/學號密級公開xxxxxxxxx本科生畢業設計風力發電機傳動系統的設計學院名稱：培黎工程技術學院專業名稱：機械設計制造及其自動化學生姓名：馬指導老師：同教授二○一三年五月BACHELOR'SDEGREETHESISOFLANZHOUCITYUNIVERSITYDesignofTransmissionSystemofWindPowerGeneratorCollege:SchoolofBailieEngineering&TechnologySubject:MechanicDesignManufacturingandAutomationName:MaDirectedby:ProfessorTongChanghongMay2013

慎重聲明本人呈交的學位論文，是在導師的指導下，獨立進行探討工作所取得的成果，全部數據、圖片資料真實牢靠。盡我所知，除文中已經注明引用的內容外，本學位論文的探討成果不包含他人享有著作權的內容。對本論文所涉及的探討工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本學位論文的學問產權歸屬于培育單位。本人簽名：日期：摘要風電產業的飛速發展促成了風電裝備制造業的旺盛，傳動系統是風電機組的核心系統，而齒輪箱又為雙饋式風電機組傳動系統的核心部件，備受國內外風電行業和探討機構的關注。但由于國內齒輪箱的探討起步晚，技術薄弱，尤其在目前兆瓦級風力發電機中，其屬于易過載和過早損壞率較高的部件，且易出故障。和之相對應的，直驅式風力發電機具備低風速時高效率、低噪音等優點，但直驅式發電機組在風力發電越來越大型化發展的今日，其過于浩大的低速發電機運輸、吊裝困難，制造成本較高。二者相比較，考慮到結構、經濟問題，我們就不得不重新思索如何提高齒輪箱的傳動效率，從而提高傳動系統的傳動效率。本文在對風力發電機的結構、原理深化了解、探討的基礎上，對其傳動系統的齒輪增速系統進行自主設計。先確定齒輪箱的傳動型式，選取一級行星和兩級平行定軸傳動方案，再支配傳動比，通過計算，確定各齒輪齒數，并對其進行接觸強度校核，結果符合平安要求。關鍵詞：風力發電機；傳動系統；直驅式；雙饋式；齒輪增速箱

ABSTRACTThefastdevelopmentofwindpowerindustryhelpstobringaboutboomingofwindpowerequipmentmanufacturingbusiness.Transmissionsystemisthecoreofthewindturbinesystemandgearbox,concernedbythewindpowerindustryandresearchinstitutionsathomeandabroad,isthecorecomponentofdoubly-fedwindturbinetransmissionsystem.Butasaresultoftheresearchofdomesticgearboxstartedlateandtechnologyisweak,especiallyinthemegawattwindturbine,itbelongstoeasytooverloadandhighratesofprematurefailurepartsandiseasytooutoforder.Andatthesametime,directdrivewindturbinesiswiththeadvantagesofhighefficiencyandlownoisewhenlowwindspeed,butdirectdrivewindpowergeneratorinmoreandmorelarge-scaledevelopmenttoday,low-speedgeneratoristoolargetotransportandhoistandthemanufacturingcostishigher.Aftercomparedwiththem,consideringthestructureandtheeconomicproblems,wearegoingtohavetorethinkhowtoimprovethetransmissionefficiencyofgearbox,soastoimprovethetransmissionefficiencyoftransmissionsystem.Onthebasisofdeepunderstandingthestructureandprincipleofwindturbine,ihavebeendoinganindependentdesignaboutgeargrowthsystemofwindturbinetransmissionsystemanditispresentedinthispaper.Firstly,determinethetransmissiontypeofthegearbox,selectlevelofplanetsandtwolevelparallelfixedaxletransmissionscheme,distributetransmissionratio,throughcalculation,determinethegearteeth,andcontactstrengthcheck,theresultisinconformitywiththesafetyrequirements.Keyword:winddrivengenerator;drivesystem;directdrive;doubly-fed;step-upgearbox

