基于SolidWorks的风机主传动系统三维建模

1、基于 SolidWorks 的风机主传动系统三维建模 摘 要 本文采用了风力发电机的计算机建模仿真的方法，对风力发电机的主传动 系统性能及载荷计算的方法进行了研究，同时以 1MW 级风机说明了建模和仿真 的基本方法和理论。风力发电机的主传动系统的建模和仿真都是在 SolidWorks 软件平台下完成的，文章对风力发电机组的塔架、轮毂、主轴、齿 轮箱、电机、机舱底盘进行了建模。对主传动系统各部件在风力发电机组上的 作用作了介绍，并对其结构形式及选用进行了详细的分析。 风力发电机组的运转环境非常恶劣，受力情况复杂，所以对其主传动系 统各部件材料的选用作了介绍。为了确保风力发电机在其寿命期内能够正常

2、工 作，对主轴进行了强度分析。由于齿轮箱在风力发电机组的特殊作用，对齿轮 箱内的传动形式的种类、特点及应用作了介绍，并对其进行了合理的选择。根 据齿轮箱的增速要求，合理选择了齿轮箱内的各级齿轮轴和齿轮的参数。发电 机也是风力发电机组的重要部件之一，它将风轮的机械能转化为电能。发电机 的选择尤其重要，所以本文对所选择的双馈异步发电机的工作原理及作用作了 介绍。由于主传动系统安装的需要，对机舱底盘进行了建模，并在满足强度及 刚度的前提下，对其材料和造型的合理选择作了介绍。 最后，在 SolidWorks 平台上把所有建模设计出的风力发电机主传动系统 的零部件进行了装配，并在平台上进行了传动模拟演示

3、，使人们更直观的了解 风力发电机主传动系统的组成及工作情况。 关键词：风力发电机；主传动系统；建摸；仿真 ABSTRACT The wind generator computer modeling simulation approach is adopted here, and the research of load calculation drivetrain system performance of the wind generator are conducted while 1MW-class air-compressors on modeling and simulation of

4、 the basic methods and theories. The main drivetrain systems modeling and simulation of wind generators are operated on the SolidWorks software platform. The modeling of the round wheel, axle, gear boxes, electrical, cabin chassis of the wind generator is conducted on this article. The main componen

5、ts in the drivetrain system on the role of wind power generation units were introduced, and the selection of its form and structure of a detailed analysed. Wind generators operating environment is very bad, the various components of its main drivetrain system were introduced in the selection of mate

6、rials. To ensure that wind generators in their normal life, the intensity analysis of the main axle is conducted. For the gear boxes in wind generators have special role for the transmission gear box form types, characteristics and applications were introduced, and its reasonable selection. Accordin

7、g to gear boxes growth, a reasonable choice of gear wheel axle and gear box at all levels of the parameters is conducted. Wind generators generator is one of the important part, it will wind round the mechanical energy into electrical energy. The selection of generators is particularly important, th

8、erefore, to the choice of this double-fed asynchronous generator work and the role of theory was introduced. Because of the drivetrain system installation requirements, the modeling of the cabin chassis, and strength and rigidity to meet the premise of its material and shape a reasonable choice was

9、introduced. Finally, All the parts and components designed on the SolidWorks platform drivetrain are assembled, and the transmission simulation display is also conducted, allowing a more intuitive understanding of the wind generator drivetrain system and the composition of the work. Key words: Wind

10、generators；The drivetrain system；Modeling；Simulation 目 录 摘 要 .I ABSTRACT .II 第 1 章 引 言 .1 1.1 课题的背景及意义 .1 1.2 目前国内外风力机组发展现状 .1 1.2.1 国外发展现状 .1 1.2.2 国内发展现状 .2 1.3 课题所要解决的问题 .2 第 2 章 风机主传动系统的总体设计 .3 2.1 风力发电机主传动系统的组成 .3 2.2 风力发电机主传动系统的工作原理 .3 2.3 风力发电机主传动系统的布置形式 .3 第 3 章 风机主传动系统中主要部件设计 .5 3.1 轮毂的形式与选

11、用 .5 3.1.1 轮毂的作用及结构.5 3.1.2 轮毂的形式 .5 3.2 主轴的设计 .6 3.2.1 主轴的作用及结构 .6 3.2.2 主轴强度校核 .6 3.2.3 主轴材料 .8 3.3 齿轮箱的构造及选用 .8 3.3.1 齿轮箱的构造 .8 3.3.2 齿轮箱的箱体设计.11 3.3.3 齿轮箱的齿轮设计.11 3.3.4 齿轮箱轴的设计.13 3.3.5 齿轮箱的轴承设计.13 3.4 电机的选用 .14 3.4.1 电机选用 .14 3.4.2 双馈异步电机的工作原理.14 3.5 机舱底盘作用及选用 .15 3.5.1 机舱底盘的分类及选用.15 3.5.2 机舱底盘

12、设计要求.16 3.5.3 机舱底盘的材料.16 3.6 塔架的介绍 .16 3.6.1 塔架的作用 .16 3.6.2 塔架的主要形式及选用.17 3.6.3 塔架的材料 .18 第 4 章 基于 SOLIDWORKS 的风机主传动系统三维建模方法 .19 4.1 轮毂的建模方法 .19 4.2 增速箱的建模方法 .20 4.2.1 上箱体的三维建模方法.20 4.2.2 行星架的三维建模方法.22 4.2.3 高速轴的三维建模方法.23 结 论 .26 参考文献 .27 致 谢 .28 第 1 章 引 言 1.1 课题的背景及意义 随着人类社会的发展、科技的进步以及日益严重的资源和环境问题

