高效風能增速機設計開題報告.doc

畢業(yè)設計(論文)開題報告題目：高效風能增速機系（部）：機電信息系專業(yè)：機械設計制造及其自動化班級：學生：學號：指導教師：20012年12月26日1.畢業(yè)設計（論文）題目背景、研究意義及國內外相關研究情況1.1引言風能是一種清潔的永續(xù)能源，與傳統(tǒng)能源相比，風力發(fā)電不依賴外部能源，沒有燃料價格風險，發(fā)電成本穩(wěn)定，也沒有碳排放等環(huán)境成本；此外，可利用的風能在全球范圍內分布都很廣泛。近年來，隨著我國能源的持續(xù)緊缺及生態(tài)環(huán)境的日益惡化，風能作為最有開發(fā)利用前景和技術最成熟的一種可再生的清潔能源，越來越受到重視。我國的風能資源非常豐富，風電技術也日趨成熟，風力發(fā)電的發(fā)展非常迅速。風力發(fā)電機組是將風能轉化為電能的機械，風輪是風力發(fā)電機組最主要的部件，由槳葉和輪毅組成。槳葉具有良好的空氣動力外形，在氣流作用下產(chǎn)生空氣動力使風輪旋轉，將風能轉換成機械能，再通過齒輪箱增速，驅動發(fā)電機轉變成電能。齒輪箱作為風電機組中的核心部件，其主要功用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速。通常風輪的轉速很低，遠達不到發(fā)電機發(fā)電所要求的轉速，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。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、安裝維修費用等都有重要影響，因此減小齒輪箱外形尺寸和重量顯得尤為重要。同時，由于維修不便、維修成本高，通常要求齒輪箱的設計壽命為20年，對可靠性的要求也極為苛刻。載荷特點、工作環(huán)境以及尺寸、重量、可靠性的要求，決定了風電增速箱是工業(yè)齒輪箱中設計制造難度最大的產(chǎn)品之一。本設計的主要目的在于了解風電齒輪箱的工作原理、構造形式、實際應用等情況后基礎上，根據(jù)計算載荷設計出合理的發(fā)電齒輪箱及其主要零部件。1.2風齒輪箱的結構型式目前國內外的大型風電齒輪箱的主要結構型式有三種：（1）二級平行軸，（2）三級平行軸，（3）一級行星加二級平行軸，（4）二級行星。在大功率的風電齒輪箱中主要是第種結構型式，即為一級行星加二級平行軸的結構型式。其傳動路線是；槳葉傳動軸收縮套行星架太陽輪第二級平行軸大齒輪第二級平行軸小齒輪第一級平行軸大齒輪第一級平行軸小齒輪發(fā)電機。對于兆瓦級風電齒輪箱，傳動比多在100左右，一般有兩種傳動形式:一級行星十兩級平行軸圓柱齒輪傳動，兩級行星+一級平行軸圓柱齒輪傳動。行星傳動是典型的低速、重載、變轉矩和增速傳動。風電增速齒輪箱通過行星架輸入風輪葉片傳來的轉矩，由于行星架結構復雜，承受力矩最大，質量和尺寸也較大，所以它的變形對行星級的內外嚙合齒輪傳動的質量和可靠性有很大影響。因此，要求行星架要有足夠的強度、剛度和較小的尺寸、質量。1.3風電齒輪箱的主要零部件（1）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，必須具有足夠的剛性去承受力和力矩的作用，防止變形，保證傳動質量。（2）行星架行星架是行星機構中結構較為復雜的零件，承受力矩最大，要求足夠的強度與剛度，受載變形要小。通常采用整體雙壁式結構。(3)齒輪、軸風力發(fā)電機組運轉環(huán)境非常惡劣，受力情況復雜，對齒輪和軸類零件而言，由于其傳遞動力的作用而要求極為嚴格的選材和結構設計，一般情況下不推薦采用裝配式拼裝結構或焊接結構，齒輪毛坯只要在鍛造條件允許的范圍內，都采用輪輻輪緣整體鍛件的形式。當齒輪頂圓直徑在2倍軸徑以下時，由于齒輪與軸之間的連接所限，常制成軸齒輪的形式。由于制動器一般裝于高速端，瞬間制動對高速軸的沖擊較大，高速軸故障頻率較高，高速軸設計安全系數(shù)宜大不小。由于制動器一般裝于高速端，瞬間制動對高速軸的沖擊較大，高速軸故障頻率較高，高速軸設計安全系數(shù)宜大不小。同時應考慮高速軸維修方便，以在機艙上能完成維修任務為佳。(4)軸承由于風電增速箱可靠性要求高，要求采用進口高可靠性及高性能的軸承，原則上軸承設計壽命為13萬小時。輸入端大軸承采用單列滿滾子軸承較為普遍，對于中小功率齒輪箱也有采用雙列調心滾子軸承的。行星輪中間的軸承以采用短圓滾子軸承或雙列調心滾子軸承為宜。