目錄TOC\o"1-4"\h\z\u第1章緒論 11.1風力發電機探討的背景及其意義 11.1.1風力發電機探討的背景 11.1.2風力發電探討的意義 11.2風力發電發展的過程、現狀及趨勢 21.2.1風力發電初創時期 21.2.2風力發電徘徊發展期 21.2.3風力發電的現狀及趨勢 31.2.4我國風力發電技術存在的問題 41.3本文探討的主要內容 5第2章風力發電機組的組成和驅動結構型式 62.1概述 62.2風力發電機組的組成和結構 72.3風力發電機的結構型式 102.3.1直驅型風力發電機 102.3.2雙饋型風力發電機 112.3.3直驅型風力發電機和雙饋型風力發電機的特性比較 12第3章風力發電機組傳動系統設計 143.1傳動系統的結構 143.2風力發電機傳動系統布置型式及其特點比較 143.3增速齒輪箱傳動系統的典型結構型式及分析 153.4增速齒輪箱傳動系統設計 173.4.1設計的主要內容 173.4.2齒輪增速傳動系統設計 193.4.2.1傳動比的支配 203.4.2.2行星齒輪選用滿意的幾何條件 203.4.2.3傳動部分參數計算 203.4.2.4齒輪參數確定 213.4.3箱體 303.4.4齒輪箱的冷卻和潤滑 313.4.5齒輪箱的運用及其維護 313.5聯軸器的選用 32總結和展望 33參考文獻 34致謝 35附錄 36第1章緒論1.1風力發電機探討的背景及其意義1.1.1風力發電機探討的背景風能是一種可再生的自然資源，是太陽能的轉化形式,具體指的是太陽的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不勻整，從而使空氣沿水平方向運動，空氣流淌所形成的動能。據統計，地球上的風能理論隱藏量約為2.74×1015MW,可開發利用的風能為2.×109MW，是地球水能的10倍，只要能夠運用地球上1%的風能就能滿意全球能源的須要。風能是人類利用歷史悠久的能源和動力之一，風能利用主要包括風力發電、風帆助航、風車提水、風力磨坊、風力鋸木等。人類對于風能的利用已有千年的歷史，風能最早的利用方式是“風帆行舟”、利用“方格形風車”（Panemon）來帶動石磨磨谷等。12世紀，風車從中東傳入歐洲。據認為，是班師的十字軍將風車的概念和設計帶到了歐洲，風力和水力很快就在中世紀的英格蘭成了機械能的主要來源。今日，荷蘭人將風車視為國寶，北歐國家保留的大量荷蘭式的大風車，已成為人類文明是的見證。如1895年，丹尼爾﹒哈利戴起先發展了后來演化成鼎鼎出名的“美國農場風車”。在今日，假如沒有這種風車，那么在美國、阿根廷和澳大利亞的許多地區，牲畜的牧場飼養也不是不行能的。19世紀末，丹麥人首先研制了風力發電機。1891年丹麥建成了世界第一座風力發電站。到1973年發生石油危機后，風力發電進入了一個蓬勃發展的階段，在世界不同地區建立了許多大、中型的風電場。同時，氣候的變更也推動了風電技術的進一步升溫。預料到21世紀中葉，風能將會成為世界能源供應的支柱之一，成為人類社會可持續發展的主要動力源[1]。1.1.2風力發電探討的意義從我國來看，改革開放以來,由于我國的經濟增長基本建立在高消耗，高污染的傳統發展模式上,出現了比較嚴峻的環境污染和生態破壞,環境和發展的沖突日益突出。再加之不斷增加的人口因素,這一切最終的結果是資源相對短缺，生態環境脆弱，環境容量不足，這也慢慢成為中國發展中的重大問題。從世界范圍內來看，風力發電作為無污染的可再生能源隨著世界范圍內石油、煤炭儲量的不斷削減和燃用石油、煤炭等對環境污染產生嚴峻影響。因此，節約能源，提高能源利用率，大力開發運用新能源和可再生能源，逐步以干凈能源替代礦物燃料，是我國能源建設和發展應遵循的原則，也是實施可持續發展戰略的一個重要組成部分，對于環境愛惜和增加能源供應有著主動作用。此種狀況下風能的利用受到人們的關注，但我國的風力發電機大多引進國外整套設備，從中國大范圍、許久開發風能的須要來看，單純依靠國外進口風機絕不是根本出路。只有在引進國外先進技術的同時發展我們自己的風機制造業，才是百年大計，才能保證不會面臨淘汰的緊急。因此研制具有自主學問產權的風力發電機具有特殊重大的意義。總之，發展風電技術，對于緩解能源危機,愛惜環境，發展國民經濟具有深遠的意義。1.2風力發電發展的過程、現狀及趨勢1.2.1風力發電初創時期 風力發電初創時期從1887—1888年冬到二十世紀30年頭初起先，主要代表有美國人布拉什安裝了一臺被現代人認為是第一臺自動運行的且用于發電的風力發電機，以及1891年，丹麥人拉庫爾（LaCour）教授設計建立了世界上第一座風力發電試驗站，接受蓄電池充、放電方式供電，獲得成功，并得到推廣應用。1897年，LaCour教授獨創了快速轉動、葉片數少的風力發電機，在發電時比低轉速的風力發電效率高得多，如圖1.1。到小容量的風力發電機組技術已經比較成熟，并得到廣泛的推廣和應用。圖1.1四葉片直流風力發電圖1.2Gedser風力發電機1.2.2風力發電徘徊發展期從20世紀30年頭初到60年頭末，為風力發電的其次個階段。此時風力發電處于徘徊時期。比如,丹麥在風力發電機并網方面探討比較深化，取得了許多成果。1942年，丹麥公司在Bobo島安裝了一批兩葉片和三葉片的風機，這些風機（和它們的前輩一樣）發的是直流電，如圖1.2,最具代表性的是蓋瑟（Gedser）風力發電機組。創新的200kW蓋瑟風力發電機在1956—1957年由JohannesJuul為SEAS電力公司建成，風機安裝在丹麥南部的蓋瑟海岸。三葉片，上風向，帶有電動機械偏航和異步發電機的風力發電機是現代風力發電機的設計先驅。這臺風力機是失速調整型風力機，JohannesJuul獨創了緊急氣動葉片尖剎車，在風力機過塑是通過離心力的作用解放。基本上和現代失速型風力發電機上運用著相同的系統。這臺風力發電機，在隨后的許多年始終是世界上最大的。它在無需維護的狀況下，運行了11年。同樣的，法國、英國、德國在這一時期對風力發電技術都取得了一些進展，但仍由于一些客觀技術緣由的存在，仍沒有將風力發電技術發展到對于當時來說的最大化。如前所述，為了找到更加廉價的能源，世界各國對風力發電寄予厚望，也投入了大量的人力、物力、財力，研制成功了一些大型風力發電機，取得了一些閱歷，但在20世紀60年頭初，由于石油價格降低，風力發電在造價和穩定牢靠性方面遠競爭不過火力發電，所以風力發電的探討又停滯下來[1]。1.2.3風力發電的現狀及趨勢隨著國際社會能源緊缺壓力的不斷增大，環境問題日益嚴峻化，風力發電得到了高度的重視。二十多年來，風電技術日趨成熟，應用規模越來越廣。其中我國增長最快，維持100%的增速，當年吊裝完成1400萬千瓦，比2008年增加了760萬千瓦，同比增長120%；歐盟實現裝機容量1056萬千瓦，同比增長17%；美國凈增992萬千瓦，同比增長19%。依據全球風能理事會的統計，截止到2010年12月，2010年全球風能新增裝機3850萬千瓦，累計裝機19440萬千瓦，同比2009年（15870萬千瓦）增長了22.5%。2010年新增風電投資近473億歐元（650億美元）。從風電發展的區域分布區域來看，2010年歐洲、亞洲、北美仍分居世界三甲，2010年底的裝機容量分別達到8756萬千瓦、5828萬千瓦合4699萬千瓦。歐洲雖然仍居首位，但是和亞洲、北美的差距正在縮小，我國風電新增容量超過歐盟。業內人士普遍估計，到2010年三大風電裝機容量將基本持平。從國別來看，我國以累計裝機容量4478萬千瓦穩居首位，美國以4027萬千瓦的裝機容量位居其次，德國以2736萬千瓦的容量位居第三，西班牙和印度位居第四和第五，累計裝機容量分別2030萬千瓦和1297萬千瓦。進入前十名的還有法國（596萬千瓦）、英國（586萬千瓦）、意大利（579萬千瓦）、加拿大（401萬千瓦）、和葡萄牙（383萬千瓦），詳見圖1.3。

