā)展。
③改善中國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)。
④促進風機設(shè)備制造業(yè)的自主開發(fā)能力和參與國際市場競爭能力。
⑤減少溫室氣體排放。
⑥在解決老少邊地區(qū)用電、脫貧致富方面發(fā)揮重大作用。
⑦減少溫室氣體排放。
2、 課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望
我國的風力發(fā)電始于20世紀50年代后期，在吉林、遼寧、等省建立了單臺容量在10kW以下的小型風力發(fā)電場，但其后就處于停滯狀態(tài)。到了20世紀70年代中期以后，在世界能源危機的影響下，特別是在農(nóng)村、牧區(qū)、海島等地方對電力迫切需求的推動下，我國的一些地區(qū)和部門對風力發(fā)電的研究、試點和推廣應用又給予了重視與支持，但在這一階段，其風電設(shè)備都是獨立運行的。直到1986年，在山東榮城建成了我國第一座并網(wǎng)運行的風電場后，從此并網(wǎng)運行的風電場建設(shè)進入了探索和示范階段，但其特點是規(guī)模和單機容量均較小。到1990年已建成4座并網(wǎng)型風電場，總裝機容量為4.215兆瓦，其最大單機容量為200千瓦。在此基礎(chǔ)上，風力發(fā)電從1991年起開始步入了逐步推廣階段，到1995年，全國共建成了5座并網(wǎng)型風電場，裝機總?cè)萘繛?6.1兆瓦，最大單機容量為500千瓦。1996年后，風力發(fā)電進入了擴大建設(shè)規(guī)模的階段，其特點是風電場規(guī)模和裝機容量均較大，最大單機容量為1500千瓦。據(jù)中國風能協(xié)會最新統(tǒng)計，2007年中國除臺灣省外新增風電機組3,144 臺。與2006 年相比，2007年當年新增裝機增長率為145.8％，累計裝機增長率為126.6％。2008年又新增風電裝機容量630萬千瓦,新增容量位列全球第2,僅次于美國. 截至2008年底總裝機容量達到1215.3萬千瓦,同比增長106% ,總裝機容量超過了印度,位列全球第4,同時躋身世界風電裝機容量超千萬千瓦的風電大國行列.2007年中國除臺灣省外累計風電機組6458 臺，裝機容5890兆瓦。截至2010年底，我國新增風電裝機1600萬千瓦，累計裝機容量達到4182.7萬千瓦，均居世界第一，其中3100萬千瓦裝機實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。
我國風能資源比較豐富。根據(jù)全國第2次風能資源普查結(jié)果,中國陸地風能離地面10米高度的經(jīng)濟可開發(fā)量2.53億千瓦, 離地面50米估計可能增大一倍。近海資源估計比陸地上大3倍,10米高經(jīng)濟可開發(fā)量約7.5億千瓦,50米高約15億千瓦 。
我國的風力資源主要分布在兩大風帶: 一是三北地區(qū)(東北、華北和西北地區(qū))。包括東北3省和河北、內(nèi)蒙古、甘肅、青海、西藏、等省區(qū)近200千米寬的地帶, 可開發(fā)利用的風能儲量約2億千瓦, 約占全國可利用儲量的79%。該地區(qū)風電場地形平坦, 交通方便, 沒有破壞性風速, 是我國連成一片的最大風能資源區(qū), 有利于大規(guī)模地開發(fā)風電場。二是東部沿海陸地、島嶼及近岸海域。冬春季的冷空氣、夏秋的臺風, 都能影響到沿海及其島嶼, 是我國風能最佳豐富區(qū), 年有效風功率密度在200瓦/平方米以上。如臺山、平潭、東山、南鹿、大陳、嵊泗、南澳、馬祖、馬公、東沙等, 可利用小時數(shù)約在7000至8000小時。這一地區(qū)特別是東南沿海,由海岸向內(nèi)陸丘陵連綿, 風能豐富地區(qū)僅在距海岸50千米之內(nèi)。另外, 內(nèi)陸地區(qū)還有一些局部風能資源豐富區(qū)。
從上述風力資源分布情況來看, 中國有相當大的地區(qū)有著豐富的風能資源, 具有很大的開發(fā)利用價值, 商業(yè)化、規(guī)?；臐摿艽蟆?
三、課題主要內(nèi)容和要求
1、課題主要內(nèi)容
（1）風力發(fā)電機傳動系統(tǒng)的設(shè)計；?
（2）增速箱零部件的建模；
（3）風力發(fā)電機增速箱的虛擬裝配；
（4）建立風力發(fā)電機增速箱的運動仿真模型。
2、課題主要要求
（1）.按要求設(shè)計風力發(fā)電機的傳動系統(tǒng)；傳動系統(tǒng)參數(shù)的計算。
（2）.完成齒輪的建模、軸的建模、行星架的建模、軸承的建模、增速箱箱體的建模、增速箱的虛擬裝配。
（3）.完成文獻綜述、開題報告及畢業(yè)設(shè)計說明書的撰寫工作。
四、研究方法、步驟和措施
1、查閱資料，翻譯英文資料
查找設(shè)計所需的資料，資料的內(nèi)容要有深度，要具有參考意義。
2、熟練掌握設(shè)計所需的內(nèi)容
復習以前所學設(shè)計有關(guān)的專業(yè)知識，并熟練的運用到設(shè)計中去。還要按設(shè)計所需要求運用CAXA2013 NX UG10.0等軟件繪制風力電機增速箱及其零件的三維（二維）模型圖（平面圖）。
3、 設(shè)計內(nèi)容
（1）設(shè)計風力發(fā)電機的傳動系統(tǒng)；
（2）增速箱各零部件的建模；
（3）完成風力發(fā)電機增速箱的虛擬裝配；
（4）建立風力發(fā)電機增速箱的運動仿真模型。
5、具體設(shè)計步驟
（1） 宣布設(shè)計任務(wù)，明確課題任務(wù)及要求，收集、閱讀有關(guān)資料
（2） 調(diào)查研究，分析課題，完成開題報告
（3） 實習
（4） 增速箱傳動系統(tǒng)設(shè)計：a）確定傳動系統(tǒng)方案
b）傳動系統(tǒng)參數(shù)計算
c）零部件強度校核
（5） 增速箱的建模：a）增速箱零部件建模
b）增速箱虛擬裝配
c）增速箱的運動仿真
（6） 整理資料，撰寫設(shè)計、計算說明書
（7） 畢業(yè)答辯
畢 業(yè) 設(shè) 計
題 目： 大型風力發(fā)電機增速箱傳動系統(tǒng)設(shè)計
與運動仿真
學 院：
2017年6月1日
誠信聲明
. 本人聲明，所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得湖南工程學院應用技術(shù)學院和其它教育機構(gòu)的學位和證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所作的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了感謝。
簽名：__________ 日期：____________
關(guān)于論文使用授權(quán)的說明
本人完全了解湖南工程學院應用技術(shù)學院有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，即學校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南工程學院應用技術(shù)學院可以將本學位論文的全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存或匯編本學位論文。同時授權(quán)經(jīng)湖南工程學院應用技術(shù)學院認可的國家有關(guān)機構(gòu)或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學位論文，并向社會公眾提供信息服務(wù)。
(保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定)
簽名：_______ 指導老師（簽名）：________ 日期：_________
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒 論 1
1.1 研究的背景 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 2