(5)聯(lián)接平鍵聯(lián)接常用于具有過盈配合的齒輪或聯(lián)軸器與軸的聯(lián)接。花鍵聯(lián)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。過盈配合聯(lián)接過盈配合聯(lián)接能使軸和齒輪（或聯(lián)軸節(jié)）具有最好的對中性，特別是在經(jīng)常出現(xiàn)沖擊載荷情況下，這種聯(lián)接能可靠地工作，在風力發(fā)電齒輪箱中得到廣泛的應用。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，承載能力高，能沿周向和軸向調節(jié)軸與輪轂的相對位置，且具有安全保護作用。1.4風電齒輪箱的設計技術發(fā)展現(xiàn)狀目前國內兆瓦級以上風電齒輪箱多依賴國外廠商供應，成本居高不下，不利于風電市場進一步大規(guī)模開發(fā)。風電技術的國產(chǎn)化是我國發(fā)展風電領域正在面臨的重要課題。而風電增速箱又是風電機組中的核心部件，是瓶頸技術。風電增速箱結構往往受機組選型的限制，國內研制出的風電齒輪箱多是對國外產(chǎn)品的單一仿制，由于國內外的風況、氣候不同，風電場使用保養(yǎng)水平、原材料以及制造和安裝水平都不一樣，大部分進口或國產(chǎn)齒輪箱都運行不足3年而停機大修，原因有很多，其中設計落后是最重要的一方面。國內風電齒輪箱的發(fā)展前景廣闊，但起步晚，技術落后，機遇與挑戰(zhàn)并存。在設計的過程中綜合考慮質量、體積、可靠性、經(jīng)濟性、安全、實際結構、熱處理、工作環(huán)境等因素，指導生產(chǎn)實踐，是我國風電產(chǎn)業(yè)當前的發(fā)展要務。2.本課題研究的主要內容和擬采用的研究方案、研究方法或措施2.1主要內容：本課題需要了解風電齒輪箱的工作原理和控制特點，確定計算載荷，設計主要零部件（包括齒輪、軸承和主軸的設計），設計潤滑、冷卻和加熱系統(tǒng)，完成風電變槳機構整個部件的裝配圖及零件加工圖。研究方法：2.1.1查閱資料，熟悉國內外風力發(fā)電風電齒輪箱的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢；2.1.2理解風電齒輪箱工作原理及結構分析，確定齒輪箱總裝設計思路；2.1.3建立準確的分析模型，準確求解受載輪齒的載荷分布；2.1.4完成主要零部件設計并進行強度校核，繪制零件加工圖，選定加工工藝；2.1.5編寫設計說明書。3.本課題研究的重點及難點，前期已開展工作3.1重點及難點:風力發(fā)電齒輪箱的作用是將風力帶動的槳葉經(jīng)齒輪箱增速后傳給發(fā)電機發(fā)電，風電齒輪箱是風力發(fā)電動力傳遞的核心裝置，一旦齒輪箱出了問題，整臺發(fā)電設備就處于癱瘓狀態(tài)，而且齒輪箱處于幾十米的高空，維修吊裝極為困難，由于齒輪箱使用工況很不穩(wěn)定，工況極其惡劣，而且要持續(xù)每年天以上運行。這些都應該在齒輪箱的設計中考慮和解決的問題。因此齒輪箱的設計必需安全可靠，經(jīng)久耐用。因此風力發(fā)電齒輪箱設計思想是3.1.1思想上不要局限在國外已有產(chǎn)品的水平上，要打破框框，要根據(jù)國內的材料、工藝加工、使用等實際情況設計風電齒輪箱。3.1.2核心的問題是提高齒輪強度提高安全系數(shù)，提高可靠性，達到上述K、W設計要求。在提高可靠性的同時，要保持同型號的齒輪箱的重量和外形尺寸基本一致，盡可能保持安裝尺寸的通用性，當然重量變輕、尺寸能縮小更好。3.1.3由于齒輪箱的維修非常困難，且不經(jīng)濟，最好做到更換小零件不用吊到地面，在艙內就可以進行。平時能最大限度的觀測齒輪箱內部的運行情況，及時發(fā)現(xiàn)問題和檢修。3.1.4軸承的選用以壽命長為原則，在同樣的條件下應選用額定負荷最大的軸承，使用壽命最長。3.1.5徹底解決漏油問題。3.2前期工作：3.2.1查閱了相關專業(yè)資料為設計做好準備；3.2.2完成和分析最佳方案、文獻綜述；3.2.3完成了總體零件圖的測繪及其工藝性分析；3.2.4進行了風電增速機結構的分析，擬訂了備選結構方案。4.完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫）12周：熟悉課題，根據(jù)老師給的資料運用AutoCAD等軟件繪制零件圖，翻譯外文資