圖1.32010年全球風電裝機排名前十的國家總之,隨著各國政策的傾斜和科技的不斷進步,世界風力發電發展快速,呈現出了廣袤的前景。將來數年世界風力發展的趨勢可能如下發展:(1)風力發電從陸地向海面拓展。(2)單機容量進一步增大單機容量為5MW的風機已經進入商業化運行階段。(3)在技術上,經過不斷發展,世界風力發電機組慢慢形成了水平軸、三葉片、上風向、管式塔的統一形式.進入21世紀后,隨著電力電子技術、微機限制技術和材料技術的不斷發展,世界風力發電技術得到了飛速發展,主要體現在:1)變槳距功率調整方式快速取代定槳距功率調整方式。2)變速恒頻方式快速取代恒速恒頻方式。3)無齒輪箱系統的直驅方式增多。(4)風力發電機組更加特性化。(5)從事風力發電的隊伍進一步擴大[2]。1.2.4我國風力發電技術存在的問題雖然目前我國的風電發展速度特殊快,但和發達國家相比,主要存在以下問題:1．國內風力發電機產量不足,很大一部分核心設備主要從國外進口,選購 價格較高;同時某些技術瓶頸也使生產成本增加,故風力發電的能源價格居高不下。2．從發電量因數的比較可以看出,我國的發電量因數還不到世界的一半,這就意味著我國風力發電機的安裝量和發電量嚴峻不成比例。3．我國近海的風能資源比陸上豐富,具有更高、更穩定的風速;和陸上相比,可供應的能量超過120%～140%以上,故海上風力發電的發展在我國將來特殊重要。但是,我國的海上風電發展已慢于世界其他國家,且在技術研發方面也有不小的差距。1.3本文探討的主要內容風力發電機依據有無齒輪箱分為直驅式風力發電機和雙饋式風力發電機以及介于二者之中的半直驅式風力發電機。而當前風電技術和設備的發展主要呈現大型化、變速運行、變槳距、無齒輪箱等特點。雙饋式風力發電機，由于極對數小，因而結構比較簡潔，體積小，但是由于須要齒輪增速箱，因此傳動系統結構比較困難，齒輪箱設計、運行維護困難，簡潔出故障。直驅風電機組的風輪干脆驅動發電機轉子旋轉，不須要齒輪箱增速，從而提高了傳動效率和牢靠性，削減了故障點，但是直驅式機組的發電機極對數高，體積比較大，結構也困難得多。所以本文在基于對二者優缺點的對比中，取長補短進行對傳動系統的優化設計，即對雙饋式風力發電機的增速齒輪箱進行設計，使傳動系統既具有雙饋式的增速作用，又能夠具備直驅式的高的傳動效率。

第2章風力發電機組的組成和驅動結構型式2.1概述風力發電機的功能是將風輪獲得的空氣動能轉換成機械能，再將機械能轉換為電能，輸送到電網中。對風力發電機組的基本要求是在風電場所處的氣候和環境條件下長期平安輸送，以較低的成本獲得最大的年度發電量。圖2.1為風力發電設備示意。如圖所示機械傳動、偏航、液壓、制動、發電機和限制等系統大部分都裝在機艙內部，機艙外伸部分則是輪轂支撐的風輪。偏航系統干脆安裝在機艙底部，機艙通過偏航軸承和偏航機構連接，并安裝在塔架上，可隨時依據風向變更調整迎風風向[3]。圖2.1風力發電設備示意風電機組的主要部件布置要使得機組在運行時，機頭（機艙和風輪）中心和塔架中心相一樣，整個機艙底部和塔架的連接應能抵抗風輪對塔架造成的動力負載和乏累負載作用。機艙外殼是玻璃纖維和環氧樹脂制造的機艙罩，具有低成本、重量輕、強度高的特點，能有效地防雨、防潮和抵抗鹽霧、風沙的侵蝕。圖2.2是上風向、三葉片、水平軸、變槳變速帶齒輪箱的兆瓦級風電主流結構。風電機的風輪旋轉產生的能量，通過輪轂、主軸、齒輪箱的高速軸和柔性聯軸器送到發電機。之所以運用齒輪箱，是為了將風輪上的低轉速高轉矩能量，轉換為用于發電機上的高轉速低轉矩的能量，這樣就可以運用就結構較小的一般電機發電。假如不運用齒輪增速箱，在很低的風輪轉速下只能用一個技術較多的發電機，而用發電機轉子的質量和轉矩大小成正比例，這樣的發電機將特殊浩大和笨重。直驅式風力發電機就是沒有齒輪增速箱，由風輪干脆驅動發電機，亦稱無齒輪箱風力發電機，如圖2.3所示。圖2.2風電機組的結構圖圖2.3直驅式風力發電機結構2.2風力發電機組的組成和結構如圖2.1所示，風力發電機組是由風輪、傳動系統、偏航系統、液壓系統、制動系統、發電機、限制和平安系統、機艙、塔架和基礎等組成。該機組通過風力推動葉輪旋轉，再通過傳動系統增速來達到發電機的轉速后來驅動發電機發電，有效的將風能轉化成電能。其工作過程流程圖如圖2.4。風力發電機傳動系統風輪風能機械能機械能電能風力發電機傳動系統風輪圖2.4風力發電機的工作過程1．風輪風力機區分于其他機械的最主要特征就是風輪。風輪一般由2~3個葉片和輪轂組成，其主要功能就是將風能轉換為機械能。一般風力機從審美觀點看一般三葉片更令人滿意。葉片是吸取風能的單元，用于將空氣的動能轉換為葉輪轉動的機械能。葉輪的轉動是風作用在葉片上產生的升力導致。輪轂是風輪的樞紐，也是葉片的根部和主軸的連接件。全部從葉片傳來的力，都通過輪轂傳遞到傳動系統，再傳到風力機驅動的對象。同時輪轂也是限制葉片槳距（是葉片做俯仰轉動）的所在。圖2.5輪轂2．傳動系統葉輪產生的機械能由機艙里的傳動系統傳遞給發電機,風力機的傳動系統一般包括低速軸、高速軸、齒輪箱、聯軸器、制動器和平安過載愛惜裝置等組成。齒輪用于增加葉輪轉速,從20到50r/min增速到1000到1500r/min,驅動發動機。齒輪箱有兩種:平行軸式和行星式。但有些風力機的輪轂干脆連接到齒輪箱上，不須要低速傳動軸。還有些風力機（特殊是小型風力機）設計成無齒輪箱的，風輪干脆連接發電機。傳動系統要按輸出功率和最大扭矩載荷來設計。3．偏航系統（對風裝置）偏航系統主要有兩個作用：其一是風力發電機組的限制系統相互協作，使風力發電機組的風輪始終處于迎風狀態，充分利用風能，提高風力發電機組的發電效率；其二是供應必要的緊縮力矩，以保障風力發電機組的平安運行。