1.2.2 國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3
1.3 研究的目的與內(nèi)容 4
1.3.1研究的目的 4
1.3.2研究的內(nèi)容 4
第2章 兆瓦級風力發(fā)電機增速箱設(shè)計 6
2.1 傳動方案的確定 6
2.2 傳動系統(tǒng)參數(shù)計算 8
2.2.1傳動比和分配傳動比及齒數(shù)的確定 8
2.2.3 傳動系統(tǒng)的齒輪參數(shù)確定 10
2.2.4 軸的尺寸和結(jié)構(gòu)確定 12
2.3零部件強度校核 12
第3章 增速箱零部件的建模 17
3．1齒輪的建模 17
3.1.1 外嚙合直齒圓柱齒輪建模 17
3.1.2 外嚙合斜齒圓柱齒輪建模 20
3.1.3 內(nèi)齒圈的建模 21
3.2 軸的建模 22
3.2.1 中心軸的建模 22
3.2.2 第I級輸出軸的建模 22
3.2.3 第II級輸出軸的建模 23
3.3 行星架的建模 23
3.4 軸承的建模 24
3.5 增速箱箱體的建模 24
第4章 增速箱的虛擬裝配 25
4.1 裝配簡介 25
4.2 裝配約束 26
4.3 傳動系統(tǒng)裝配 27
4.3.1 行星輪系裝配 27
4.3.2 第I級定軸系裝配 28
4.3.3 第II級定軸系裝配 30
4.3.4 傳動系統(tǒng)總裝配 30
4．4 總裝配 31
第5章 增速箱的仿真及運動分析 33
5.1 增速箱的仿真 33
5.1.1 設(shè)置環(huán)境的確定 33
5.1.2 定義運動副 34
5.1.3 運動仿真 35
5.2 齒輪傳動各部件運動分析 36
致 謝 47
參 考 文 獻 48
大型風力發(fā)電機增速箱設(shè)計仿真及模態(tài)分析
摘 要：風力發(fā)電機組是將風能轉(zhuǎn)化為電能的一種動力機械，它的特點是用葉片捕捉風能使其產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。然而轉(zhuǎn)速非常低不足以達到發(fā)電機的輸入要求，所以需要增速箱來達到發(fā)電的要求。
由于風速的隨機性特點，使得齒輪箱傳動系統(tǒng)長期處于較為復雜的變載荷作用下，從而產(chǎn)生振動，這些振動將會引起齒輪箱傳動系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損壞，進而降低了齒輪箱傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此設(shè)計高效可靠的齒輪傳動系統(tǒng)就是我國風電行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。
本文是通過對風力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)的分析和研究，根據(jù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，對風力發(fā)電機組的核心部件——增速箱進行設(shè)計。本文提出的是一種混合式風力發(fā)電機增速箱，由一級行星輪系和兩級平行定軸系組成。確定方案之后，對增速箱虛擬樣機、仿真、整機動力分析、虛擬樣機及虛擬環(huán)境等方面進行較系統(tǒng)和深入的研究。通過UG7.5軟件構(gòu)建精確的虛擬樣機模型和建立準確的虛擬裝配關(guān)系，利用相關(guān)有限元分析軟件，對危險部件進行了強度校核。根據(jù)系統(tǒng)動力學分析結(jié)果，對傳動方案的合理性進行了進一步的論證。
關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機；增速箱；仿真；UG；虛擬樣機
Large wind generator growth box design simulation and modal analysis
Abstract： Wind turbine is one of the types of the wind energy into electrical energy machinery, its characteristic is captured on blade wind make its produce rotation. However, speed is very low enough to meet the input requirements of generator, so need to growth of box to meet the needs of power generation. At present, the capacity of generator can achieve megawatt。
Because growth in the wind generator is very important parts, so it is also one of the highest link failure rate, and the wind power industry in our country is difficult to conquer technical points. Due to the stochastic characteristics of wind speed, makes the gearbox transmission system under complex variable load for a long time, resulting in a vibration, the vibration will cause damage of the internal structure of the gear transmission system, and thus the stability of the gear transmission system. So the design of efficient and reliable gear transmission system is the key to the development of wind power industry in our country.
This article is based on the analysis and research of the wind turbine drive system , according to the domestic and foreign research present situation, the core components of wind turbine - growth box design. Proposed in this paper is a kind of hybrid wind turbines growth box, level by level of planetary gear train and two parallel fixed axis gear train components. Sure after, to the growth in cases of virtual prototype, the simulation and dynamic analysis, the virtual prototype and virtual environment was studied systematically and in-depth. Through UG7.5 software to build the virtual prototype model of accurate and establish accurate virtual assembly relationship, using the finite element analysis software, the intensity of dangerous parts.The results of the system dynamics analysis on the rationality of the transmission scheme of further argument.