13、的挑 战，世界能源结构开始经历第三次大的变革，即从煤炭、石油、天然气为主 的能源系统，开始转向以可再生能源为基础的可持续发展的能源系统。而风 能取之不尽，用之不竭，是非常重要的一种洁净的可再生能源，是人类能源 结构的转变中一个非常重要的部分。地球上风能资源十分丰富，据世界气象 组织统计分析表明，地球上近地层的风能总量约为 13000 亿 KW，如有 1%被有 效利用，就可满足人类对能源的需求。我国幅员辽阔，陆疆总长 2 万多公里， 海岸线 1.8 万公里，风能资源丰富根据气象部门的资料，可开发的陆地风能 资源大约为 253WG，可利用的海洋风能资源大约为 750WG。风能易于获得并转 换，且分

14、布广泛、无污染而又能够不断再生，所以开发利用风能可以很好的 解决目前化石能源的危机，为人类解决能源危机提供一条很好的办法。风力 发电是目前利用风能的重要形式，也是多种可再生能源利用技术中比较成熟 的。风力发电机组中的主传动系统更是其最重要的部分之一。 1 1.2 目前国内外风力机组发展现状 1.2.1 国外发展现状 目前，风电已经成为世界上增长最快的能源，过去 5 年全球风电累计装机容 量的平均增长一直保持在 33%。近年来，德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、 印度、加拿大等国在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金， 充分综合利用空气动力学、新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、

15、自动 控制及通信技术等方面的最新成果，研制出了变极、变滑差、变速恒频及低速 永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的 自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性能。德国风力发电量 占世界总量的 40%，排名世界第一，其后依次为美国、西班牙、丹麦和印度。 2 欧洲风能协会和绿色和平组织签署了风力 12关于 2020 年风电达到世界 风力总量的 12%的蓝图的报告，期望并预测 2020 年全球的风力发电装机将达 到 12.31 亿 KW，年安装量达到 1.5 亿 KW，风力发电量将占全球发电总量的 12% 。风力发电机单机容量朝着大型化发展，目前兆瓦级风力机已经

16、是国际风电 3 市场上的主流产品，美国 7 兆瓦风力机已经研制成功，而英国正在研制 10 兆 瓦的巨型风力机。 1.2.2 国内发展现状 我国大型发电机技术的开发应用落后于发达的欧美国家。在“八五”和 “九五”期间，将风能应用列入了国家重点科技攻关项目，并组织了多家科研 单位进行攻关，取得了一定成绩。在短时间内实现了技术跨越。现在，在小 4 型风力机组的生产和应用方面，我国以 15 万台拥有量居世界首位；但在大型 并网风力发电方面起步较晚，发展速度不尽人意，但仍然取得了客观的成绩。 目前我国国产化机组产量仍然偏小，远未达到规模利益，使得零部件采购价格 偏高，利润空间很小。风场中使用的风力机 9

17、5%都来自国外，设备几乎全部是 进口的。为了建立自己的风电工业，提升国产风力机组生产能力和应用重，近 几年我国进一步加强了风力机组制造行业的建设，并在全国形成了一批风电设 备制造厂。此外还有清华大学、浙江大学、北方交通大学、沈阳工业大 765 学等研究院所也都曾参与了风力发电相关技术的研究，已初步掌握了大型 98 风力发电机组的系统设计关键设备的制造，取得了一定的成果，并有产品投入 试运行，但毕竟时间太短，基础较差，所制造的产品缺乏合适的设备检验和足 够的时间验证，以至人们对国产风力发电机组技术的可靠性存在疑虑。我国有 丰富的风能源，因此有风力发电在我国有着广阔的发展前景。 1.3 课题所要解

18、决的问题 本文重点叙述了用 SolidWorks 对 1MW 风力发电机组中的主传动系统部件的 三维建模设计过程，并解决了对风力发电机组中的主传动系统部件的设计、计 算及选择问题，最后把所设计的零件进行了装配，并进行了传动模拟。 第 2 章 风机主传动系统的总体设计 2.1 风力发电机主传动系统的组成 风力发电机组的结构设计内容主要包括叶片、轮毂、偏航系统、主轴、 主轴承、齿轮箱、刹车系统、液压系统、机舱及塔架的结构设计。其主传动系 统又由轮毂、主轴、齿轮箱、连轴器、制动器、发电机等部件组成。本设计除 了以上介绍的主传动系统部件还设计了塔架和机舱底盘。 2.2 风力发电机主传动系统的工作原理

19、风力发电机组是利用风能转化为机械能，再转化为电能的一个系统。风轮 （叶片和轮毂组成）在风的作用下旋转，将风能转换成风轮的旋转机械能，将 轮毂的扭矩通过主轴传递给增速箱，通过增速箱轮副的增速来实现发电机发电 的要求。 2.3 风力发电机主传动系统的布置形式 风力机归纳起来，可分为两类：水平轴风力机，风轮的旋转轴与风向平 行。垂直轴风力机，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向。对于风力发电机， 多采用升力型水平轴风力机，因为大多数水平轴风力机具有对风装置，能随风 向改变而转动。所以采用此类型风力机。 风力发电机组的主传动系统主要有以下几种形式： （1）一字型 图 2-1 1轮毂 2主轴 3、6连轴器