偏航系統工作原理：風向標作為感應元件，對應每一個風向都有一個相應的脈沖輸出信號，通過偏航系統軟件確定旋轉方向和偏航角度，風向標將風向變更用脈沖信號傳遞到偏航點擊的限制回路的處理器里，經過偏航系統調整軟件比較后處理給偏航電機發出順時針或逆時針的偏航叮囑，為了削減偏航時的陀螺力矩，風機轉速將通過同軸連結的減速器減速后，將偏航力矩作用在回轉體大齒輪上，帶動風輪偏航對準風向，當對風完成后，風向標失去電信號，電機停止工作，偏航過程結束。4．液壓和制動系統液壓系統的主要功能是向制動系統或液壓、伺服變槳距限制系統的工作油缸供應壓力油，由電動機、油泵、油箱、過濾器、管路及各種液壓閥組成。制動系統主要分為空氣動力制動和機械制動兩部分。5．發電機發電機是將葉輪轉動的機械動能轉換為電能的部件。齒輪箱高速軸和發電機軸通過柔性聯軸器連接，發電機通過四個橡皮減震器和機艙底盤連接，這種結構可以有效地降低發電機噪聲。風電機組要求發電機在負荷相對較低的狀況下，仍保持有較高的效率，因為風電機組大多數時間內在較低風速下運行。風力發電機系統包括發電機、變流器、水循環裝置（水泵、水箱）或空冷裝置。常見的發電機由異步發電機和同步發電機兩種。6．限制系統限制系統利用微處理機，邏輯程序限制器或單片機通過對運行過程中輸入信號的采集、傳輸、分析，來限制風電機組的轉速和功率，如發生故障或其他異樣狀況能自動地檢測并分析確定緣由，自動調整解除故障或進入愛惜狀態。其主要任務是自動限制風電機組運行，依照其特性自動檢測故障并依據狀況實行相應的措施。主要包括限制和檢測兩部分。依據風電機組的結構和載荷狀況、風況、變槳變速特點及其他外部條件，將組的運行狀況主要分為以下幾類：待機狀態、發電狀態、大風停機方式、故障停機方式，人工停機方式和緊急停機方式。7．機艙 機艙的布置應遵循以下原則：(1)操作和修理便利。(2)功能效率要求高。(3)盡量保持機艙靜平衡，使機艙的重心位于機艙的對稱面內，在塔架和風輪之間偏塔架軸線一方。這樣便于吊具設計、機艙吊裝，并有利于偏航回轉裝置負載勻整。圖2.6機艙布置圖1—輪轂2—增速3—機艙罩4—聯軸器5—電控系統6—發電機7—冷卻器8—泵站9—偏航驅動10—偏航制動11—偏航軸承12—底座13—彈性底座14—葉片8．塔架和基礎塔架是支持風輪、發電機等部件的架子，還承受風向風力機和塔架的風壓及風力機運行中的動載荷。塔架不僅要有確定的高度，使風力機處于較為志向的位置上（及渦流影響較小的高度）運轉，還必需具有足夠的乏累強度，能承受風輪引起的振動載荷，包括啟動和停機的周期性影響、突風變更、塔影效應等。風力機組的基礎通常為鋼筋混凝土結構，并且依據當地地質狀況設計成不同的形式。其中心預置和塔架連接的基礎件，以便將風力發電機組牢堅實定在基礎上，基礎四周還要設置和防雷機的接地系統[3]。2.3風力發電機的結構型式風力發電機依據傳動系統有無齒輪箱分類，分為直驅型風力發電機和雙饋式風力發電機。下面主要以依據有無齒輪箱，探討直驅式和雙饋式風力發電機的工作特性，其中主要以雙饋式為主。雙饋式變槳變速恒頻技術的主要特點是接受了風輪可變速變槳運行，傳動系統接受齒輪箱增速和雙饋異步發電機并網，而直驅式變速變槳恒頻技術接受了風輪和發電機干脆耦合的傳動方式，發電機多接受多極同步電機，通過全功率變頻裝置并網。直驅技術的最大特點是牢靠性和效率都進一步得到了提高。還有一種介于二者之間的半直驅式，由葉輪通過單級增速裝置驅動多極同步發電機，是直驅式和傳統型風力發電機的混合。2.3.1直驅型風力發電機直驅式風力發電機，是一種由風力干脆驅動發電機，亦稱無齒輪風力發動機，這種發電機接受多極電機和葉輪干脆連接進行驅動的方式，免去齒輪箱這一傳統部件。由于齒輪箱是目前在兆瓦級風力發電機中屬易過載和過早損壞率較高的部件，因此，沒有齒輪箱的直驅式風力發動機，具備低風速時高效率、低噪音、高壽命、減小機組體積、降低運行維護成本等諸多優點。干脆驅動式變速恒頻（DDVSCF）風力發電系統框圖如圖2.7所示，風輪和同步發電機干脆連接，無需升速齒輪箱。首先將風能轉化為頻率、幅值均變更的三相溝通電，經過整流之后變為直流，然后通過逆變器變換為恒幅恒頻的三相溝通電并入電網。通過中間電力電子變流器環節，對系統有功功率和無功功率進行限制，實現最大功率跟蹤，最大效率利用風能。和雙饋式風力發電系統相比，直驅式風力發電系統的優點在于：（1）傳動部件的削減，提高了風力發電機組的牢靠性、能源利用率和生產周期縮短；（2）變速恒頻技術的接受提高了風電機組的效率；（3）機械傳動部件的削減降低了風力發電機組的噪音、提高了整機效率；（4）牢靠性的提高降低了風力發電機組的運行維護成本，修理工作量也大大降低了；（5）利用現代電力電子技術可以實現對電網有功功率無功功率的靈敏限制；（6）發電機和電網之間接受全功率逆變流器輸出功率完全可控，使發電機和電網之間的相互影響削減，電網故障時對發電機的損害較小。其缺點在于：(1)由于直驅型風力發電機組沒有齒輪箱，低速風輪干脆和發電機相連接，各種有害沖擊載荷也全部由發電機系統承受，對發電機要求很高。(2)為了提高發電效率，發電機的極數特殊大，通常在100極左右，發電機的結構變得特殊困難，體積浩大，須要進行整機吊裝；(3)由于全功率連接，使得功率變換器造價昂貴，限制困難；(4)用于干脆驅動發電的發電機，工作在低轉速、高轉矩狀態，電機設計困難、極數多、尺寸大造成體積大、造價高、運輸、安裝困難。圖2.7干脆驅動式風力發電系統框圖[4]2.3.2雙饋型風力發電機雙饋型發電機又被人們稱之為溝通勵磁發電機。雙饋型風電機組中，為了讓風輪的轉速和發電機的轉速相匹配，必需在風輪和發電機之間用齒輪箱來聯接，這就增加了機組的總成本；而齒輪箱噪音大、故障率高、須要定期維護，并且增加了機械損耗；機組中接受的雙向變頻器結構和限制困難；電刷和滑環間也存在機械磨損。雙饋型風力發電機組的特點是接受了多級齒輪箱驅動有刷雙饋式異步發電機。它的發電機的轉速高，轉矩小，重量輕，體積小，變流器容量小，但齒輪箱的運行維護成本高且存在機械運行損耗。雙饋感應發電機組是具有定、轉子兩套繞組的雙饋型異步發電機（DFIG），定子接入電網，轉子通過電力電子變換器和電網相連，如圖2.8所示。在風力發電中接受溝通勵磁雙饋風力發電方案，可以獲得以下優越的性能：(1)調整勵磁電流的頻率可以在不同的轉速下實現恒頻發電，滿意用電負載和并網的要求，即變速恒頻運行。這樣可以從能量最大利用等角度去調整轉速，提高發電機組的經濟效益。(2)調整勵磁電流的有功重量和無功重量，可以獨立調整發電機的有功功率和無功功率。這樣不但可以調整電網的功率因數，補償電網的無功需求，還可以提高電力系統的靜態和動態性能。