Key：Wind turbines；Growth in the box；The simulation；UG; The virtual prototype
II
第1章 緒 論
1.1 研究的背景
隨著社會經(jīng)濟飛速的發(fā)展，能源的消耗逐年增長，然而能源和環(huán)境的問題日趨嚴峻。而石油資源日益枯竭，燃煤、核能等資源又存在大量環(huán)境污染和安全隱患，因此尋找新的可再生清潔能源、改善世界能源結(jié)構(gòu)就成為了世界各國的首要任務(wù)之一。風能作為眾多新能源里的最易得到的而且清潔無污染可以再生，已逐步受到了全世界的重視。自然界中的風能資源極其巨大，據(jù)相關(guān)資料顯示：地球上風能總量能達到13000億千瓦。如果我們能夠充分的利用其百分之一的能源，就可以滿足我們社會能源的需求。
風能它是太陽能轉(zhuǎn)化的一種形式，在地球上廣泛存在。而風力發(fā)電機作為利用風能的主要形式受到全世界的關(guān)注，隨著風力發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟，風力發(fā)電產(chǎn)品質(zhì)量得到了很大的提高，同時隨著風力發(fā)電成本的逐漸降低，風電作為最具有競爭力的新型能源，不僅能保障能源的供應安全，實現(xiàn)能源來源的多樣化，同時還對經(jīng)濟增長，控制大氣污染和減排溫室氣體有著非常重要的作用。
在風力發(fā)電系統(tǒng)中，風力發(fā)電機齒輪箱作為一個重要的機械傳動部件之一，主要功用是將風力發(fā)電機齒輪箱在風力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應的轉(zhuǎn)速，其性能好壞直接決定了風力發(fā)電機性能的好壞。根據(jù)國際風能大會提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，風力機齒輪箱的失效率占到風電系統(tǒng)是效率的12%。隨著風力發(fā)電機組的逐漸大型化，在兆瓦級發(fā)電機組中，最流行的增速機構(gòu)是由行星輪系和定軸系不同的組合，以此來達到驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。雖然最近出現(xiàn)由風輪直接驅(qū)動多級發(fā)電機的形式和混合的傳動形式，然而在現(xiàn)在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，二者的成本要高于齒輪箱增速。而且，其工作在變載荷的惡劣工況下，并處于高空架設(shè)，維護成本的逐漸提高，對齒輪箱系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求也越來越高。由于風力的隨機性特點，葉片對齒輪箱隨機性載荷的作用引起了齒輪箱系統(tǒng)的振動，這些振動導致了齒輪箱傳動系統(tǒng)的疲勞損壞，降低了齒輪箱系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加了維護成本。為了減少由振動引起的齒輪箱系統(tǒng)的故障，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，對齒輪箱傳動系統(tǒng)進行動力學研究是非常重要的。
隨著風力發(fā)電行業(yè)的迅速發(fā)展，裝機容量的提高，人們對齒輪箱系統(tǒng)的要求也在不斷提高，這就使得更為準確的研究齒輪箱系統(tǒng)動力學特性和優(yōu)化設(shè)計變得越來越重要。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
我國的風力資源十分豐富，風能的總儲存量大約為40億千瓦，裝機總?cè)萘窟M入世界風力發(fā)電規(guī)模前列，緊跟歐美地區(qū)傳統(tǒng)風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)。但2012年中國新增安裝風電機組7872臺，裝機容量12960MW，同比降26.5%，這是自2011年以來連續(xù)第二年風電新增裝機增速下滑。此前國內(nèi)風電裝機容量保持多年高速增長。2011年，由于國內(nèi)風機產(chǎn)能過剩，加上政策調(diào)整，風力發(fā)電市場開始逆轉(zhuǎn)。截至2012年年底，中國已建成的海上風力發(fā)電項目共計389.6MW，是除英國、丹麥以外海上風電裝機容量最多的國家。
根據(jù)中國資源綜合利用協(xié)會可再生能源專業(yè)委員會和國際環(huán)保組織綠色和平兩家機構(gòu)最新發(fā)布的《中國風電發(fā)展報告2010》預測:2020年，中國風電累計裝機可以達到2.3億千瓦，相當于13個三峽電站;總發(fā)電量可以達到4649億千瓦時，相當于取代200個火電廠。
與此同時，受國際風電發(fā)展大型化趨勢的影響我國大型風電企業(yè)也開始進入風電裝備大型化的競爭行列之中。2009年我國在多兆瓦級(>2MW)風電機組研制方面取得了新的成果，如金風科技股份有限公司研制的2.SMW和3MW風電機組以投入試行。此外，我國 華銳、金風、東汽、海上風電等企業(yè)已經(jīng)開始研制單機容量為SMW的風電機組，我國開始全面邁進MW級風電機組的研制領(lǐng)域。然而，風機制造行業(yè)也面臨著質(zhì)量過關(guān)等問題。
雖然在我國風力發(fā)電事業(yè)上發(fā)展如此迅猛，但其生產(chǎn)設(shè)備長期依賴進口，在自主開發(fā)風力發(fā)電機方面還比較落后，特別是兆瓦級、大功率等發(fā)電機組的核心技術(shù)領(lǐng)域更是基本屬于空白。國內(nèi)各大主要風力發(fā)電廠的生產(chǎn)機組基本全部是引進國外設(shè)備，部分國產(chǎn)機組也是以仿制國外產(chǎn)品為主，核心技術(shù)領(lǐng)域仍然是缺乏，設(shè)計水平以及實驗水平與國外先進技術(shù)相比還是比較的落后，而且不同地域的風況存在較大的差異，因此也就造成了仿制的風力發(fā)電機組不適合地域的環(huán)境，進而加速了設(shè)備的維護成本和資源的浪費等問題。所以單純的仿制是不能解決我國風力發(fā)電機設(shè)計水平較差，那么就必須提高我國風力發(fā)電機的設(shè)計水平和研究水平，根據(jù)我國的地形特點，設(shè)計出具有我國特點的自主知識產(chǎn)權(quán)的風力發(fā)電核心設(shè)備，使得我國在風電發(fā)電行業(yè)越走越好。
1.2.2 國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
在世界風力發(fā)電飛速發(fā)展的歷程中，19世紀末期，丹麥首先研制了風力發(fā)電機組，并建立了世界上第一個風力發(fā)電站。一個世紀以來，世界各國開始不斷地研制類型各異的發(fā)電機組。歐洲風力發(fā)電在世紀之交可為獨領(lǐng)風騷，突飛猛進。到2010年，歐洲可再生能源的發(fā)電量要翻一番，即從1998年占歐洲電能需求量的7%提高到。西班牙以250萬KW的新增裝機容量成為歐洲新增裝機的國家，累計裝機容量達到1910萬KW。
根據(jù)全球風能委員會(GWEC)公布的數(shù)據(jù)顯示，如圖2.1和2.2所示，2011年全球風能總裝機容量為240GW，比2010年多43 GW ，2009年為159GW，2008年為121GW。歐洲、北美和亞洲成為全球風力發(fā)電裝機主要的集中地。亞洲后來居上，從2009年開始新增裝機容量超過北美，成為了世界新增裝機容量最多的地區(qū)，2011年繼續(xù)領(lǐng)先。風電產(chǎn)業(yè)在其他發(fā)展中國家也有了新的發(fā)展，比如印度、巴西、墨西哥以及北非。根據(jù)現(xiàn)階段的趨勢可以看出，未來不久，風力發(fā)電在發(fā)展中國家的發(fā)展速度將會超過發(fā)達國家。
