风力液动机设计

1、前言风能利用已有数千年的历史，在蒸汽机发明以前，风帆和风车是人类生产和生活的重要动力装置。埃及被认为可能是最先利用风能的国家，约在几千年以前，他们就开始用风帆来帮助行船。波斯和中国也很早开始利用风能，主要使用垂直轴风车。从现在的能源角度来说，对风能的利用更具有了时代意义。首先风能是一种干净的、储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此也可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源；而煤、石油、天然气等矿物燃料能源，其储量将随着利用时间的增长而日趋减少。矿物燃料在利用过程中会带来严重的环境污染问题，如空气中的等气体的排放量

2、的增长导致了温室效应、酸雨等现象的产生。因此自20世纪70年代末以来，随着世界各国对环境保护、能源短缺及节能等问题的日益关注，认为大规模利用风力发电是减少空气污染、减少有害气体（等）排放气体的有效措施之一2。大自然的风完全不用进口，是地道的自产能源，多加利用可减低对进口石油、煤炭等化石能源的依赖，促进能源来源多元化，在国家安全上也有其战略意义。在经济社会层面，风力发电可制造工作机会，从零组件的生产、运输、组装、维护等，皆为设置风力发电机当地带来相当的就业机会与新的产业。德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、瑞典、印度加拿大等国在风力利用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

3、学、新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的最新成果，开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展了变浆距控制及失速控制的风力机设计理论，采用了新型风力机设计理论，采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型，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3。因此，本文基于风力机的无污染和资源丰富等各种优点，通过对风力液动机风轮部分桨叶、桨叶轴、复位弹簧等以及主轴、回转体的设计，并通过选择对应的增速器、液压泵、液压马达等液动系统原件，以达到通过风力液动机的将风能转

4、化为其他机械能的目的。1 绪论 本章重点在于对风动机的基本特征进行分析，研究风能的特点及并对其产生进行分析，研究对风能利用的原理，进一步说明对风能利用的必要性，最后介绍世界风动机发展的特点。1.1 风能的产生和特点由于太阳辐射造成地表面受热不均引起大气温度、密度和压力差别产生了风。风能是地球表面空气从压力高的地方向压力低的地方移动时产生的动能，风能资源是经过测在量和质上可供人类开发利用的风能。风能的大小用风功率密度来度量，它与风速的立方和空气密度成正比2。太阳辐射的能量在地球表面约有2%转化为风能。根据荷兰和美国对风能资源的研究，考虑城镇、森林、复杂地形、交通困难的山区及社会环境的制约，如景观

5、和噪音影响等，取具有风能资源土地面积的4%推算，可利用的风能资源储量估计约96亿kW或18.7万亿kWh/a。另外，海岸线附近的浅海区域也有非常丰富的风能资源，且平均风速大、湍流小，仅欧盟国家沿岸的海上风能资源估计约3万亿kWh/a，比欧盟12国目前的年用电量2万亿kWh还大，如按年满功率发电2 500h计划，则装机容量可达12亿kW。1.2 风动机对风能的利用风动机并不能将所有流经的风力能源转换成电力，理论上最高转换效率约为59%，实际上大多数的叶片转换风能效率约介于3050%之间，经过机电设备转换成电力能或其他机械能后的总输出效率则约介于2045%。鉴于水平轴式拥有较高机械效率，现代风动机

6、多为水平轴式。并且采用后背式轮毂设计，这样可以省去尾翼3。风动机的机械能输出与风的速度非常有关，叶片能自风获得之能量与风速的三次方成正比，一般市场上风动机的启动风速约介于2.54m/s，于风速1215m/s时达到额定的输出容量，风速更高时风动机的控制机构将电力输出稳定在额定容量左右，为避免过高的风速损坏发电机，大多于风速达2025m/s范围内停机。一般采用旋角节制或失速节制方式来调节叶片之气动性能及叶轮之输出。除了风速外，叶轮直径决定了可获取风能的多少，约与叶轮直径平方成正比，以目前商业化的中、大型风动机为例，容量600kW的机组其叶轮直径约45m左右，1000kW的机组叶轮直径约55m左右，