20、4增速箱 5制动器 7发电机 这种布置形式，是风力发电机组中采用最多的形式，其主要特点是对中 性好，负载分布均匀；其缺点是占轴线长，可能使主轴太短，主轴承载荷较大。 （2）回流式 图 2-2 1-轮毂 2-主轴 3、6-联轴器 4-增速箱 5-制动器 7-发电机 其主要特点是可以缩短机舱长度，增加主轴长度，减少塔架负载的不均衡。 （3）分流式 图 2-3 1-轮毂 2-主轴 3、5-联轴器 4-增速箱 6-制动器 7-发电机 这种形式比较少见，一般在设计中不采用。 由于一字形布置方式对中性好，负载分布均匀，所以采用此种布置方式。 第 3 章 风机主传动系统中主要部件设计 3.1 轮毂的形式与选

21、用 3.1.1 轮毂的作用及结构 轮毂是连接叶片与主轴的重要部件，它承受了风力作用在叶片上推力、扭矩、 弯矩及陀螺力矩。通常轮毂的形状为三通形或三角形。 风轮轮毂的作用是传递风轮的力和力矩到后面的机械结构中去，由此叶片 上的载荷可以传递到机舱或塔架上。 轮毂的结构主要如图 3-1，3-6 所示。它可以是铸造结构，也可以采用焊接 结构，其材料可以去铸钢也可以采用高强度球墨铸铁。由于高强度球墨铸铁具 有不可替代的优越性，如铸造性能好、容易铸成，且减振性能好，应力集中敏 感性低、成本低等。在风力发电机组中大量采用高强度球墨铸铁作为轮毂的材 料。 图 3-1 三通型轮毂 图 3-2 三角型轮毂 3.1

22、.2 轮毂的形式 一般常用的轮毂形式有以下几种： （1）刚性轮毂 刚性轮毂的制造成本低、维护少、没有磨损，三叶片风轮 大部分采用刚性轮毂，也是目前使用最广泛的一种形式。但它要承受所有风自 风轮的力和力矩，相对老讲承受风轮载荷高，后面的机械承载大，结构上有三 角形和球形等形式。 （2）铰链式轮毂 铰链式轮毂常用于单叶片和二叶片风轮，铰链轴及风轮 旋转轴相互垂直，叶片在挥舞方向、摆振方向和扭矩方向上都可以自由活动， 也可以称为柔性轮毂。由于铰链式轮毂具有活动部件，相对于刚性轮毂来说， 制造成本高，可靠性相对较低，维护费用高；它与刚性轮毂比所受力和力矩较 小。对于二叶片风轮，两个叶片之间是刚性连接的

23、，可绕联轴节活动。当来流 在上下有变化或阵风时，叶片上的载荷可以使叶片离原风轮旋转平面。 由于此风力发电机风轮采用三叶片，所以轮毂采用刚性三通型轮毂。 3.2 主轴的设计 3.2.1 主轴的作用及结构 在风力发电机组中，主轴承担了支撑轮毂传递过来的各种负载的作用，并 将扭矩传递给增速箱，将轴向力、气动弯矩传递给机舱、塔架。 在结构允许的条件下，通常将主轴尽量设计的保守一些。主轴的主要结构一般 有以下两种，如图 3-3 所示。 图 3-3 主轴示意图 a）挑臂梁结构 b)悬臂梁结构 图 a 主轴由两个调向滚柱轴承所支撑。图 b 主轴上的一个支撑由轴承架支 撑；另一支撑由齿轮箱支撑，也就是所谓的三

24、点式支撑。此种结喉的优点是前 支点为刚性支撑，后支点（齿轮箱）为弹性支撑。这种结构能吸收自与片来的 突变负载。所以主轴采用了悬臂梁结构。 3.2.2 主轴强度校核 主轴的疲劳强度安全系数校核 主轴的疲劳强度校核判断根据为。当该式不能满足时，应改进轴的 SS 结构降低应力集中，其主要措施可采用热处理、表面强化处理等工艺措施以及 加大轴径、改用较好材料等方法解决。 危险截面安全系数 S 的校核计算公式为 (3-1) 22 S S SS SS 式中 只考虑弯矩作用时的安全系数S 只考虑扭矩作用时的安全系数S 按疲劳强度计算的许用安全系数 S (3-2) 1 m S K 1 m S K 式中 对称循环

25、应力下的材料弯曲疲劳极限（MPa） 1 对称循环应力下的材料扭转疲劳极限（MPa） 1 弯曲和扭转时的有效应力集中系数KK 、 表面质量系数 材料拉伸和扭转的平均应力折算系数 、 弯曲应力的应力副和平均应力（MPa） m 、 扭转应力的应力副和平均应力（MPa） m 、 以知：，查机械设计手册表 261-1 得rpmn 5 . 21kWP1100 =255MPa，=145MPa；查表 263-6 得，；查表 1 1 17 . 2 K24 . 2 K 263-9 得；查表 263-13 得，；查表 263-1185 . 0 21 . 0 34 . 0 得，因为是对称循环所以。6 . 0 6 .