圖2．1全球近年來風電總裝機圖
圖2.2 全球2010累計裝機前10位國家（單位：MW）
從全世界來看，風力發(fā)電主要發(fā)展趨勢：在風力發(fā)電機中，由于新型材料的運用、設(shè)計水平的進步、控制技術(shù)的改進等，使得風力發(fā)電機正朝著結(jié)構(gòu)簡單、容量大、適應性好、穩(wěn)定性高、發(fā)電效率高、壽命長、智能化程度高和低成本方向發(fā)展。①單機容量大型化。為降低風力發(fā)電單位造價及成本，世界各國爭相研制大功率風力發(fā)電機，兆瓦級風力發(fā)電機組己成為國際市場上的主流產(chǎn)品;②柔性結(jié)構(gòu)的運用。采用柔性葉片和柔性塔架，可降低材料的消耗和最大限度的吸收振動、減輕動載荷、明顯的降低風力發(fā)電機的生產(chǎn)成本。③變速變槳調(diào)節(jié)會成為世界主流技術(shù)。④風力發(fā)電將成為主要替代能源之一。在歐洲，到2006年風電發(fā)電量占總發(fā)電量的3%，預計到了2020年將會達到12%，到2030年會達到30%。所以我們有理由相信在不久，風力發(fā)電將成為世界主要的替代能源之一。
1.3 研究的目的與內(nèi)容
1.3.1研究的目的
本文以2000KW風力發(fā)電機為例，通過設(shè)計一種新型多級混合式增速器，利用虛擬樣機技術(shù)，研究風力發(fā)電系統(tǒng)中行星齒輪增速器的動力學特性，實現(xiàn)整機動力學仿真，從而改進設(shè)計方法，實現(xiàn)提高增速器各項性能的目標并實現(xiàn)風力發(fā)電裝置虛擬工作環(huán)境的構(gòu)建。
1.3.2研究的內(nèi)容
本文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
（1）兆瓦級風力發(fā)電系統(tǒng)增速箱設(shè)計：
風力發(fā)電機組工作的基本原理是風力推動葉片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生相應的轉(zhuǎn)速，再由增速箱傳遞給發(fā)電機并使其產(chǎn)生電能。本文結(jié)合UG7.5建模，設(shè)計出一種新型混合式增速箱。該增速箱是由一級行星輪系和兩級平行軸輪系組成，結(jié)構(gòu)安全可靠。
（2）增速箱虛擬樣機的構(gòu)建：
根據(jù)設(shè)計方案，利用UG7.5軟件構(gòu)建虛擬樣機，并對各零件進行合理約束，為下一步有限元分析和動力學分析提供模型。
(3) 增速箱的仿真：
根據(jù)設(shè)計的數(shù)據(jù)進行虛擬樣機的仿真。
第2章 兆瓦級風力發(fā)電機增速箱設(shè)計
機械系統(tǒng)的傳動是將動力源或某個執(zhí)行的速度、力矩傳遞給執(zhí)行件，使得該執(zhí)行件具有某種運動和出力的功能，風機增速箱就是傳動裝置。傳動裝置可以分為：機械傳動裝置，液壓傳動裝置，電氣傳動裝置等。而機械傳動按其原理分為嚙合傳動與摩擦傳動，具體分為鏈傳動、帶傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動四類。根據(jù)風力發(fā)電機組的工作環(huán)境以及傳動特點，一般采用的都是齒輪傳動。
齒輪機構(gòu)用以傳動空間中任意兩軸 之間的運動和動力，它具有傳遞功率范圍大、效率高、傳動比準確、使用壽命長、工作安全可靠性特點，是現(xiàn)代機械中應用最廣泛的一種傳動機構(gòu)。齒輪傳動的方式分為：閉式傳動、半開 式傳動和開 式傳動三種方式。由于風力發(fā)電機工作環(huán)境惡劣，一般采用的是閉式傳動以滿足潤滑要求。
增速器是安裝在原動 件和機構(gòu)之間的獨立的傳動裝置，用以增加傳速減小相應的力矩。增速器是風機發(fā)電機組中的重要組件，承擔著調(diào)速、改變運動形式、動力和分配與傳遞等功能。考慮風機發(fā)電的要求傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高等特點，本文采用的是一級行星輪系加兩級平行定軸系的傳動結(jié)構(gòu)形式。
2.1 傳動方案的確定
通常風速是不確定性時大時小，所以風輪的轉(zhuǎn)速是比較的低（18r/mim-40r/mim）,遠遠達不到發(fā)電機所需要的發(fā)電的轉(zhuǎn)速要求，因此就必須通過齒輪箱來進行增加轉(zhuǎn)速，因此齒輪箱也稱為增速箱。大概可以分為定軸系傳動齒輪傳動和行星輪齒輪系傳動。定軸系傳動齒輪結(jié)構(gòu)簡單，維護安裝比較容易，造價比較低廉等特點，但是其傳動效率不明顯，傳動比較小承載能力較小等缺點。另一種則是行星輪齒輪傳動，具有傳動比大，體積較小，質(zhì)量較小，承載能力大、效率穩(wěn)定等特點，當然缺點就是造價比較高，結(jié)構(gòu)復雜，維護和安裝的要求高。根據(jù)上述情況可以提出混合的方式來進行設(shè)計。經(jīng)過排選和分析提出以下三種方案可以參考。
方案1：一級的行星輪系傳動+兩級的定軸線齒輪傳動
圖2.1 一級行星兩級定軸
方案2：三級定軸系齒輪傳動
圖2.2 三級定軸系傳動
方案3：兩級行星輪傳動+一級定軸系齒輪傳動
圖2.3 兩級行星一級定軸
綜上所述，比較各個方案可知：
1）方案1 有定軸系齒輪傳動結(jié)構(gòu)簡單和行星輪傳動的傳動比大、工作平穩(wěn)等優(yōu)點，它通過一級的行星齒輪傳動把大轉(zhuǎn)矩降下來，再用兩級結(jié)構(gòu)相對簡單的平行軸齒輪傳動，既經(jīng)濟又實用。
2）方案2 結(jié)構(gòu)簡單，但對于給定的設(shè)計參數(shù)，可能設(shè)計出來的幾何尺寸過大，傳遞的轉(zhuǎn)矩較小，滿足不了大功率、大轉(zhuǎn)矩的傳動系統(tǒng)的要求，而且平穩(wěn)性不好，有較大的沖擊。
3）方案3 結(jié)構(gòu)緊湊，但由于行星齒輪傳動內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，造價昂貴，用兩級行星齒輪傳動不太經(jīng)濟適用。
通過上述三個方案的比較，因此選擇第一種方案比較的合理。
2.2 傳動系統(tǒng)參數(shù)計算
2.2.1傳動比和分配傳動比及齒數(shù)的確定
傳動比的分配應該考慮下各級傳動的傳動比應在合理范圍內(nèi)，不超出允許的其最大值，符合各種傳動形式的工作特點，并且結(jié)構(gòu)緊湊，應注意各級傳動件尺寸，結(jié)構(gòu)勻稱合理。
表 2.1 原始參數(shù)要求
額定功率
2MW
增速比
52-95
輸入轉(zhuǎn)速
18r/min-40r/min
輸出轉(zhuǎn)速
1400r/min-1700r/min
分度圓壓力角
20
模數(shù)
8-16
根據(jù)原始數(shù)據(jù)可知該系統(tǒng)的總傳動比為：
在此傳動系統(tǒng)中行星傳動選的是NGW型行星齒輪傳動，推薦傳動比為3-9。為確保其穩(wěn)定性，行星輪數(shù)目為3，期傳動范圍為：。由此，初選分配行星輪機構(gòu)中行星輪的級數(shù)。初步選取行星輪系的傳動比為:。
查《重載行星傳動常用齒數(shù)搭配》表可知:各個齒輪的齒數(shù)
取 (中心輪)=21 (內(nèi)齒圈)=91 則行星輪
則行星齒輪傳動比為：
后面兩級定軸系齒輪傳動比為：
兩級定軸系斜齒輪傳動
兩級傳動比分配為：取
初選低速軸的小齒輪齒數(shù)
則與之相配的大齒輪齒數(shù)： 取
則第二級斜齒輪軸傳動的小齒輪齒數(shù)：
與之相配的大齒輪齒數(shù)
2.2.2傳動系統(tǒng)的運動和參數(shù)計算
行星輪傳動機械效率：（?。?