7、2000kW的机组叶轮直径则约75m左右，依型号各异。叶片的数量也影响风力发电机的输出，一般而言多叶片的风车效率较低但机械力矩较高；少叶片型(13叶片)效率较高而力矩较低，其中又以2叶及3叶效率较高。此外，现代风力发电机的叶片多采用机翼型，以更有效的摄取风能2。1.3 世界风电技术发展的特点1）风动机单机大型化风动机单机容量不断增加是风电技术的显著特点之一。商业风动机平均单机容量从1982年为55kw到2002年约为1100kw，20年增加了近20倍。随着技术的逐渐成熟早年多样化的设计理念也趋向统一。单机容量大，有利于降低每千瓦的制造成本；而且大型机组采用更高的塔架，有利于捕获风能，50m高度

8、捕获的风能要比30m高度处多20%。目前，商业化机组的单机容量已达3.6MW。2）变速恒频机组将成为主流机型目前，世界各地风电场的风力发电机组，绝大多数为恒速运行机组。随着控制技术的发展和变速恒频机组的应用，风力机开始改恒速运行为变速运行，风轮转速随风速变化，在低于额定风俗的相当大范围内保持最佳叶尖速比已获得最大风能。3）重量更轻、结构更具柔性随着风动机叶片的增长，其单位功率的重量更轻、结构更柔性。叶片材料由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、质量轻的碳纤维。同时，针对风动机的空气动力环境，风动机专用新翼型也得到广泛应用，大大改善叶片的气动性能。4）海上风力发电迅速发展由于海上风力资源比陆地上好，风

9、速比沿岸路上约高25%，且海面粗糙度小，海上风场湍流强度小，具有稳定的主导风向，减少机组疲劳载荷，延长使用寿命3。2风力液动机风轮的设计风轮机是一种叶片式机械，风轮机的桨叶与机翼类似，可用机翼升力理论描述。风轮机的风能转换有效性特性，用风能高速特性曲线来描述，风能利用系数相当于风轮机的效率，叶尖风速比相当于风轮机的速比，是风力机最重要的参数2。2.1 基础理论2.1.1 风场的风速资料风场的风速资料是设计风轮机最基本的资料。风场的实际风速是随时间不断变化的量，因此风速一般用瞬时风速和平均风速来描述。瞬时风速是短时间发生的实际风速，也称有效风速，平均风速是一段较长时间内瞬时风速的平均值3。表2-

10、1 蒲福风力等级表Table 2 -1 Bofu wind scale风力等级名称相当于平地10m高处的风速（m/s）陆上地物征象中文英文范围中数0静风Calm0.00.20静、烟直上1软风Light air0.31.51烟能表示风向，树叶略有摇动2轻风Light breeze1.63.32人面感觉有风，树叶有微响，旗子开始飘动，高的草开始摇动3微风Gentle breeze3.45.44树叶及小枝摇动不息，旗子展开，高的草摇动不息4和风Moderate breeze5.57.97能吹起地面灰尘和纸张，树枝动摇，高的草呈波浪起伏5清劲风Fresh breeze8.010.79有叶的小树摇摆，内

11、陆的水面有小波，高的草波浪起伏明显6强风Strong breeze10.813.812大树枝摇动，电线呼呼有声，撑伞困难，高的草不时倾伏于地7疾风Near gale13.917.116大树摇动，大树枝弯下来，迎风步行感觉不变8大风Gale17.220.720可折毁小树枝，人迎风前行感觉阻力甚大9烈风Strong gale20.824.423草房遭受破坏，屋瓦被掀起，大树枝可折断10狂风Storm24.528.426树木可被吹倒，一般建筑物遭破坏11暴风Violent storm28.532.631大树可被吹倒，一般建筑物遭严重破坏12飓风Hurricane32.633陆上少见，其摧毁力极大某地