26、0 0 m 空心轴内径与外径 d 之比， 0 d 0 d v d 抗弯和抗扭截面系数 p WW、 3 截面上的弯矩和扭矩 NmmMT、 Nm65.488604 5 . 21 1100 9550T Nm54.407170M m489 . 3 6 2 1 32 614 . 3 1 32 4 3 4 3 d W 3 m745 . 1 2 1 1 16 4 3 W d Wp 3 MPa W M 7 . 116 489 . 3 54.407170 MPa Wp T m 28.139 2754 . 1 65.488604 2 1 . 5 0 6 . 085 . 0 7 . 11617 . 2 255 S

27、26 . 2 21 . 0 28.139 6 . 085 . 0 28.13924 . 2 145 S 06 . 2 1 . 526 . 2 1 . 526 . 2 22 S 由表 263-4 可知，=，故，所以是安全的。 S5 . 23 . 1 SS 3.2.3 主轴材料 主轴材料选用由于风力发电机组主轴受力复杂，通选用的材料是 34CrNiMo6。 3.3 齿轮箱的构造及选用 风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功能是将风轮在风 力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。风轮的转速很低， 远达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也 将齿轮

28、箱称之为增速箱。 由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变载 荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑、严寒和极端温差的影响，加 之所处环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复 非常困难，故对其可靠性和使用寿命比一般的机械高得多的要求。 3.3.1 齿轮箱的构造 齿轮箱的类型与特点： 风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可以分为圆柱齿轮箱、行 星齿轮箱以及它们互相组合起来的齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级 齿轮箱；按照传动的布置形式又可以分为展开式、分流式和同轴式以及混合式 等等。常用的齿轮箱形式及特点和应用如下： （1）两级圆柱齿轮传

29、动： 1）展开式 ：如图 3-4 所示，传动比 i=，这种传动形式结构简单，806 但齿轮相对于轴承的位置不对称，因此要求轴有较大的刚度。高速级齿轮布置 在远离转矩输入端，这样，轴在转矩作用下产生的扭矩变形可部分地互相抵消， 以减缓沿齿宽载荷分布不均匀的现象。用于载荷比较平稳的场合。高速级一般 做成斜齿，低速级可做成直齿。 2）分流式：如图 3-5 所示，传动比 i=，这种结构复杂，但由于齿806 轮相对于轴承对称布置，与展开式相比载荷沿齿宽分布均匀、轴承受载较均匀。 中间轴危险截面上的转矩只相当于轴所传递转矩的一半。适用于变载荷的场合。 高速级一般用斜齿，低速级可用直齿或人字齿。 图 3-4

30、 展开式 图 3-5 分流式 3）同轴式：如图 3-6 所示，传动比 i=，这种传动形式减速器横向806 尺寸较小，两对齿轮侵入油中深度大致相同，但轴向尺寸和重量较大，且中间 轴较长、刚度差，使沿齿宽载荷分布不均匀，高速轴的承载能力难于充分利用， 两级圆柱齿轮传动同轴。 4）同轴分流式：如图 3-7 所示，传动比 i=，这种传动形式每对啮806 合齿轮仅传动全部载荷的一半，输入轴和输出轴只承受扭矩，中间轴只受全部 载荷的一半，故与传递同样功率的其他减速器相比，轴颈尺寸可以缩小。 图 3-6 同轴式 图 3-7 同轴分流式 （2） 行星齿轮传动 1）单级 NGW：如图 3-8 所示，传动比 i=

31、，与普通圆柱齿轮减速器 5 . 128 . 2 相比，尺寸小，重量轻，但制造精度要求较高，结构较复杂，在要求结构紧凑 的动力传动中使用广泛。 2）两级 NGW：如图 3-9 所示，传动比 i=，特点与应用与单级 NGW16014 相同。 图 3-8 单级 NGW 图 3-9 两级 NGW 3）一级行星两级圆柱齿轮传动混合式：如图 3-10 所示，传动比 i=，低速轴为行星传动，使功率分流，同时合理应用了内啮合。末二级8020 为平行轴圆柱齿轮的传动，可合理分配减速比，提高传动效率。 图 3-10 混合式 齿轮箱传动形式的选用： 由于需求齿轮箱的增速比为 1：78.158，根据以上齿轮箱的特点以

32、及设计的 需要，我们采用了一级行星两级圆柱齿轮混合式传动。 3.3.2 齿轮箱的箱体设计 齿轮箱的设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并 且重量最轻。根据机组的要求，选用合理的设计参数，排定最佳传动方案，选 择稳定可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境温差下仍然保持稳定的材料， 配备完整充分的润滑、冷却系统和监控装置等，是设计齿轮箱的必要前提条件。 箱体是齿轮箱的重要部件，它承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的 反力。箱体必须具有足够的刚性去承受力和力矩的作用，防止变形，保证传动 质量。箱体的设计按照风力发电机组的动力传动的布局、加工和装配、检查以 及维护等要求来进行。注意