（2-1）
公式中：
發(fā)動機的額定功率為：P=2 MW 取發(fā)電機和齒輪箱總效率為0.92。則各 軸的轉(zhuǎn)速：
輸入軸（行星架）： I軸（中心軸）：
第I級平行定斜齒輪軸：
第II級平行定斜齒輪軸：
因此可以得出各 軸的功率：
第II級斜齒輪傳動： 同理可以得出其他軸功率
第I級斜齒輪傳動功率為2016.22 KW；中心軸傳動功率為2103.07 KW；輸入軸功率為2190.07 KW；
其扭矩為：
中心輪軸：
第I定軸： 第II定軸：
2.2.3 傳動系統(tǒng)的齒輪參數(shù)確定
1）齒輪模數(shù)確定
在滿足齒輪彎曲強度的條件下，選擇較小的模數(shù)可增大齒輪副的重合度，減少滑動率，也可以減少齒輪的切削量，降低制造成本。但制造和安裝的質(zhì)量問題增大了輪齒折斷的危險性，因此實際使用模數(shù)常常要選擇較大的。模數(shù)的選擇應符合GB1357的規(guī)定，也就是按照標準模數(shù)系列表中，優(yōu)先選取第一系列的模數(shù)。按照國際規(guī)定，并參照手冊以及經(jīng)驗公式，本文中第一行星輪系傳動取m=16，第二行星輪傳動系取m=14，高速級齒輪傳動取二m=8
2）定軸系輪傳動：
按齒面接觸強度計算，即
(2-2)
查《機械設(shè)計》書中的表和圖確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值得:
； ； ； ；
?。?
代入（2-2）中；
則第I級斜齒輪傳動小齒輪分度圓直徑
初選螺旋角 m=14
同理：第II級斜齒輪 取m=8
3）齒輪幾何尺寸計算
標準中心距
由于考慮到行星齒輪傳動各齒輪安裝的問題，最好能控制它們的螺旋角刀在8-10這個范圍。a=452.40mm-454.91mm 取 a=455mm
中心輪，行星輪，內(nèi)齒圈的分度圓直徑分別為：
齒寬 取b=375mm
（齒寬系數(shù)取 ）
4）定軸系齒輪幾何尺寸
（a）齒輪副 初取
因此：a=800.79mm 取 a=800mm
齒輪副1 、4的分度圓直徑分別為：
齒寬 mm 取b=340mm
（b）齒輪副 初取
則 a=527,46mm 取a=525mm
齒輪副4 、5的分度圓直徑分別為：
齒寬
各級齒輪組具體數(shù)據(jù)如下表2-1
表2-1各級齒輪數(shù)據(jù)表
數(shù)據(jù) 輪系
齒數(shù)
模數(shù)
齒寬（mm）
分度圓直徑(mm)
齒頂圓直徑(mm)
齒根圓直徑(mm)
螺旋角β
行星輪系
太陽輪
21
16
375
336
386
296
0°
行星輪
35
16
375
560
592
520
0°
內(nèi)齒圈
91
16
375
1456
1424
1496
0°
一級定軸輪系
大齒輪Z4’
90
14
340
1260
1288
1225
13°
小齒輪Z4
21
14
340
294
322
259
13°
二級定軸輪系
大齒輪Z5’
103
8
230
824
840
804
12°
小齒輪Z5’
25
8
230
200
216
180
12°
2.2.4 軸的尺寸和結(jié)構(gòu)確定
1）初步計算軸徑d
查《機械設(shè)計》里表計算公式： （2-3）
式中：
P－軸所傳遞的功率，單位KW；
n－軸的傳速，單位r/min；
A－由軸的許用切應力所確定的系數(shù)，其值可查有關(guān)資料。
行星架（輸入軸）： 取=520mm；
中心軸： 取
第I級斜齒輪： 取=180mm
第II級斜齒輪： 取 =112mm
2）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)時，既要滿足強度的要求，也要保證軸上零件的定位、固定和裝配方便，并有良好的加工工藝性所以軸的結(jié)構(gòu)一般都做成階梯形。階梯軸的徑向尺寸(直徑)的變化是根據(jù)軸上零件受力情況、安裝、固定及對軸表面粗糙度、加工精度等要求而定的。階梯軸的軸向尺寸(各段長度)則根據(jù)軸上零件的位置、配合長度及支承結(jié)構(gòu)確定。
2.3零部件強度校核
由于風力發(fā)電機組具有工作環(huán)境惡劣、受力情況復雜等特點。因此，與一般傳動機構(gòu)相比，除了要滿足機械強度條件外，還應滿足極端溫差條件下的一些機械特性，如低溫抗脆性、低膨脹收縮率等。對于傳動部件而言，一般情況下不采用分體式結(jié)構(gòu)或者焊接結(jié)構(gòu)，齒輪毛坯盡可能采用輪輻輪緣整體鍛件形式以提高承載能力。齒輪采用優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛造制取毛坯己獲得良好的力學特性。表2.2列出本文所設(shè)計的增速器各傳動部件的材料及力學性能
表2.2 各傳動部件材料及力學性能
傳動件
材料
熱處理
接觸強度（MPa）
彎曲強度（MPa）
加工精度
太陽輪
20CrMnTi
滲碳淬火，齒面硬度56>60HCR
1500
480
5級
行星輪
內(nèi)齒圈
42CrMo
調(diào)質(zhì)，齒面硬度HBS>260
720
320
6級
斜齒輪
20CrMnTi
滲碳淬火，齒面硬度56>60HCR
1500
480
5級
2.3.1行星輪系齒輪的強度計算
1）齒面接觸疲勞強度校核計算
接觸應力：
齒面接觸應力的基本值：
許用接觸應力：
強度條件應滿足：
式中：
－使用系數(shù)；－動載系數(shù)；一接觸強度的齒向載荷分布的系數(shù)；
－與均載機構(gòu)有關(guān)的系數(shù)；一接觸強度計算的行星輪間載荷分配不均衡系數(shù)；－材料彈性系數(shù)；－未跑合齒向載荷分布系數(shù)；
一接觸強度的尺寸系數(shù)；一接觸強度的齒間載荷分布系數(shù)；
一接觸強度計算重合度系數(shù)；一接觸強度計算螺旋角系數(shù)；－疲勞極限；－安全系數(shù)；－計算接觸強度的跑合影響系數(shù)；
一接觸強度計算的壽命系數(shù)；－節(jié)點區(qū)域系數(shù)；－ 粗糙度系數(shù)；
－ 潤滑劑系數(shù)；- 速度系數(shù)；－工作硬化系數(shù)；
綜上可以算出：
，
， 。所以齒輪副接觸疲勞是安全的。
2）輪齒彎曲疲勞強度校核計算
齒根彎曲應力：
許用彎曲應力：
齒根彎曲應力基本值：
強度條件應滿足：
式中：
一接觸強度； — 計算彎曲強度時運轉(zhuǎn)周期的齒向載荷分布系數(shù)
— 計算彎曲強度時的跑合影響系數(shù)；—與均載機構(gòu)有關(guān)的系數(shù)；
—彎曲強度計算的齒向載荷分布系數(shù)；
—彎曲強度計算的重合度系數(shù)；—彎曲強度計算的尺寸系數(shù)；