(3)由于接受了溝通勵磁，發電機和電力系統構成了“柔性連接”，即可以依據電網電壓、電流和發電機的轉速來調整勵磁電流，精確的調整發電機輸出電壓，使其能滿意要求。(4)由于限制方案是在轉子電路實現的，而流過轉子電路的功率是由溝通勵磁發電機的轉速運行范圍所確定的轉差功率，它僅僅是額定功率的一小部分，這樣就大大降低了變頻器的容量，削減了變頻器的成本。圖2.8雙饋式變速恒頻風力發電系統結構框圖[4]2.3.3直驅型風力發電機和雙饋型風力發電機的特性比較雙饋式風力發電機組的特點是接受了多級齒輪箱驅動有刷雙饋式異步發電機。它的發電機的轉速高，轉矩小，重量輕，體積小，變流器容量小，但齒輪箱的運行維護成本高且存在機械運行損耗。直驅式風力發電機組在傳動鏈中省掉了齒輪箱，將風輪和低速同步發電機干脆連接，然后通過變流器全變流上網，降低了機械故障的概率和定期維護的成本，同時提高了風電轉換效率和運行牢靠性，但是電機體積大、價格高。表2.1直驅式和雙饋式風力發電機的特性比較機型和特性勵磁雙饋型風力發機組永磁直驅風力發電機組統維護成本較高（齒輪箱故障多）低系統價格中高系統效率較高高變流其容量全功率的1/3全功率變流變流系統穩定性中高電機滑環半年換碳刷，兩年換滑環無碳刷，滑環電機重量輕重電機種類勵磁永磁，設計時要考慮永磁體退磁問題綜上文所述，雙饋式較之直驅式具有下列特點：

（1）勵磁雙饋風電機組具有很高的性價比，尤其適合變速恒頻風力發電系統，因而在將來一段時間內照舊是風電行業的主流機型。

（2）永磁直驅風電機組牢靠性高、運行維護簡潔；電網運行質量大大提高。在技術經濟條件成熟時，永磁直驅風電機組有望成為風電領域更受歡迎的產品。目前，由于雙饋風電機組技術特殊成熟，生產廠商較多，業主選擇性更強，運行閱歷豐富，仍是風電場開發的主流機型。而直驅風電機組技術尚未完全成熟，國內生產廠商較少，有些機型還處在設計研發階段，并且已投人運行的機組運行時間較短，其性能、工藝質量尚需時日考驗，更大兆瓦級直驅風電機組仍需在結構、材料、工藝等方面進一步探討。

第3章風力發電機組傳動系統設計3.1傳動系統的結構 風力發電機組機械傳動系統是指將風輪獲得的空氣動力以機械方式傳遞到發電機的整個軸系及其組成部分，由主軸、齒輪箱、聯軸器、制動器和過載平安愛惜裝置等組成。風力發電機組主傳動系統有各種各樣的布置方式，因而其結構形式也具有多樣化的特點。軸系的結構主要和接受的發電機形式有關。目前，雙饋式風力發電機一般接受齒輪箱增速。圖3.1帶增速齒輪箱的風電機組傳動系統示意圖[5]3.2風力發電機傳動系統布置型式及其特點比較傳統的風力發電機接受齒輪增速裝置，按主軸軸承的支撐方式風力發電機組傳動形式分為“兩點式”、“三點式”、“一點式”和“內置式”四種，具體見表3.1。表3.1四種布置方式的比較特性分布方式概念比較優點缺點兩點式主軸用兩個軸承座支撐，其中靠近輪轂的軸承作為固定端，另一個軸承作為浮動端，①讓主軸及其軸承承受風輪的大部分載荷，削減風輪載荷突變對齒輪箱的影響②穩定性最好①軸系較長，增大了機艙的體積和重量②機組功率越大，隨著主軸直徑和長度的增大，機艙布置和吊裝難度也隨之增大三點式該種方式事實上是在“兩點式”的基礎上省去了一個主軸的軸承，由主軸前端軸承和齒輪向兩側的支架組成①縮短軸向尺寸②簡化了結構①對齒輪箱的承載實力要求高②噪聲大一點式該種布置不需主軸，風輪法蘭干脆通過一個大軸承支撐在機架上齒輪箱的輸入軸不會因彎曲力矩而變形不需主軸，齒輪箱箱體和機艙支架做成一體傳動裝置緊湊①傳動鏈的前軸承、齒輪箱和箱架合的機架結構設計難度加大②對零件的強度和性能的要求較高內置式該種布置是將主軸、主軸承和齒輪相集成在一起，主軸內置于齒輪箱內，主軸和第一級行星輪接受花鍵或過盈連接，風輪載荷通過箱體傳到主軸機架上①結構緊湊②風輪和主軸裝配便利③齒輪箱內齒輪接受集中強制潤滑，潤滑效果好④現場安裝、維護工作量小①齒輪箱外形尺寸和重量大②制造成本相對較高③風輪載荷干脆作用在齒輪箱箱體上，度齒輪和軸承的運轉影響較大3.3增速齒輪箱傳動系統的典型結構型式及分析風力發電機組齒輪箱的種類許多，依據傳統類型可分為圓柱齒輪箱、行星齒輪箱以及他們相互組合起來的齒輪箱；依據傳動的技術分為單機和多級齒輪箱；依據傳動的布置形式又分為綻開式、分流式和同軸式以及混合式等[3]。近年來，風力發電機組已發展到兆瓦級，下面就兆瓦級風電機組齒輪箱予以簡潔的介紹。1．一級行星和兩級平行軸齒輪傳動一級行星和兩級平行軸齒輪傳動形式，其傳動原理簡潔的概括為，行星架將風輪動力傳至行星輪（通常設置三個行星輪），再經過中心太陽輪到平行軸齒輪，經兩級平行軸齒輪傳遞是高速軸輸出。圖3.2的視圖顯示了動力傳遞和增速線路以及齒輪箱結構。機組的主軸和齒輪箱輸入軸（行星架）利用脹緊套連接，裝拆便利，能保證良好的對中性，且削減應力集中。在行星齒輪級中常利用太陽輪的浮動實現均載。這種結構在1～2MW的機組中應用較多。

圖3.2一級行星和兩級平行軸齒輪傳動齒輪箱2．兩級行星齒輪和一級平行軸齒輪傳動兩級行星齒輪和一級平行軸齒輪傳動型式，接受了兩級行星齒輪增速可獲得較大增速比，實際應用時在兩行星級之外加上一級平行軸齒輪，錯開中心位置，以便利用中心通孔通入電纜或液壓管路。圖3.3的視圖顯示了其動力傳遞和增速線路以及結構。圖3.3兩級行星和一級平行軸齒輪傳動箱齒輪3．內嚙合齒輪分流定軸傳動內嚙合齒輪分流定軸傳動是將一級行星和兩級平行軸齒輪傳動結構的行星架和箱體固定在一起，行星輪軸也變成固定軸，內齒圈成為主動輪，動力通常由三根齒輪分流傳至同軸連接的三個大齒輪，再將動力匯合到中心輪傳至末級平行軸齒輪。這種傳動方式也通常用于半直驅機組的傳動裝置中。由內齒圈輸入，將功率分流到幾個軸齒輪，再從同軸的幾個大齒輪傳遞到下一級平行軸齒輪，相當于行星架固定，內齒圈作為主動輪，再排行星齒輪變為定軸傳動。這種裝置由于沒有周轉軸，有利于布置潤滑油路。另外從結構上看各個組件可獨立拆卸，便于在機艙內進行檢修。分流差動齒輪傳動對于分流差動齒輪傳動方式可以通過圖3.4來了解，如圖所示，則是利用差動和行星齒輪傳動進行動力分流和合流的傳動方式，可在結構設計中增加行星輪的個數，并接受柔性行星輪軸，是載荷支配更加勻整，用于較大功率場合。由圖中可以看出，行星架傳入的動力一部分經行星輪左側傳至太陽輪，另一部分通過和行星架項鏈的大內齒圈經一組定軸齒輪傳至太陽輪，由于差動傳遞的作用，兩部分的動力在此合成輸出，傳至末級平行軸齒輪。