33、轴承支承和机座支承的不同方向的反力及其相对值， 选取合适的支承结构和壁厚，增设必要的加强筋。筋的位置须与引起箱体变形 的作用力的方向相一致。采用铸铁箱体可发挥其减振性，易于切削加工等特点。 常用的材料有球墨铸铁。铸造箱体时应尽量避免壁厚突变，减小壁厚差，以免 产生缩孔和疏松等缺陷。为减小机械加工过程和使用中的变形，防止出现裂纹， 应进行退火、时效处理，以消除内应力。为了便于装配和定期检查齿轮的啮合 情况，在箱体上设有观察窗。机座旁设有连体吊钩，供起吊整台齿轮箱用。箱 体支座的凸缘具有足够的刚性，尤其是作为支承座的耳孔和摇臂支座孔的结构。 为了减小齿轮箱传动到机舱机座的震动，齿轮箱可安装在弹性减

34、振器上。箱盖 上还应设有透气罩、油标或油位指示器。在相应部位设有注油器和放油孔。 3.3.3 齿轮箱的齿轮设计 风力发电机组齿轮箱的主要承载零件是齿轮，其齿轮的失效形式主要是轮 齿者断和齿面点蚀、剥落，故各种标准和规范都要求对齿轮的承载能力进行分 析计算，常用用的标准是 GB/T3480 或 DIN3990 中规定的齿根弯曲疲劳和齿面 接触疲劳校核计算，对轮齿进行极限状态分析。 （1）齿轮传动设计参数的选择： 1）形角（分度圆压力角）的选择 齿轮的标准齿形角为。采用20 大齿形角（、等） ，可以提高强度，使轮齿的齿厚及节点处的齿廓232528 曲率半径增大，从而提高承载能力，但会增大轴承上的载

35、荷。采用小齿形角 （小于）时，可使避免根切的最少齿数增多，加大了重合度，从而降低噪20 声和动载荷，但会减小轮齿的强度。根据实践经验，我们采用了标准齿形20 角。 2）摸数 m 的选择 在满足轮齿弯曲强度的条件下，选用较小的摸数可 以增大齿轮副的重合度，减小滑动率，也可以减小齿轮切削量，降低制造成本。 但随之而来的因制造和安装的质量问题会增大轮齿折断的危险性，故实际使用 常常选用较大摸数。 摸数的选择：行星级内齿轮、行星轮、太阳轮的摸数 m=14，中间级齿轮摸 数 m=12，高速级齿轮摸数 m=8。 3）齿数 Z 受齿轮根切的限制，小齿轮有最少齿数的要求。对于尺寸一 定的齿轮，齿数加和摸数减小

36、可明显提高传动质量，故在满足轮齿弯曲强度的 条件下，应尽量选用较多齿数。 齿数选择：行星级内齿轮 Z=90，行星轮 Z=35，太阳轮 Z=18；中间级小齿轮 Z=16，大齿轮 Z=60；高速级大齿轮 Z=66，小齿轮 Z=19。 4）螺旋角 角太小，将失去斜齿轮的优点；取大值，可增大重合度， 使传动平稳性提高，但会引起很大的轴向力，一般取=。对于普通圆8 15 柱齿轮传动，低速级转速低扭矩大，可采用直齿轮；中间级通常取；8 12 高速级为减少噪声，可取较大的口角，如。所以，中间级斜齿轮螺旋10 15 角取；高速级斜齿轮螺旋角取。10 15 5）齿宽 B 齿宽是决定齿轮承载能力的主要尺寸之一，但

37、齿宽越大，载荷 沿齿宽分布不均匀的现象越严重。齿轮应给定一个最小齿宽，以保证齿轮足够 的刚度。行星级齿轮宽度 B=220mm；中间级大齿轮齿宽 B=240mm，小齿轮齿宽 B=250mm；高速级小齿轮齿宽 B=140，大齿轮齿宽 B=130mm。 （2）齿轮加工 1）渗碳淬火 通常齿轮最终处理的方法是渗碳淬火，齿表面硬度达到 HRC60+/-2，同时规定随摸数大小而变化的硬化层深度要求，具有良好的抗磨 损接触强度，轮齿心部具有相对较低的硬度和较好的韧性，能提高抗弯曲强度。 渗碳淬火后获得较理想的残余应力，它可以使齿轮最大拉应力区的应力减小。 因此对齿根部通常保留热处理后的表面，在磨齿时不磨去齿

38、根部分。 2）齿形加工 为了减轻齿轮副啮合时的冲击，降低噪声，需要对齿轮的 齿形齿向进行修行。在一对齿轮副中，小齿轮的齿宽比大齿轮略大一些，这主 要是为了补偿轴向尺寸变动和便于安装。 （3）齿轮与轴的联接 1）平键联接：常用与具有过盈配合的齿轮或联轴节的联接。由于键是标 准件，故可根据联接的结构特点、使用要求和工作条件进行选择。如果强度不 够，可采用双键，成布置，在强度校核时按 1.5 个键计算。180 2）花键连接：通常这种联接是没有过盈的，因而被联接零件需要轴向固 定。花键联接承载能力高，对中性好，但制造成本高，需要专用刀具加工。花 键按其齿形不同，可分为矩形花键、渐开线花键和三角形花键三