—相對齒根圓角敏感系數(shù)；—彎曲強度計算的齒間載荷分布系數(shù)；
—彎曲強度計算的行星輪間載荷分配不均衡系數(shù)；
—齒頂時的齒形系數(shù)；—系數(shù)；—角系數(shù)；
—極限；試驗齒輪的應力修正系數(shù)；
—強度計算的壽命系數(shù)；— 相對齒根表面狀況系數(shù)；
同理可以算出：
， ，，。
不難看出： 彎曲疲勞強度安全。
2.3.2 定軸系齒輪的強度計算
1）斜齒面接觸疲勞強度校核計算
斜齒輪接觸疲勞強度：
接觸疲勞許用應力：
[]= ； 強度條件：
式中：
——的接觸疲勞強度極限；——疲勞壽命系數(shù)；——疲勞強度安全系數(shù)；——載荷系數(shù)；——使用系數(shù)；——載 動系數(shù)；——載荷分配系數(shù)；——載荷分布系數(shù)；——區(qū)域系數(shù)；——彈性影響系數(shù)；
u—傳動比；——輪端面重合度；b—齒寬；d—分度圓直徑；
由此可得：
， . 所以定軸 的接觸疲勞強度是安全的。
2）斜齒輪彎曲疲勞強度校核計算；
斜齒輪輪齒彎曲疲勞強度：
彎曲疲勞許用應力：
強度條件：
式中：
—彎曲疲勞強度極限；一彎曲疲勞壽命系數(shù)；一彎曲疲勞強度安全系數(shù)；—系數(shù)；—輪齒形系數(shù)；—輪應力校正系數(shù)；—角影響系數(shù)。
根據(jù)上訴資料可以得出：
、、。
, 所以斜齒輪輪齒彎曲疲勞強度是安全的。
第3章 增速箱零部件的建模
計算機輔助設(shè)計開始之前，一般都是由物理模型延伸出產(chǎn)品，物理模型是通過將原產(chǎn)品按照一定的比例進行縮小或者擴大，以便代替實物的外形、運動、力學性能實驗等屬性測試。隨著計算機的輔助設(shè)計技術(shù)（CAD）的發(fā)展和廣泛的應用，逐漸替代了造價昂貴，耗時的物理模型。相比物理模型，計算機輔助技術(shù)（CAD）更加高效、低廉、高效更加適合現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計，科學技術(shù)的發(fā)展。
虛擬產(chǎn)品建模，是一種三維數(shù)字化模型工程技術(shù)，不僅僅能夠在外觀上展現(xiàn)出相似，而且可以實現(xiàn)運動仿真，分析出實物的受力情況，運動情況。虛擬建模不僅大大減少了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，也減少了開發(fā)人員的工作量，降低生產(chǎn)成本，更好的優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，從而提高了企業(yè)在市場上的競爭力。
本文采用的軟件Siemens PLM Software公司下的三維軟件——UGNX7.5。它可以實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗證手段。它功能強大，可以輕松實現(xiàn)各種復雜實體及造型的建構(gòu)。它在誕生之初主要基于工作站，但隨著PC硬件的發(fā)展和個體戶的迅速增長，在PC上的應用取得了迅猛的增長，已經(jīng)成為模具行業(yè)三維設(shè)計的一個主流應用。
3．1齒輪的建模
齒輪傳動是現(xiàn)代機械中應用最廣的一種傳動形式，其優(yōu)點是：瞬時比傳動比恒定，工作平穩(wěn)，傳動準確可靠，可傳遞空間任意兩軸之間的運動和動力，適用的功率和范圍廣，傳動效率高，工作可靠性高，使用的壽命長，外廓尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力大，因此符合風力發(fā)電增速箱設(shè)計的條件。
齒輪的一些重要參數(shù)分度圓直徑、齒數(shù)、模數(shù)、
3.1.1 外嚙合直齒圓柱齒輪建模
打開UG10.0(Unigraphics NX 10.0簡稱，以下出現(xiàn)均為簡稱)，點擊新建彈出新建模型對話框，輸入新建文件名，如圖3—1所示。
圖3—1 模型的三維建模
進入建模界面，選擇點擊【柱齒輪建?！棵?，點擊【創(chuàng)建齒輪】進行齒輪的創(chuàng)建，然后一次點擊直齒外嚙合滾齒確認。如圖3—2所示
圖3-2 齒輪參數(shù)對話框
然后進入漸開線圓柱齒輪參數(shù)對話框，根據(jù)計算出的數(shù)據(jù)一次輸入模數(shù)、齒數(shù)、齒寬、壓力角，齒輪建模精度默認然后確實，如圖3—3所示為行星輪的計算參數(shù)，然進行【拉伸】，拉伸一個直徑為R=360的圓柱體(軸承的外圈直徑)進行求差，得到行星齒輪輪的三維模型，如圖3—5所示。
圖3—3 齒輪參數(shù)輸入
圖3—4 齒輪模型
圖3—5行星輪齒輪的三維模型
3.1.2 外嚙合斜齒圓柱齒輪建模
外嚙合斜齒輪圓柱齒輪的建模與，直齒圓柱齒輪的畫法一樣，不同在于需要一個角度，如圖3—6所示，為斜齒輪的參數(shù)。然后創(chuàng)建齒輪軸孔、鍵槽及腹板特征，均采用拉伸方式產(chǎn)生，選擇草圖，繪制軸孔鍵槽及腹板圓，然后完成草圖，進行到邊圓，如圖3—7所示，為斜齒輪的三維模型，對應的是圖3—8，為的三維模型
圖3—6 Z齒輪三維模式
圖3—7 斜齒輪的三維模型
圖3—8 斜齒輪三維模型
3.1.3 內(nèi)齒圈的建模
內(nèi)齒輪的齒厚相當于外齒輪的齒間寬，內(nèi)齒輪的齒間寬相當于外齒輪的齒厚。內(nèi)齒輪的齒廓也是漸開線，但其輪齒的形狀與外齒輪不同，外齒輪的齒廓時外凸的，內(nèi)齒輪的齒廓則是內(nèi)凸的。內(nèi)嚙合齒輪也分為直齒和斜齒，雖然與外嚙合齒輪構(gòu)造不同，但在構(gòu)建過程中基本方法大體一致。如圖3—9所示，為內(nèi)齒圈的三維模型。
圖3—9內(nèi)齒圈的三維模型
3.2 軸的建模
軸作為風力發(fā)電增速箱中的關(guān)鍵零件，其結(jié)構(gòu)特征是回轉(zhuǎn)體組合形式，它是一種通用零件，不但特征尺寸變化，而且結(jié)構(gòu)也不固定，各種特征的有無，以及它們之間的組合方式都是隨機出現(xiàn)的，要建立不同結(jié)構(gòu)的軸零件，即便如此，也不能滿足所有軸結(jié)構(gòu)的參數(shù)化需求，因此，在本文中，僅針對風力發(fā)電增速箱中軸的特征建模，以滿足增速箱系統(tǒng)參數(shù)化的需求。
3.2.1 中心軸的建模
中心軸是行星傳動系統(tǒng)中的輸出軸，其輸出端通過平鍵與齒輪進行約束，輸入端采用齒輪柱，從而減少扭矩。如圖3—10所示，為中心軸的三維模型。
3—10 中心軸三維模型
3.2.2 第I級輸出軸的建模
風力發(fā)電機增速箱的第I級輸出軸，如圖3—11所示。