12、一年内发生同一风速的小时数与全年小时数（8760h）的比称为该风速的风速频率，它是风能资源和风能电站研究报告的基本数据。风速与地形、地势、高度、建筑物等密切相关，风能桨叶高度处的风速才是风轮设计风速，风的变化是随机的，任意地点的风向、风速和持续的时间是变化的。因此，设计风轮机电站还要有风速随高度变化的资料2。2.1.2风能、风的能量密度风是空气，空气可视为理想气体，满足状态方程 （2-1）式中 大气压，； v 空气比容， ； R 普适气体恒量，1mol任何气体 J/mol=0.082Latm/mol； T 华氏温度，K。根据空气状态方程可计算风场的空气密度。空气密度与风的能量密度、风轮机功率成

13、正比，是风力发电场计算的重要参数3。由状态方程（2-1），可求得空气比容，以及密度 （2-2） 例如大气温度为15、大气压力为1ata（1ata=1.033 ）的空气密度为2.2 风轮桨叶选材及设计水平轴风力机的风轮一般由13个叶片组成（本设计中取6片桨叶），它是风力机从风中吸收能量的部件。叶片选用实心木质叶片。这种叶片是用优质木材精心加工而成，其表面可以蒙上一层玻璃钢，以防雨水和尘土对木材的侵蚀2。2.2.1 桨叶材料的选用根据需要，桨叶材料的选用落叶松，产地东北，。表2-1 木材参数Tab.2-1 Table of the parameter of lumber顺纹抗压强度顺纹抗拉强度强度

14、极限弹性模数顺纹抗剪52.2122.699.3126径向弦向8.87.02.2.2 桨叶整体设计1）扫掠半径任何种类风力机产生的功率可用下式表示：风轮机功率 P= （2-3）风轮半径 （2-4）取叶尖速比 （2-5）风轮机转速 n= （2-6）式中 P输出功率（指额定工况下输出的电功率）（W）；P=25KW（给定值）空气密度（一般取大气标准状态）（kg/）; =1.25 kg/（给定值） 设计的风速（风轮中心高度处）（m/s）; =10m/s（给定值） A风轮扫掠面积 ;风能利用系数；0.45 （给定值）n风轮机转速；n=50r/min （给定值）u叶尖每分钟转过的距离，m。2）半径分配根据实

15、际需要，以及考虑桨叶轴的摆放，圆盘轮毂半径取0.6m，圆盘轮毂与桨叶间距取0.1m则桨叶长度桨叶初步拟定为长方体，则桨叶的体积为V=4.80.240.06=0.069则桨叶的质量为 M2.3 桨叶轴设计考虑风对桨叶的作用，对桨叶轴同时产生弯矩和扭矩，桨叶轴在桨叶1/3处进行连接，对桨叶轴进行设计3。1）风对桨叶轴的弯矩M （2-7）式中 F风对桨叶施加的对桨叶轴产生弯曲的力，N风的密度，风速取最大值20m/s桨叶面积，。 （2-8）式中 H弯曲力的力臂长度，m 桨叶长度的一半，m 桨叶末端到第一个轴承座的距离，m。2）桨叶轴扭矩计算： （2-9）式中 F风对桨叶施加的对桨叶轴产生扭转的力，N

16、h扭转力的力臂长度，m 桨叶轴宽度的1/3，m 桨叶轴宽度的1/3的一半，m。 图 2-1 桨叶轴联接部分 Fig.2-1 The link part of oar shaft3）桨叶轴危险截面轴颈的计算考虑风能对桨叶施加的对桨叶轴产生的弯矩和扭矩，桨叶轴的危险截面轴颈应为圆盘轮毂上第一个轴承座的中间处，其 （2-10） （2-11） （2-12）式中 计算弯矩 根据转矩所产生应力的性质而定的应力校正系数。 脉动变化的转矩， 许用弯曲应力， 脉动循环应力， 对称循环应力，。 危险截面轴颈d取60mm4）则根据设计要求桨叶轴轴从0左至右安装零部件：桨叶轴复位斜板、桨叶轴支撑轴承座、轴套、轴向固定