39、种。渐开线花 键联接在承受负载的齿间的径向力能起到自动定心作用，使各个齿受力比较均 匀，其加工工艺与齿轮大致相同，易获得较高的精度和互换性，故在风力发电 齿轮箱中应用较广。 3）胀紧套联接：利用轴、孔与锥形弹性套之间接触面上产生的摩擦力来 传递动力，是一种无键联接方式，定心性好，装拆方便，承载能高，能沿周向 和轴向调节轴与轮毂的相对位置，且具有安全保护作用。 3.3.4 齿轮箱轴的设计 齿轮箱中的轴按其主动和被动关系可分为主动轴、从动轴和中间轴。首级 主动轴和末级从动轴的外伸部分，与风轮轮毂、中间轴或电机转动轴相连接。 由于是增速传动，较大的传动比使轴上的齿轮直径较小，因而输出轴往往 采用轴齿

40、轮结构。为了保证轴的强度和刚度，允许轴的直径略小于齿轮顶圆， 此时要留有滚齿、磨齿的退刀间距，尽可能避免损伤轴承轴颈。 轴上各个配合部分的轴颈需要进行磨削加工。为了减少应力集中，对轴上 台肩处的过渡圆角、花键向较大轴径过渡部分，均应作必要的抛光处，以提高 轴的疲劳强度。在过盈配合处，为减少轮毂边缘的应力集中，压合处的轴径应 比相邻部分轴径加大 5%。装在轴上的零件，轴向固定应可靠，工作载荷应尽可 能用轴上的止推轴肩来承受，相反方向的固定则可利用螺帽或其他紧固件。 3.3.5 齿轮箱的轴承设计 齿轮箱的支承中，大量应用滚动轴承，其特点是静摩擦力矩和动摩擦力矩 都很小，即使载荷和速度在很宽范围内变

41、化时也如此。滚动轴承的安装和使用 方便，但是，当轴的转速接近极限转速时，轴承承载能力和寿命急剧下降，高 速工作时的噪声和震动都比较大。齿轮传动时，轴和轴承的变形引起齿轮和轴 承内外圈轴线的偏斜，使轮齿上载荷分布不均匀，会降低传动的承载能力。由 于载荷不均匀性而使轮齿经常发生断齿的现象，在许多情况下又是由于轴承的 质量和其他因素，如剧烈的过载而引起的。 在风力发电齿轮箱上常采用的轴承有圆柱磙子轴承、圆锥滚子轴承、调心 滚子轴承等。在所有的滚动轴承中，调心滚子轴承的承载能力最大，且能广泛 应用在承受较大负载或难以避免同轴误差和挠曲较大的支承部位。 此齿轮箱基本上都使用的是调心滚子轴承。调心滚子轴承

42、有双列球面滚子， 滚子轴线倾斜于轴承的旋转轴线。其外圈滚道呈球面形，因此滚子可在外圈滚 道内进行调心，以补偿轴的挠曲和同心误差。这种轴承的滚道型面与球面滚子 型面非常匹配。双排球面滚子在具有三个固定挡边的内圈滚道上滚动，中挡边 引导滚子的内端面。当有滚子组件的内圈中向外摆动时，则由内圈的两个外挡 边保持滚子。每排滚子均有一个黄铜实体保持。 3.4 电机的选用 3.4.1 电机选用 此主传动系统采用的是双馈异步发电机。 3.4.2 双馈异步电机的工作原理 众所周知，同步发电机在稳态运行时，其输出端电压的频率与发电机的极 对数及发电机转子的转速有着严格固定的关系，即 (3-3) 60 pn f 式

43、中 发电机输出电压频率，Hzf 发电机的极对数P 发电机旋转速度，r/minN 显而易见，在发电机转子变速运行时，同步发电机不可能发出恒频电能， 由电机结构知，绕子转子异步电机的转子上嵌装有三相对称绕组，根据电机原 理知道，在三相对称绕组中通入三相对称交流电，则将在电机气隙内产生旋转 磁场，此旋转磁场的转速与所通入的交流电的频率及电机的极对数有关，即 （3- 2 2 60 f n p 4） 式中：为绕线转子异步电机转子的三相对称绕组通入频率为的三相 2 n 2 f 对称电流后所产生的旋转磁场相对于转子本身的旋转速度，r/min；为绕线P 转子异步电机的极对数；为绕线转子异步电机转子三相绕组通入

44、的三相对称 2 f 交流频率，Hz。 从式（3-4）中可知，改变频率，即可改变，而且若改变通入转子三 2 f 2 n 相电流的相序，还可以改变此转子旋转磁场的转向。因此，若设为对应于电 1 n 网频率为 50Hz（=50Hz）时异步发电机的同步转速，而 n 为异步电机转子本 1 f 身的旋转速度，则只要维持=常数，见式（3-5） ，则异步电机定子绕 21 nnn 组的感应电势，如同在同步发电机时一样，其频率将始终维持不变。 1 f =同步转速 （3- 21 nnn 5） 异步电机的滑差率，则异步电机转子三相绕组内通入的电流 11 Snn n 频率应为 （3- 12 211 21 1 60606