圖3—11 第I級定軸三維模型
3.2.3 第II級輸出軸的建模
第II級輸出定軸，也是該系統(tǒng)的高速軸輸出軸，其三維結(jié)構(gòu)圖如3—12所示。
圖3—12 第II級定軸三維模型
3.3 行星架的建模
作為支撐行星輪的構(gòu)件，行星架承受著最大的轉(zhuǎn)矩，其結(jié)構(gòu)應該在保證傳遞設(shè)計動力的同時應盡量，重量輕、剛性好、便于加工和裝配，如圖3—13所示。
圖3—13 行星架的三維模型
3.4 軸承的建模
風力發(fā)電增速機構(gòu)中軸承是連接箱體和軸之間的連接件，軸承在機械設(shè)計中屬于標準件，其結(jié)構(gòu)較為復雜，不同型號的軸承其結(jié)構(gòu)和參數(shù)均不相同，在三維設(shè)計中，為了在風力發(fā)電增速機構(gòu)參數(shù)系統(tǒng)中方便開發(fā)，故而將其簡化建模，如圖3—14所示。
圖3—14軸承三維模型
3.5 增速箱箱體的建模
箱體作為增速箱的重要組成部分,其主要功能是支撐齒輪傳動系統(tǒng)正常穩(wěn)定運轉(zhuǎn),同時也具有吸振,阻止箱體內(nèi)噪聲向外輻射的作用,箱體也是薄弱環(huán)節(jié)之一，所以箱體的設(shè)計要根據(jù)以上數(shù)據(jù)和模型的位置關(guān)系設(shè)計。如圖3—15所示
圖3—15增速箱箱體的三維模型
第4章 增速箱的虛擬裝配
虛擬現(xiàn)實技術(shù)是虛擬樣機開發(fā)的一項重要技術(shù)支持，它使工程設(shè)計人員通過多種交互方式，在虛擬環(huán)境中更加真實的感知虛擬樣機，有效的提高了虛擬樣機的真實性、可操縱性。融合了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬樣機各方面真實感更強，對于技術(shù)人員來說，其仿真數(shù)據(jù)具有更大的參考價值。符合實際設(shè)計行為特征的三維人機交互技術(shù)、具有真實觸覺效果的實時力覺生成與繪制技術(shù)、實時碰撞檢測技術(shù)、可裝配性評價技術(shù)、復雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的動力學仿真技術(shù)、以及協(xié)同虛擬裝配技術(shù)等組成了虛擬樣機的關(guān)鍵技術(shù)。
在上述技術(shù)中，虛擬裝配技術(shù)是虛擬樣機技術(shù)的一個主要組成部分，它高效、快捷構(gòu)建虛擬樣機的保證。一個完整的數(shù)字協(xié)同裝配系統(tǒng)應用了碰撞檢測、構(gòu)建虛擬場景、協(xié)同裝配過程中的任務(wù)分解與處理、多通道自然交互技術(shù)等多項技術(shù)，本節(jié)中將主要介紹虛擬樣機協(xié)同裝配中具有特殊需求的若干關(guān)鍵技術(shù)，即面向虛擬樣機協(xié)同裝配的體系架構(gòu)，協(xié)同裝配過程中的任務(wù)分解與處理以及虛擬裝配中的多通道自然交互技術(shù)。
裝配設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計的最后一個環(huán)節(jié)，面對的是實現(xiàn)產(chǎn)品功能的整體機構(gòu)，對裝配設(shè)計的優(yōu)劣會影響到產(chǎn)品的成本和質(zhì)量。產(chǎn)品的設(shè)計過程中，虛擬裝配在計算機中具有很高的可視化程度，可以比較直觀的看到仿真的裝配過程，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中出現(xiàn)的問題和不足，這樣很大程度上縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時降低了產(chǎn)品的開發(fā)成本。
4.1 裝配簡介
裝配就是將零部件按照技術(shù)規(guī)定順序組合起來，并達到使用目的的一個過程。前一章完成了對風力發(fā)電增速機構(gòu)的零件建模，在本章中將建模完成的零件，通過約束并按照一定的順序?qū)⒏鱾€零件組合在一起，完成風力發(fā)電增速機構(gòu)的裝配。
傳統(tǒng)的裝配設(shè)計是自底向上的，將零件按照一定的方式組合。這種裝配構(gòu)造技術(shù)是最初工程中最為常用也是最為基本的。然而在設(shè)計的最后己經(jīng)存在的零件最終決定著裝配體的構(gòu)造，如圖4—1所示。
在兆瓦級風力發(fā)電增速機構(gòu)中，采用模塊裝配方式，最后進行總裝，即軸組件的裝配和行星系統(tǒng)的裝配分別進行，最后將軸組件和行星系統(tǒng)統(tǒng)一裝配。
圖4—1 裝配方式
4.2 裝配約束
裝配約束用于在裝配的中定位組件，可以指定一個部件相對于裝配體中另外一個部件（或特征）的方式和位置，
UGNX 7.5 中裝配約束的類型包括接觸、對齊和中心等。每個組件都有唯一的裝配約束，這個裝配約束由一個或者多個約束組成。每個約束都會限制組件在裝配體中的一個或幾個自由度，從而確定組件的位置。用戶可以在添加的過程中添加裝配約束，也可以在添加完成后添加約束。如果組件的自由度被全部限制，可稱為完全約束；如果組件的自由度沒有被完全限制，則稱為欠約束。如圖4—2所示為UGNX 7.5中的裝配約束。
圖4—2 裝配約束
接觸對齊：該約束用于兩組件，使其彼此接觸或?qū)R。
同心：該約束用于定義兩個組件的圓形邊界或橢圓邊界中心重合，并使邊界的面共面。
距離：該約束用于設(shè)定兩個接觸對象間的最小3D距離。
固定：該約束用于將組件固定在其當前位置，一般用在第一個裝配元件上。
平行：該約束用于使兩個目標對象的矢量方向平行。
垂直：該約束用于使兩個目標對象的矢量方向垂直。
擬合：該約束用于定義將半徑相等的兩個圓柱面擬合在一起。對確定孔中銷或螺栓的位置很有用。
膠合：該約束用于組件“焊接”在一起。
中心：該約束用于使一對對象之間的一個或者兩個對象居中，或使一對對象沿另一個對象居中。
角度：該約束用于約束兩對象間的旋轉(zhuǎn)角。
4.3 傳動系統(tǒng)裝配
4.3.1 行星輪系裝配
以行星架為絕對中心，然后添加組件行星輪通過【同心】約束使得與行星軸孔同心如圖4—3所示。再添加組件行星軸之后，添加內(nèi)齒圈通過約束與齒輪接觸，且與行星架對齊，如圖4—4所示。
圖4—3 行星架與行星輪裝配
圖4—4 周轉(zhuǎn)輪系的裝配
接下來就是將中心軸通過約束進行裝配，整個行星輪系如圖4—5所示
圖4—5 行星輪系總裝配
4.3.2 第I級定軸系裝配