17、螺母、垫片、桨叶轴支撑轴承座、光轴、加强钣金、桨叶夹槽2。 图 2-2 桨叶轴Fig.2-2 The oar shaft则桨叶轴的体积为V0.0013492.4 桨叶轴末端挡板的复位弹簧设计2.4.1 风动机的功率调节功率调节是风力机的关键技术之一。风力机在超过额定风速（一般为1216m/s；）以后，由于机械强度和发电机、电力电子容量等物理性能的限制，必须降低风轮的能量捕获，使功率输出仍保持在额定值的附近。这样也同时限制了桨叶承受的负荷和整个风力机受到的冲击，从而保证风力机安全不受损害。功率调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距角调节和混合调节三种方式。1） 定桨距失速调节 定桨距是指风轮的桨叶

18、与轮毂是刚性连接，叶片的桨距角不变。当空气流流经上下翼面形状不同的叶片时，叶片弯曲面的气流加速，压力降低，凹面的气流减速，压力升高，压差在叶片上产生由凹面指向弯曲面的升力。如果桨距角不变，随着风速增加，攻角相应增大，开始升力会增大，到一定攻角后，尾缘气流分离区增大，形成大的涡流，上下翼面压力差减小，升力迅速减少，造成叶片失速（与飞机的机翼失速机理一样），自动限制了功率的增加。因此，定桨距失速控制没有功率反馈系统和变桨距角伺服执行机构，整机结构简单、部件少、造价低，并具有较高的安全系数。缺点是这种失速控制方式依赖育叶片独特的翼型结构，叶片本身结构较复杂，成型工艺难度也较大。随着功率增大，叶片加长

19、，所承受的气动推力大，使得叶片的刚度减弱，失速动态特性不易控制，所以很少应用在兆瓦级以上的大型风力发电机组的功率控制上。2） 变桨距角调节 变桨距角型风力发电机能使风轮叶片的安装角随风速而变化，风速增大时，桨距角向迎风面积减小的方向转动一个角度，相当于增大桨距角，从而减小攻角，风力机功率相应增大。变桨距角机组启动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的启动性能和功率输出特性都有显著改善。变桨距角调节的风力发电机在阵风时，塔架、叶片、基础受到的冲击，较之失速调节型风力发电机组要小得多，可减少材料，降低整机质量。它的缺点是需要有一套比较复杂的变桨距角调节机构，要求风力机的变桨距角系统

20、对阵风的响应速度足够快，才能减轻由于风的波动引起的功率脉动。3)混合调节这种调节方式是前两种功率调节方式的组合。在低风速时，采用变桨距角调节，可达到更高的气动效率；当风机达到额定功率后，使桨距角向减小的方向转过一个角度，相应的攻角增大，使叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。这种方式变桨距调节不需要很灵敏的调节速度，执行机构的功率相对可以较小3。 本文采用变桨距角调节的方式来调节风力液动机的功率，通过在桨叶轴末端安装复位弹簧，达到变桨距角的目的。2.4.2桨叶复位压缩弹簧选取和计算1）当6级风时V12m/s；此时桨叶所受力 （2-13）式中 T1根桨叶轴所受的扭矩。 （2-14）式中 弹簧最

21、小工作载荷，N L弹簧挡板的水平距离，m。 图 2-3 桨叶复位弹簧工作示意图Fig.2-3 The working sketch map of the replacement spring of blade2）当7级风时V16m/s时，此时桨叶所受力F总=式中 弹簧最大工作载荷 N3）弹簧的工作行程h （2-15） h=51.961=52mm4）初算弹簧刚度 （2-16）5）工作极限载荷因是类载荷；故2553.6N 查表选2602N表2-2 弹簧有关参数Tab.2-2 Table of the parameter of springDD10mm85mm2602N16.16mm161N6）有效

22、圈数n ，按表取标准值n7.5 （2-17）总圈数n+2=9.57）弹簧刚度 N/mm （2-18）8）工作极限载荷下的变形量 mm （2-19）9）节距t mm （2-20）10）自由高度 nt+1.5d=7.525.5+1.510=206.25 mm （2-21）取标准值11）弹簧外径 D+d=85+10=95mm （2-22）12）弹簧内径D-d85-1075 mm （2-23）13）螺旋角arctan （2-24）14）展开长度L mm （2-25）15）最小载荷时高度 mm （2-26）14）最大载荷时的高度 mm （2-27）15）极限载荷时的高度 = mm （2-28）16）实际