圖3.4內嚙合齒輪分流定軸傳動3.4增速齒輪箱傳動系統設計隨著風力發電技術的日趨成熟，風電機組正向大型化發展，由于風能資源一般分布在環境相對極其惡劣、人煙稀有的極地地方，而風電場的安置又必需以風能的分布為先決條件。所以，相對來說，鑒于對風力機的裝機、傳動效率、維護、修理方面的緣由，提高風力機的牢靠性是不容置緩。如其次章中所述，現代風力機的結構形式依據有無齒輪箱可分為帶增速齒輪箱風電機組、直驅風電機組和半直驅風電機組。由其特性可知，盡管直驅式風電機組具有簡化傳動結構的特點，在風力發電機組容量越來越向大型化發展的今日，過于浩大的低速發電機造成的運輸、吊裝難題，加上較高制造成本的條件限制，不得不回過頭來思索如何減小機構的體積和重量以及降低成本的途徑。適當運用齒輪增速或利用功率分流的方法是解決問題的思路之一。3.4.1設計的主要內容和其它工業齒輪箱相比,由于風電齒輪箱安裝在距地面幾十米甚至一百多米高的狹小機艙內,其本身的體積和重量對機艙、塔架、基礎、機組風載、安裝修理費用等都有重要影響。同時,由于修理不便、修理成本高,通常要求齒輪箱的設計壽命為20年,對牢靠性的要求也極其苛刻。因此，總體設計階段應在滿意牢靠性和工作壽命要求的前提下,以最小體積、最小重量為目標進行傳動方案的比較和優化；結構設計應以滿意傳遞功率和空間限制為前提,盡量考慮結構簡潔、運行牢靠、修理便利。由于葉尖線速度不能過高,因此隨著單機容量的增大,齒輪箱的額定輸入轉速慢慢降低,兆瓦以上級機組的額定轉速一般不超過20r/min。另一方面,發電機的額定轉速一般為1500或1800r/min,因此大型風電增速齒輪箱的速比一般在75～100左右。為了減小齒輪箱的體積,500kW以上的風電增速箱通常接受功率分流的行星傳動；500kW～1000kW常見結構有一級行星和兩級平行軸以及二級行星和一級平行軸傳動兩種形式；兆瓦級齒輪箱多接受一級行星和兩級平行軸傳動的結構。由于行星傳動結構相對困難,而且大型內齒圈加工困難,成本較高,即使接受2級行星傳動,也以NWG傳動形式最為常見[6]。結合以上分析，設計此次的增速齒輪箱的傳動方式接受行星輪系，以圖3.5作為參考傳動方案，初步擬定定軸部分接受減速器的設計方法，再結合書籍資料完成風力發電齒輪箱的設計，校核，CAD二維的裝配圖及其零件圖。關于行星輪系的傳動比，及齒輪的計算，會參照《機械原理》《機械設計手冊》等一些書籍的部分內容進行，還有關于軸的計算等。有關設計的主要參數如表3.2所示。表3.2齒輪箱設計的重要參數輸入功率0.55kW輸入轉速范圍10～20r/min[5]風輪轉速18r/min傳動形式一級行星和兩級平行定軸總傳動比100發電機型號FG500M46-4RB+KK發電機額定功率1560kW發電機轉速范圍1000～2000r/min發電機額定轉速1800r/min由于風力發電機組運轉的環境特殊惡劣，受力狀況困難，要求所用的材料除了要滿意機械強度條件外，還應能滿意極端溫差條件下所具有的材料特性，比如抗拒低溫冷脆性、冷熱溫差影響下的尺寸穩定性等。并且外齒輪制造精度不低于6級，齒面硬度58～62HRC。同時，為了提高承載實力，所以，齒輪、軸類接受合金鋼制造，具體為外齒輪接受20CrMnMo材料，內齒圈和軸類零件接受42CrMo材料。表3.3所選材料的部分特性[8]鋼號熱處理狀態截面尺寸力學性能硬度HBS直徑D/mm壁厚s/mmσbσsδ5ψak/J·cm-2/N·mm-2/%20CrMnMo滲碳+正火+低溫回火30≤10015≤50≥1079≥834≥785≥490≥7≥15≥40≥40≥39.2≥39.2表56～62HRC心28～33HRC42CrMo調質100～250250～300300～50050～125125～150150～250735～883637588589490441≥14≥141040353058.839.239.2207～269207～269207～2693.4.2齒輪增速傳動系統設計依據設計要求，即發電機的轉速要求達到2000r/min左右，依據現有風力機相對應的發電機的功率及額定轉速選取1.5MW雙饋異步風力發電機，包括常溫型、防鹽霧性、低溫型。一般對于兆瓦級風電齒輪箱，傳動比一般多在100左右，傳動系統多接受行星傳動，因為行星傳動具有以下優點：第一，傳動效率高，體積小，重量輕，結構簡潔，制造便利，傳遞功率范圍大，使功率分流；其次，合理運用內嚙合，共軸線式的傳動裝置，使軸向尺寸大大縮小；第三，運動平穩、抗沖擊和振動實力較強。在具有上述特點和優越性的同時，行星齒輪傳動也存在一些缺點：結構形式比定軸齒輪傳動困難；對制造質量要求高；由于體積小，散熱面積小，導致油溫上升，故對于潤滑和冷卻裝置要求嚴格。而這兩種行星傳動和平行軸傳動相混合的傳動形式，綜合了兩者的優點。因此，依據供應的技術數據，設計齒輪箱的傳動比為1:100，由于增速比較大，依據此傳動比，齒輪箱的傳動結構形式可設計為：一級行星和兩級平行軸傳動[7]。圖3.5一級行星+兩級平行軸傳動簡圖3.4.2.1傳動比的支配依據設計參數，已知風輪轉速為n發=18r/min，電動機轉速nm=1800r/min則總傳動比i==合理的支配傳動比是傳動系統設計的一個重要問題。它將干脆影響到傳動系統外廓尺寸重量、潤滑及傳動機構的中心距等多方面。所以為了使齒輪傳動系統結構緊湊，外形輪廓尺寸相對較小，所一般對增速傳動系統于傳動比的支配是高速級的傳動比低于低速級。因此依據定軸輪系傳動比的支配范圍選取合理的傳動比，選取兩級定軸傳動比i定=i2×i3=4×4則一級行星齒輪傳動比iⅠ=100÷（4×4）≈6.253.4.2.2行星齒輪選用滿意的幾何條件行星齒輪傳動由于多對齒輪同時參和嚙合承受載荷，要實現這一目標行星輪系各齒輪齒數必需要滿意確定的幾何條件。(1)保證兩太陽輪和系桿轉軸的軸線重合，即滿意同心條件Zs+2Zp=Zr。(2)保證3個均布的行星輪相互間不發生干涉，即滿意鄰接條件：（Zs+Zp）sin>Zp+2ha*(3)設計行星輪時，為了不使行星輪各基本構件所受徑向力平衡，各行星輪在圓周上應勻整分布或對稱分布，即滿意均布條件：保證在接受多個行星輪時，各行星輪能夠勻整地分布在兩太陽輪之間，即滿意安裝條件（Zs+Zr）/K=P，P為整數。裝配行星輪時，為使各基本構件所受徑向力平衡，各行星輪在圓周上應勻整分布或對稱分布。(4)保證輪系能夠實現給定的傳動比i1H，即滿意傳動比條件。當內齒圈不動時有Zr/Zs=i1H-1以上各式中：Zs為中心太陽輪齒數；Zp為行星輪齒數；Zr為內齒圈齒數；K為行星輪個數；ha*為齒頂高系數。