定軸系的裝配和上述所說的行星輪系的裝配步驟是一樣的，通過約束裝配按照順序依次裝配如圖4—6,4—7,4—8所示
圖4—6 第I級定軸裝配
圖4—7第I級定軸裝配
圖4—8 第I定軸系的裝配
4.3.3 第II級定軸系裝配
以第II定軸 為絕對原點，依次進行裝配如圖4—9,4—10所示。
圖4—9 輸出軸裝配
圖4—10 第II定軸系裝配
4.3.4 傳動系統(tǒng)總裝配
根據(jù)上面的虛擬裝配，對傳動系統(tǒng)進行總裝配如圖4—11所示。
圖4—11 傳動系統(tǒng)總裝配
4．4 總裝配
在完成了零件建模，各傳動系統(tǒng)的虛擬裝配，緊接著就要對各個模塊整體虛擬裝配，這是風力發(fā)電增速機構(gòu)整體建模的最后一步。與組件裝配的過程一樣，對增速機構(gòu)的總體裝配，需要將各個部件進行選擇和整合，按照一定的順序進行裝配，如圖4—12所示。為了更加清楚的看清傳動系統(tǒng)裝配與箱體的裝配情況可以點擊【編輯對象顯示】命令將透明度調(diào)低點，如圖4—13所示。
圖4—12 風力發(fā)電機增速箱的總裝配
圖4—13 總裝配圖
第5章 增速箱的仿真及運動分析
本文中設(shè)計的風力發(fā)電機增速箱是風力發(fā)電機組重點的主要傳動部件，因此對其主要傳動系統(tǒng)進行動力學分析是十分必要的。
本文選擇目前學得最好的UG NX 7.5軟件來完成動力學仿真。在風力發(fā)電機機組傳動過程為葉輪通過輸入軸將動力傳入增速齒輪箱，轉(zhuǎn)速在齒輪箱內(nèi)放大后傳遞至發(fā)電機。由于增速器殼體固定在基座上，載荷傳遞不存在失真的情況，故將其簡化剔除。在UG中將簡化后的模型導出為NX sim格式，生成一個后綴名為.XT的文件。
5.1 增速箱的仿真
5.1.1 設(shè)置環(huán)境的確定
打開UG NX 10.0軟件，將上章所述的虛擬裝配總裝配三維圖打開，由于增速箱箱體載荷不存在失真的情況，所以可以將其隱藏。然后點擊運動仿真環(huán)境，如圖5—1所示。
圖5—1 運動仿真環(huán)境
然后選擇【連桿】命令，選擇各種部件為連桿，但是軸承選為固定連桿，因為軸承在這里帶表位置關(guān)系，如圖5—2所示。確定好各個連桿后環(huán)境確定好，就可以進行下一步運動副的確定。
圖5—2 連桿的確定
5.1.2 定義運動副
1）定義行星架運動副：行星架在工作的時候是繞著固定的軸旋轉(zhuǎn)，因此行星架與地面定義一個旋轉(zhuǎn)副。風能通過葉片把動能傳遞給行星架，因此行星架也為驅(qū)動件點擊【驅(qū)動】對話框，給一個恒定轉(zhuǎn)速18r/min.如圖5—3所示。
圖5—3
2）定義行星輪運動副：行星輪在工作狀態(tài)下自傳之外還需要公轉(zhuǎn)，因此需要定義一個旋轉(zhuǎn)副。
3）定義內(nèi)齒圈運動副：行星輪系中，內(nèi)齒圈與行星輪嚙合時，內(nèi)齒圈與行星架之間需要定義一個旋轉(zhuǎn)副。由于內(nèi)齒圈工作的時候相對于地面是固定的，故需要給一個驅(qū)動與行星架的方向相反，這樣就相當于一個固定約束。
4）定義齒輪副：添加齒輪副的關(guān)鍵是建立好正確的接觸與約束。兩齒輪的接觸點定義為嚙合點，其Z軸的方向為嚙合點速度和嚙合方向齒輪副的傳動比就是兩齒輪約束節(jié)點的距離值。對于嚙合點的具體位置坐標，通常的確定方式就是根據(jù)齒輪副定所需的2個節(jié)點的坐標結(jié)合傳動比計算。而對于行星齒輪來說，其嚙合點的坐標在運動過程中是不斷變化的，在相對位置于嚙合點來說始終是固定的。
根據(jù)上訴分別，定義行星輪與內(nèi)齒圈之間、行星輪與中心軸之間（太陽輪）的齒輪副。
5）定義斜齒輪運動副：由于太陽輪與中心軸是一樣的所以其上面的斜齒輪與其轉(zhuǎn)速一樣添加一個約束或者是添加2—3 傳動副就可以了，第I定軸與第I定軸之間添加一個齒輪副即可。
5.1.3 運動仿真
在上述定義好各個部件之間的運動副之后，就可以進行運動仿真，由于行星架的驅(qū)動然后新建解決方案，然后進行求解，在發(fā)現(xiàn)沒有問題的是系統(tǒng)進行自動仿真，可以點擊【動畫】命令，這時我們可以看到各部件之間的運動關(guān)系。由于書面不好表達只是以圖片的形式表達如圖5—4所示。
圖5—4 傳動系統(tǒng)動畫
5.2 齒輪傳動各部件運動分析
定義運動副后，即可進行剛體動力學分析。本文中根據(jù)實際工作情況，定義仿真時間為5秒，300步。在輸入端給定一個18r/min的恒定轉(zhuǎn)速，對各級輪系進行運動仿真。
由各級齒數(shù)計算可得：
輸入轉(zhuǎn)速n=18r/min
第一級太陽輪轉(zhuǎn)速為：
第I級定軸轉(zhuǎn)速為：
第II級定軸轉(zhuǎn)速（輸出軸）為：
其仿真的結(jié)果如下面圖片可知
圖5—7第一級太陽輪的角速度時域圖
圖5—8第一級太陽輪的角加速度時域圖
圖5—9 第I級定軸系角速度時域圖
圖5—10 第I定軸系各齒輪角加速度時域圖
圖5—11 第I級定軸系角加速度時域圖
5—12第II定軸系各齒輪的角速度時域圖
從上述各圖中可以看出，各級太陽輪轉(zhuǎn)速與手工計算相比相差無幾，而且這些誤差也是由于多對齒輪的系統(tǒng)中，計算嚙合點時小數(shù)位取舍而造成的。這一結(jié)果驗證了分析的正確性。而且各級角加速度在仿真時間內(nèi)發(fā)生不同程度的衰減，這也與實際情況相吻合，充分說明了仿真結(jié)果與真實偏差較小，較好地反映了傳動情況。
致 謝
面對著畢業(yè)論文的緊張撰寫階段的介紹，也面臨著四年的大學學習生活的結(jié)束，我由衷的感謝我的導師譚加才老師，在這做畢業(yè)設(shè)計期間譚老師給予我很多的幫助，譚老師謙虛謹慎，平易近人的個人風范也更加令我感觸深厚，我將銘記于心。同時譚老師對學術(shù)上的嚴謹態(tài)度是我學習的方向，也是進步的動力。
同時我還要感謝大學四年來各位老師的對我的諄諄教誨，是你們傳授知識給我，使得我順利的完成學業(yè)能夠更好的認識到自己，更好的走進社會生活，你們教給我的知識也好，生活哲學也好，面對人生的態(tài)度也好，都使我受益非淺，也是我人生的一筆巨大財富。
當然我還要感謝我的父母、朋友和同學，感謝父母對我全力支持和充分理解，感謝朋友和同學對我在生活和學習上給予我無微不至的關(guān)心和幫助，沒有他們的支持也就沒有了今天的成績，在這里我對他們表示誠摯的感謝和真心的祝福。
最后，衷心得感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位老師，謝謝您們！
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