23、工作行程h h=-=143.18-91.15=52.031 （2-29）17）工作区范围 （2-30）18）高径比b b （2-31）b2.6不进行稳定验算 图 2-4 弹簧Fig.2-4 The spring 该弹簧的技术要求：1.总圈数9.52.旋向为右旋3.展开长度L2547mm4.硬度HRC45502.5 轴承座螺栓的选用2.5.1 螺栓组分布桨叶轴轴承座与圆盘轮毂相联结，起到连接桨叶轴与圆盘轮毂的作用，螺栓组结构设计采用四周均匀分布的结构，螺栓数z=4，对称布置1。2.5.2 螺栓的受力分析1）考虑在极限风速20m/s时，螺栓组承受以下各力和翻转力矩的作用轴向力 F=A=1.254.

24、80.24=498.8N （2-32）式中 空气密度（一般取大气标准状态）（kg/），=1.25 kg/（给定值） A 桨叶的面积， 桨叶与轮毂的夹角 V极限风速，取20m/s。横向力 R= （2-33）式中 离心力，N 桨叶重力，N 桨叶轴重力，N。图2-5 轴承座 Fig.2-5 The bearing seat桨叶重力 g= （2-34）式中 桨叶材料选用东北落叶松，气干密度为594kg 桨叶体积，。 桨叶轴重力 （2-35） =105.9N式中 刚的密度， 桨叶轴的体积，。 离心力 =+=3481.6N+105.8N=3587.4N （2-36）式中 桨叶的质量，kg 桨叶轴的质量，k

25、g桨叶中心到主轴中心线的距离，m 桨叶轴中心到主轴中心线的距离，m。 R=3857.4N+410.6N+105.9N=4103.9N翻转力矩 M= FL=1.25= 1276.969=1276969 (2-37)式中 L桨叶中心到第一个轴承座中心的距离，m F桨叶受风对轴承座翻转方向的力，N。2）在轴向力F的作用下，各螺栓所受的工作拉力为 = （2-38）式中 轴向力，N z轴承座螺栓数，z=4。3）在翻转力矩的作用下，前面两螺栓受加载作用，而后面两螺栓受到减载作用，故前面两个螺栓受力较大，所受的载荷为 （2-39）式中 翻转力矩， 螺栓中心到轴承座中心的最大距离，mm 螺栓中心到轴承座中心的

26、距离，mm根据以上分析可见前面的螺栓所受的轴向工作拉力为 （2-40）4)在横向力R的作用下，底板链接接合面可能产生滑移，根据底板接合面不滑移条件，并考虑轴向力F对预紧力的影响，则各螺栓所需要的预紧力为 （2-41）查得联结接合面间的摩擦系数f=0.35，查得=0.2，取可靠性系数=1.2则各螺栓所需要的预紧力为 （2-42）=3617.4N5）螺栓所受的总拉力Q 5061.2N （2-43）2.5.3 确定螺栓直径螺栓的性能等级为6.6级，查得，S=5螺栓的许用应力 （2-44）螺栓危险剖面的直径为按GB196-81，选用M12的螺栓，d=12mm2.6 风轮迎风技术2.6.1 风轮机的出力

27、与风速1）风轮机的出力与风速立方成正比 P= （2-45）式中 输出功率（指额定工况下输出的电功率）（W）；P=25KW（给定值）空气密度（一般取大气标准状态）（kg/）; =1.25 kg/（给定值） 设计的风速（风轮中心高度处）（m/s）; =10m/s（给定值）风能利用系数；0.45 （给定值）叶尖速比；风轮扫掠半径，m。2）转速与风速一次方成正比 （2-46）因此，风速变化将引起出力和转速的变化。风速的大小、方向随时间总是在不断变化，为保证风轮机稳定工作，必须有一个装置跟踪风向变化，使风轮随风向变化自动相应转动，保持风轮与风向始终垂直。这种装置就是风轮机迎风装置2。 风轮迎风装置风轮迎