45、0 p nnpnpnnn ff S n 6） 公式（3-6）表明，在异步电机转子以变化的转速转动时，只要在转子的三 相对称绕组中通入滑差频率（即入 S）的电流，则在异步电机的定子绕组中就 能产生 50Hz 的恒频电势。 3.5 机舱底盘作用及选用 风力发电机组的机舱除了承担容纳所有机械部件外，还承受所有外力（包括 静负载及动负载）的作用。尤其是现在风力发电机组为了获得更多的风能，往 往将塔架高度提的很高，对机舱的强度的要求更为苛刻，特别是对机舱底盘的 结构设计要求较高。 3.5.1 机舱底盘的分类及选用 机舱底盘一般分类如下： (1) 按制造方法及材料可分为铸造机舱底盘、焊接机舱底盘二类。 (

46、2) 按结构形状可分为梁式机舱底盘、框架式机舱底盘、箱式机舱底盘 三类。 焊接机舱底盘具有强度和刚度、重量轻、生产周期短以及施工简单等优点， 因此在风力发电机组中采用焊接机舱底盘。 3.5.2 机舱底盘设计要求 机舱底盘的设计主要应保证刚度、强度及稳定性。机舱底盘强度和刚度都 要从静态和动态两个方面考虑。动刚度是衡量机舱底盘抗振能力的指标，而提 高机舱底盘抗振性能力从提高机舱底盘构件的静刚度、控制固有频率、加大阻 尼等。 机舱底盘设计的一般要求 1）在满足刚度及强度的前提下，机舱底盘应尽量轻、成本低； 2）抗振性好； 3）机构设计合理，工艺性良好，便于焊接和机械加工； 4）结构力求便于安装与调

47、整，方便修理和更换零部件； 5）造型好，使之即适用经济，又美观大方。 3.5.3 机舱底盘的材料 焊接机舱底盘采用多采用 Q235 板材。为了保持尺寸稳定，消除内应力，焊 接后必须进行热处理，第一次热处理安排在焊接完成后，第二次热处理安排在 粗加工之后进行。 3.6 塔架的介绍 塔架和基础是风力发电机组的主要承载部件。其重要性随着风力发电机组 的容量增加，高度增加，愈来愈明显。在风力发电机组中塔架的重量占风力发 电机组总重的 1/2 左右，其成本占风力发电机组制造成本的 15%左右，由此可 见听架在风力发电机组设计与制造中的重要性。 3.6.1 塔架的作用 塔架的主要功能是支承风力发电机的机械

48、部件，发电系统（重力负载） ，承 受风轮的作用力和风作用在塔架上的力（弯矩、推力及对塔架的扭力） ，塔架 还必须具有足够的疲劳强度，能承受风轮引起的振动载荷，包括起动和停机的 周期性影响、突风变化、塔影效应等。塔架的刚度要合适，其自振频率（弯曲 及扭转）要避开运行频率（风轮旋转频率的 3 倍）的整数倍。 塔架静强度的载荷条件 (1)横吹：风速为 65m/s（2s 平均）风轮不转动，叶片顺桨，风向吹在 舱上。 (2)正常运行十地震载负：风速为额定风速时，产生的风轮轴向力最大, 同时根据均匀建筑物由地震产生的水平载荷因子，将其产生的惯性力加在风轮 轴向推力上。 (3)最大运行载荷：额定风速下正常运

49、行载荷的 2 倍。 3.6.2 塔架的主要形式及选用 （1）单管拉线式 塔架由一跟钢管和条拉线组成，如图 3-11 所示。它具有简单、轻便、43 稳定等优点。 图 3-11 单管拉线塔架示意图 图 3-12 桁架拉线式 （2）桁架拉线式 小、中型风力机的塔架通常都采用这种结构。它由钢管或角钢焊接而成的 桁架，在辅以跟拉线组成，如图 3-12 所示。桁架的断面形状最常见的有43 等边三角形与正方形两种。 （3）桁架式 它由钢管或角钢焊接而成底大顶小的桁架，其断面最常用的是正方形，也 有采用多边形的，如图 3-13 所示。这种结构不带拉线，沿着桁架立挂的脚手 架可爬往机舱。下风向布置的中；大型风力

50、机多采用这种结构的塔架。 （4）圆台式 它由钢板卷制焊接而成的上小下大的圆台，如图 3-14 所示。机组的动力盘 与控制柜通常就吊挂在塔架的内壁上，无需再另建控制室。塔内有直梯通往机 舱。它外形美观、结构紧凑，很受欢迎。因此，广泛用于上风向布置的大型风 力机上。 图 3-13 桁架塔架示意图 图 3-14 圆台塔架示意图 由于圆台式结构突出、外形美观，所以此风力发电机采用的是圆台式塔架。 3.6.3 塔架的材料 在风力发电机组中常用材料为 Q3455c，Q345D。此风力发电机塔架材料用 的是 Q345D 该材料具有韧性高、低温性能较好的优点，具有一定的耐腐蚀性。 由于风力发电机组安装在荒野、

51、高山、海岛，承受日晒雨淋，甚至沙尘和盐雾 的腐蚀。所以其表面防锈处理十分重要。通常表面采用热锌，喷锌或喷漆处理。 一般表面防锈处理要达到 20 年以上的寿命。 第 4 章 基于 SolidWorks 的风机主传动系统三维建模方法 4.1 轮毂的建模方法 在 SolidWorks 里对轮毂进行三维建模的方法： 首先在零件图里进行草图绘制，选择前视基准面绘制草图，如图 4-1 所示。 图 4-1 轮毂草图 然后退出草图，选择工具拦上的旋转凸台， 以前视基准面为基准距离为 840mm 建立一个基准面，在此基准面画草图圆直径为 1950mm，退出草图并对其 拉伸厚度为 230mm 的凸台，在以凸台为基