3.4.2.3傳動部分參數計算1．各軸的轉速n（r/min）高速軸Ⅳ的轉速nⅣ=nm=1800r/min中間軸Ⅲ的轉速nⅢ=nⅣ/i3低速軸Ⅱ的轉速(太陽輪S所在軸)nⅡ=nⅢ/i2行星架的轉速nⅠ=n風式中：nm為發電機的轉速；n風為風輪的輸入轉速；i3為定軸平行軸間傳動比；i2為太陽輪和低速軸間傳動比。2．各軸的輸入功率P（kW）風輪的輸入功率PⅠ=0.55kW低速軸Ⅱ的輸入功率PⅡ=PⅠcmgS1中間軸Ⅲ的輸入功率PⅢ=PⅡ2g2高速軸Ⅳ的輸入功率PⅣ=PⅢgc式中：c為聯軸器的的效率；g為一對軸承的效率；m為考慮齒輪嚙合摩擦損失的效率；s為考慮潤滑油攪動和飛濺的液力損失的效率；1低速級齒輪傳動的效率；2為高速級齒輪傳動的效率。3．各軸的輸入轉矩風輪的輸入轉矩TⅠ=9550PⅠ/nⅠ低速軸Ⅱ的輸入轉矩TⅡ=9550PⅡ/nⅡ中間軸Ⅲ的輸入轉矩TⅢ=9550PⅡ/nⅡ高速軸Ⅳ的輸入轉矩TⅣ=9550PⅢ/nⅢ表3.4傳動參數的數據表項目風輪軸Ⅰ低速軸Ⅱ中間軸Ⅲ高速軸Ⅳ發電機功率P/kW0.550.520.510.50額定1560轉矩T/(N·m)291.8044.1410.822.65—轉速n/(r/min)18112.545018001800傳動比i6.2544—效率0.950.970.980.963.4.2.4齒輪參數確定1．行星輪系的齒輪參數依據行星輪系的傳動所須要滿意的條件確定所需參數。在前面已經確定一級行星輪的傳動比為i1=6.25，則其轉化輪系的傳動比，依據《機械設計手冊》（第五版）中第五章，漸開線圓柱齒輪行星傳動，參照表14-5-5，NGW型行星齒輪傳動的齒數組合，選取齒數組合為當P=3，且將傳動比圓整為i1=6.26時，ZS=23，ZP=49，ZR=121.傳動比誤差為0.14%，遠遠小于要求的不應超過其范圍的4%，在合理的范圍之內[8]。(1)選定齒輪類型，精度等級，材料1）選擇直齒輪圓柱齒輪。2）齒輪精度等級為6級精度。3）材料選擇為20CrMnMo，硬度為表56～62HRC，心28～33HRC，熱處理應為滲碳+淬火+低溫回火。(2)依據齒面接觸強度初算S-Pi傳動中心距和模數[8]輸入轉矩則在一對S-Pi傳動中，傳遞給小齒輪（太陽輪）的轉矩為TⅠ=9550PⅠ/nⅠ=291.8N·m設載荷不勻整系數KC=1.15齒數比==≈2.13太陽輪和行星輪的材料選用如上表所示，齒面硬度具體要求：太陽輪59~63HRC,行星輪為53~58HRC；=1500MPa，許用接觸應力=0.9=1500×0.9=1350MPa取齒寬系數=1，載荷系數K=1.8，則中心距=483×（2.13+1）=97.78mm模數m==2.71mm，依據GB/T1357-1987，取標準模數m=3mm為提高嚙合齒輪副的承載實力，將Zp削減2個齒，改為Zp=47，并進行不等角變位，則S-Pi傳動未變位時的中心距為=（23+47）=105mm依據系數j===1.05，查圖14-5-4，預取嚙合角=，則=S-Pi傳動中心距變動系數為==1.289則中心距=+=105+1.28×3=108.867mm取實際中心距為=109mm(3)計算S-Pi傳動的實際中心距變動系數和嚙合角===1.33==0.90528487=(4)計算S-Pi傳動的變位系數=(23+47)=1.2 用圖14-5-5校核，=70和=1.2均在許用區內，可用。依據=1.2，實際的==2.04，在圖14-5-5中，縱坐標上處用作水平直線和③號斜線（）相交，其交點向下做垂直線，和x1橫坐標的交點即為太陽輪的變為系數=0.55，行星輪的變位系數為：=-=0.65(5)計算Pi-R傳動的中心距變位系數和嚙合角Pi-R傳動未變位時的中心距為：===111mm則===—0.67===0.956934687∴=(6)計算Pi-R傳動的變位系數==（121－47）=－0.62=+=－0.62+0.65=0.03(7)計算幾何尺寸1)計算r、s、p齒輪的分度圓直徑、齒頂圓直徑、端面重合度齒頂高變動系數：=（）－y齒頂高：=1+齒根高：齒高：則分度圓：由式 分別計算得=69mm=141mm=363mm齒頂圓直徑：由式=+2分別計算得=79mm=153mm=357mm齒根圓直徑：由式分別計算得57mm=127mm=373mm端面重合度：由式分別計算得=0.37142)計算齒寬：選取齒寬系數=1，由式計算齒寬得b=141mm為了防止大小齒輪因裝配誤差產生軸向錯位時導致嚙合寬度減小而增大輪齒單位齒寬的工作載荷，常將小齒輪的齒寬人為地加寬5~10mm。因此取實際齒寬為：BS=135mm,BP=145mm，Br=140mm(8)驗算S-Pi傳動的接觸強度1)分度圓上名義切向力Ft==15488N2)運用系數KA依據機械設計手冊，查表14-1-71，取K,A=1.53)動載荷系數KV齒輪線速度==0.87m/s由設計手冊表14-1-80公式計算傳動精度系數C式中z=26,m=5,代入數值計算C=7.25圓整C=H=74)螺旋線載荷分布系數和齒間載荷支配系數由機械設計手冊，表14-1-87查得S-P傳動P-C傳動，且≥1.05式中，為行星輪個數由機械設計手冊，查表14-1-29==179N查表取=1.05)節點區域系數和彈性系數由機械設計手冊，查圖14-1-76=2.47由表14-1-95=188.96)重合度系數由前已知端面重合度=0.3174則查圖14-1-79=0.7757)計算接觸應力8)壽命系數應力循環次數由機械設計手冊，查表14-1-96公式計算9)齒面工作硬化系數和尺寸系數由圖14-1-90==1.12由表14-1-99=1.076-0.0109m=1.0210)平安系數=1.33=1.4、均達到表14-1-100規定的較高的牢靠度時，最小平安系數=1.25～1.30的要求。齒面接觸強度核算通過。2．平行軸齒輪參數設計由于在本次設計中接受的是一級行星齒輪+兩級平行軸定軸傳動型式，在前面已經對行星輪系參數等進行了一系列的計算，對于后兩級平行軸間的兩對嚙合的齒輪，初步接受相同的設計、計算參數，所以以高速軸為例進行設計、計算。注：依據傳動圖，和太陽輪所在齒輪軸上的大齒輪為編號1，和其嚙合的小齒輪為2號，相對應的中間軸上大齒輪為3號，則高速軸上的小齒輪為4號，具體如圖3.5所示。(1)選定齒輪類型，精度等級，材料及其齒數；輸出功率PⅣ=0.5kW,小齒輪轉速為1800r/min,傳動比為i=4,工作預壽命20年。1）選擇斜齒輪圓柱齒輪。