28、风装置有两种方法：尾舵法和舵轮法，风向变化时，机身上受三个扭力矩作用，机头转动的摩擦力矩，斜向风作用于主轴上的扭力矩，尾舵轮扭力矩3。1） 尾舵法与机头质量、支持轴承有关，决定于风斜角、距离l，尾舵力矩由下式近似计算 （2-47） 式中 尾舵升力、阻力合力系数由实验曲线查得；尾舵面积，； 风轮的圆周速率，m/s；K风速损失系数约0.75；L尾舵距离，m。机头转动条件 （2-48）尾舵面积 （2-49）式中 机头转动的摩擦力矩，； 斜向风作用于主轴上的扭力矩，按上式设计的尾舵面积就可以保证风轮机桨叶永远对准风向。2） 舵轮法舵轮法是用自动测风装置测定风向，按风向偏差信号控制同步电动机转动风轮，此

29、方法也可保证风轮机桨叶永远对准风向。在本设计中把尾舵取消增加桨叶轴与圆盘角度到7角这样可以加大与斜向风的接触面积增大斜向风对主轴的转矩当斜向风的转矩为零时风轮机桨叶对准风向2。 风能利用的关键技术问题风能技术是一项涉及多个学科的综合技术。而且，风力机具有不同于通常机械系统的特性：动力源是具有很强随机性和不连续性的自然风，叶片经常运行在失速工况，传动系统的动力输入异常不规则，疲劳负载高于通常旋转机械几十倍。对于这样的强随机性的综合系统，其技术发展中有下列几个关键技术问题1）空气动力学问题空气动力设计是风力机设计技术的基础，它主要涉及下列问题:一是风场湍流模型，早期风力机设计采用简化风场模型，对风

30、力机疲劳载荷和极端载荷的确定具有重要意义；另一是动态气动模型。再一是新系列翼型。2）结构动力学问题准确的结构动力学分析是风力机向更大、更柔和结构更优方向发展的关键。3）控制技术问题风力机组的控制系统是一个综合性的控制系统。随着风力机组由恒速定浆距运行发展到变速变浆距运行，控制系统除了对机组进行并网、脱网和调向控制外，还要对机组进行转速和功率的控制，以保证机组安全和跟踪最佳运行功率2。3 风力液动机主轴的设计3.1主轴参数计算1）轴颈估算mm （3-1）式中 P额定功率，取25 kw（给定值） n额定转速，取50r/min（给定值） A主轴设计参数，取115。因为轴段上有一个键槽，轴颈应增大3%

31、5%，故估取主轴 d120mm则主轴转矩为 T9.55 （3-2）2）主轴键的选择 根据主轴轴颈，选取主轴键型为的普通B型键其主要参数为bh=3218; t=11; k=; L=90; d=120; (mm)其中，b键宽，mm； h键高，mm； L键工作长度，mm； t键槽深，mm； k键的工作高度，mm； d主轴轴颈，mm。对其进行校核 （3-3）式中 许用挤压应力，取轻微冲击；T主轴转矩，T=； 该键合理3.2 轴段轴颈分布主轴从左至右装配的零部件分别为：弹簧挡板调节螺母、弹簧上挡板、压缩弹簧、弹簧下挡板、圆盘定位螺母、带轮毂圆盘、支撑轴承座3。所以将其轴段轴颈分布设计如下 图 3-1 主

32、轴Fig.3-1 The spindle3.2.1主轴校核1） 圆盘、桨叶和桨叶轴重力对主轴的弯矩圆盘 （3-4） （3-5）式中 B圆盘厚度；B=10mm 钢的密度；=7850桨叶 G桨叶=V桨叶g= （3-6） 式中 桨叶材料选用东北落叶松，气干密度为594kg桨叶轴G桨叶轴=V桨叶轴钢g= （3-7） =105.9N( G桨叶轴+G桨叶)+G圆盘=N式中 总重力，N。图3-2 主轴的联结Fig 3-2 The link of the spindle则弯矩M=h=4577.940.155=709.58=709580 （3-8）式中 h圆盘到主轴轴承座第一个轴承的末端的距离，mm。2）扭矩T