52、准面绘制草图直径为 1696mm 的圆， 退出草图对其拉伸切除，对凸台底边作圆角，并在凸台上绘制直径为 1720mm 和 1696mm 圆的草图，拉伸出高度为 10mm 的凸台，在以上一个凸台为基准，在 工具拦上选择异型孔导向绘制 M30 的螺纹孔，并对其圆周阵列。在以图 4-1 的 轴线为基准轴对上述特征进行圆周阵列，对各边作圆角，并对旋转所得到实体 的大孔上面为基准，作 M16 的螺纹孔，进行阵列得到图 4-2。 图 4-2 轮毂 以上就是用 SolidWorks 对轮毂三维建模的步骤，图 4-2 就是风力发电机 轮毂三维建模模型。 4.2 增速箱的建模方法 4.2.1 上箱体的三维建模方

53、法 在零件图里以前视基准面绘制直径为 1510mm 的圆，拉伸厚度为 210mm 的凸 台，在以凸台为基准面绘制草图，退出草图，拉伸深度为 689mm 的凸台，并以 半圆凸台底面为基准面，绘制草图，退出草图，选择工具拦上的旋转凸台.在 以长方形凸台上面为基准面绘制宽度为 84.5mm 的长方形草图，选择工具拦上 的拉伸切除，然后在以半圆凸台的内面为基准面绘制高为 145mm，宽为 104.5mm 的长方形草图，选择工具拦上的拉伸凸台。以凸台前面为基准面绘制 草图，然后选择工具拦上的拉伸切除，深度为 86mm。对新生成的图形进行 45mm 的倒角。在以长方形凸台上面为基准面绘制草图，退出草图，选

54、择工具拦 上的拉伸切除，深度为 375mm。在以 141mm 为高，以 66 为宽拉伸出凸台。以凸 台前面为基准面绘制草图，选择拉伸切除。并以长方形凸台上面为基准面绘制 草图，特征选择成型到下面拉伸凸台。在凸台另一面以上面为基准面绘制草图， 选择工具拦上的拉伸切除，深度为 460mm。 对拉伸出的凸台进行切除直径为 50mm 的圆孔，并对边作 60mm 的圆角,以半 圆凸台为基准面做草图直径为 50mm 的圆孔，拉伸切除并阵列切除特征。在以 凸台前面为基准绘制草图，退出草图，作深度为 126mm 的拉伸切除，在以前面 为基准面绘制草图，退出草图拉伸高度为 8mm 的凸台。 以前面为基准面，距离

55、为 360mm 为基准建立一个基准面，在此基准面上绘 制草图，如图 4-3 所示。 图 4-3 上箱体内部建模 退出草图，做对称拉伸切除，宽度为 430mm，在切除的模型里面为基准面， 绘制直径为 225mm 和 310mm 的圆草图，并对其拉伸切除，深度分别为 85mm 和 110mm，在以切除的面为基准绘制 205mm 和 280mm 的圆的草图，分拉伸切除深 度为 15mm。以前视基准面绘制草图，退出草图，选择工具拦上的旋转切除，得 到图 4-4。 图 4-4 上箱体 以上就是用 SolidWorks 对风机齿轮箱上箱体的建模方法。 4.2.2 行星架的三维建模方法 首先在零件图进行草图

56、设计，绘制草图，如图 4-5 所示。 图 4-5 行星架草图 退出草图，选择工具拦上的旋转凸台。对其各边做圆角，并以前面为基 准面绘制草图，对其拉伸切除，在以前视基准面为基准绘制草图，退出草 图，选择工具拦上的拉伸切除，在以切除的实体面为基准面绘制草图，拉 伸高度为 5mm 的凸台，在以此凸台为基准面绘制直径为 160mm 的草图，选 择工具拦上的拉伸切除，特征为完全贯穿，对上述特征以中线为基准线做 圆周阵列。 以里面为基准面绘制直径为 120mm 的草图，退出草图作拉伸切除，深度 为 62mm，同样以里面为基准面绘制直径为 220mm 的草图圆，退出草图作拉 伸切除，深度为 25mm，在此切

57、除实体面上做 M16 的罗纹孔，并阵列，如图 4-6 所示。 图 4-6 行星架 以上就是用 SolidWorks 对风机齿轮箱的行星架的三维建模方法。 4.2.3 高速轴的三维建模方法 首先在零件图里以前视基准面绘制草图，退出草图在工具拦里选择拉伸 凸台，高度为 140mm，以圆柱一端面为基准面绘制齿形草图，在绘制螺旋线， 退出草图并对其放样，对齿面做倒角，并以中心线为基准轴对放样和圆角 特征进行阵列，得到下图 4-7。 图 4-7 齿轮轴斜齿轮 以其一端面为基准面绘制直径为 160mm 的圆，病对其拉伸，长度为 27mm，在以此端面为基准绘制直径为 140mm 的草图圆，对其拉伸，长度为 182mm，在此拉伸出实体为基准面绘制直径为 130mm 的草图圆，拉伸长度为 92mm，如下图所示。在以另一端面为基准面绘制直径为 160 的草图圆，并 对其拉