2）齒輪精度等級為6級精度。3）材料選擇為20CrMnMo，硬度為表56～62HRC，心28～33HRC，熱處理應為滲碳+淬火+低溫回火。4）選小齒輪齒數Z4=19，齒輪3齒數Z3=19×4=765）初選螺旋角(2)依據齒面接觸強度設計[9]由設計公式d1t≥進行計算。1）確定公式內的各計算數值①選載荷系數Kt以及重合度=1.62由于沖擊載荷較大，故選取Kt=2，②計算小齒輪傳遞的轉矩T4。T4===2653N·mm③由表10—7選取齒寬系數=1.④由表10—6查得，選取材料的彈性影響系數ZE=188MPa.⑤由表3-3查得齒輪的接觸乏累強度極限785N/mm2.⑥計算應力循環次數N.則N=60n4jLh⑦計算接觸乏累許用應力。取接觸乏累壽命系數KHN1=KHN2=0.90，且取失效概率為1%，平安系數[10]S=1.5，由式[]=計算得4=3=0.9×785/1.5=471N·mm2)計算 ①試計算小齒輪分度圓直徑d1t，代入[]中較小的值。d1t≥=48.34mm②圓周速度==4.56m/s計算齒寬b==38.672mm③計算齒寬和齒高之比。模數==2.54mm齒高6.75mm則齒寬和齒高之比=5.73④計算縱向重合度=1.205⑤計算載荷系數1.443。則按實際的載荷校正所得算得的分度圓直徑，由式（10-10）得=53.9mm，取d4=54mm計算模數==2.76mm(3)按齒根彎曲強度計算由式1)確定式中計算參數①計算載荷系數K。=2.1②由縱向重合度計算=1.025，查得=0.88③計算當量齒數=20.80=83.19④查取齒形系數=2.76=2.22⑤查取應力校正系數=1.56=1.77⑥計算大、小齒輪的并加以比較，大齒輪的大。2)設計計算 計算1.568，由齒面接觸乏累強度的法面模數大于由齒根彎曲強度計算的法面模數，取=2.0mm，以可滿意彎曲強度。但為了同時滿意接觸乏累強度計算的分度圓直徑d4=53.9mm來計算應有的齒數。于是由式=26.19，=26，取則=104則幾何尺寸計算 ①計算中心距=133.98，圓整后為134mm②按圓整后的中心距計算螺旋角=③計算大小齒輪的分度圓直徑=53.6mm=214.4mm④計算齒輪寬度由式計算b=42.88mm則取b4=55mmb3=50mm兩平行定軸級的兩對齒輪系參數為：2，=，Z1=Z3=104，Z2=Z4=26，d1=d3=208d2=d4=52mm，中心距a=134mm，則取b4=55mmb3=50mm3．齒輪軸的設計(1)行星架結構的設計[8,11,12]行星架是行星齒輪傳動中結構比較困難的一個重要零件。在最常用的NGW型傳動中，它也是承受外力矩最大（除NGWN型外）的零件。行星架有雙臂整體式、雙臂剖分式和單臂式三種形式。為了使齒輪箱整體結構簡潔，便于維護，這里接受雙臂剖分式。(2)高速軸的設計最小軸直徑的設計計算公式（A=105~115），功率P=0.5KW，轉速nm=1800r/min，A取115所以d=7.51mm,由于軸的末端要和聯軸器相連，需開鍵槽，又依據發電機的功率選擇，所以d=12mm (3)中間軸的設計最小軸直徑的設計計算公式（A=105~115），功率P=0.51KW，轉速nm=450r/min，A取115所以d=11.98mm，又依據軸承載荷選擇，所以d=15mm 注：以上設計結構圖及裝配圖見附圖。3.4.3箱體箱體是齒輪箱的重要零件，它承受來自風輪的作用力和齒輪傳動是產生的反力。箱體必需有足夠的剛性去承受力和力矩的作用，防止變形，保證傳動質量。箱體的設計應依據風力發電機組動力傳動布局、加工和裝配、檢查以及維護等要求來進行。應留意軸承支承和機座支撐的不同方向的反力及其相對值，選取合適的支撐結構和壁厚，增設必要的加強筋。接受鑄鐵箱體可發揮其減震性，易于加工等特點，適于批量生產。常用的材料有球墨鑄鐵和其他高強度鑄鐵。設計鑄造箱體時避開壁厚突變，削減壁厚差，以免產生縮孔和疏松等缺陷，用鋁合金或其他輕合金制造的箱體，可使其重量較鑄鐵輕20%～30%，但從另一個角度考慮，輕合金鑄造箱體，降低重量的效果并不明顯。這是因為輕合金鑄件的彈性模量較小，為了提高剛性，設計時常須要加大箱體的受力部分的橫截面積，在承受座處加裝鋼制軸承套，相應部分的尺寸和重量都要加大。單件小批量生產時，常接受焊接或焊接和鑄件相結合的箱體。為了削減機械加工過程中和運用中的變形，防止出現裂紋，無論是鑄造或是焊接箱體均應進行退火，時效處理，以消退內應力。為了便于裝配和定期檢查齒輪的嚙合狀況，在箱體上應設有視察窗。基座旁一般設有連體吊鉤，供起吊整臺齒輪箱用。3.4.4齒輪箱的冷卻和潤滑1．齒輪箱的密封齒輪箱軸伸部位的密封一方面應能防止潤滑外泄，同時也能防止雜質進入箱體內。常用的密封分為非接觸式密封和接觸式密封兩種。接觸式密封運用的密封件應密封牢靠，耐久、摩擦阻力小。容量制造和裝拆，應能隨壓力的上升二提高密封實力和有利于自動補償磨損。常用的旋轉軸用唇形密封有多種方式，可按標準選取。密封部位軸的表面粗糙度R=0.2~0.63。和密封圈接觸的軸表面不允許有螺旋形機加工痕跡。軸端應有小于30°的導入角，倒角上不應有銳邊、毛刺和粗糙的機加工殘留物。本次設計接受接觸式密封方案。2．齒輪箱的潤滑、冷卻齒輪箱的潤滑特殊重要，良好的潤滑能夠對齒輪和軸承起到足夠的愛惜作用。為此，必需高度重視齒輪箱的潤滑問題，嚴格依據規范保持潤滑系統長期處于最佳狀態。齒輪箱常接受飛濺潤滑或強制潤滑，一般以強制潤滑為多見。因此，配備牢靠的潤滑系統尤為重要。此外還應具有以下功能：①削減摩擦和磨損，具有高強度的承載實力，防止膠合；②吸取沖擊和振動；③防止乏累點蝕；④冷卻、防銹、抗腐性。風力發電齒輪箱屬于閉式齒輪傳動類型，其主要的失效形式是膠合和點蝕，故在選擇潤滑油時，重點是保證有足夠的油膜厚度和邊界膜強度。潤滑油系統中的散熱器常用風冷式的，由系統中的溫度傳感器限制，在必要時通過電控旁路閥自動打開冷卻回路，使油液先流經散熱器散熱，再進入齒輪箱。3.4.5齒輪箱的運用及其維護1．安裝要求齒輪箱的主動軸和葉片輪轂的連接必需牢靠緊固。輸出軸若干脆和電機連時，應接受合適的聯軸器，最好的彈性聯軸器，并串聯起來愛惜作用的平安裝置。齒輪箱軸線上和和之相連的部件的軸線應保證同心，其誤差不得大于所選聯軸器的齒輪箱的允許值，齒輪箱體上也不允許承受附加的扭轉力。齒輪箱安裝之后用人工搬運應靈敏，無卡滯現象。打開視察窗蓋檢查箱體內部件應無銹蝕現象。用涂色發檢驗，齒面接觸斑點應達到技術條件的