33、 （3-9）式中 P额定功率，取25 kw（给定值） n额定转速，取50r/min（给定值）3）合成校核= （3-10）式中 计算弯矩， 根据转矩所产生应力的性质而定的应力校正系数。 脉动变化的转矩，因为主轴上有键槽 （3-11）式中 抗弯截面模量，b键宽，mm； t键槽深，mm； d主轴轴颈，mm。 （3-12） 式中 许用弯曲应力， 脉动循环应力， 对称循环应力， 弯曲应力， d=120mm，主轴轴颈设计合理4 风力液动机液动系统的设计4.1 风力液动机其主要工作原理及优缺点风力液动机其主要工作原理是风能通过桨叶的转动，并通过增速器的放大，传递至液压泵，再通过液压系统传递至液压马达，以达到

34、输出机械能的目的，其优点是功率稳定，液压马达可接发电机或直接用于其他设备等；缺点是在液动系统中存在能量损失，温度对液压系统有一定影响等2。4.2 联轴器的选择 弹性柱销联轴器的特点 由于风力液动机在工作时，主轴会产生偏移，因此采用弹性连轴器。 弹性柱销联轴器制造容易，耐久性好，安装维护方便，传递转矩大。为防止脱销，柱销两端用螺栓固定了挡板。适用于轴向位移大，正、反转或启动频繁传动5。4.2.2 弹性柱销联轴器的选择 主轴末端轴颈为110mm，选择HL7型弹性柱销联轴器，其主要参数为表4-1 联轴器参数Tab.4-1 Table of the parameter of coupling公称转矩许

35、用转速（钢）质量转动惯量630022409841.14.3 增速器的选择 增速器的原理与减速器相同，只是将其的输出与输入调换，根据要求本设计采用NGW型行星齿轮减速器6。4.3.1 行星齿轮减速器的使用范围和特点 1）适用范围 NGW型行星齿轮减速器主要用于冶金、矿山、起重运输等机械设备减速。其工作条件为：工作环境温度为；高速轴最高转速不超过1500；齿轮圆周速度不超过10；可正反两方向运转。2）主要特点a.体积小、重量轻。相同条件下，比普通渐开线圆柱齿轮的重量轻1/2以上，1/2到1/3。b.传动效率高。c.适应性强，传动功率范围大。 d.运转平稳，噪声小。使用寿命达10年以上。 行星齿轮减

36、速器的选择 根据主轴轴颈、选用的联轴器、传动比及输入功率等选取NGW61型行星齿轮减速器，其主要参数为表4-2 减速器主要参数Tab.4-2 The main parameter of retarder公称传动比I转速主动轴允许输入功率重量m47501272854.4 液压原件的选择图 4-1 液动系统Fig.4-1 the systerm of hydraulic pressure 液压泵由于液动系统采用开式结构，液压泵在托架上，风速不恒定，工作油温等诸多因素，液压泵采用CBAa型齿轮泵8。CBAa型齿轮泵采用中部封闭式结构，轴向浮动补偿，具有输出压力高、抗冲击、噪声地、效率高、工作可靠等特

37、点。广泛用于装载机、推土机、起重机、叉车、农机、压力机等各种机械的液压系统中。可以任意组合成二联或多联泵。根据额定风力液动机的额定功率25kW，并考虑能量损失，选择额定驱动功率25.2kW的CBAa0020型齿轮泵。表4-3 液压泵主要参数Tab.4-4 The main parameter of hydraulic pump理论排量额定压力最高转速工作油温工作油液20.132528L-HM4668抗磨液压油 液压马达由于液动系统采用CBAa0020型齿轮泵、开式结构，液压马达在地上，风速不恒定，工作油温等诸多因素，液压马达采用CBK型齿轮马达8。CBK型齿轮马达采用了承载能力高的DU轴承、高

38、强度铝合金壳体结构。具有压力高、转速范围大、排量规格多、工作可靠、寿命长等优点。广泛应用于工程机械、矿山机械、农林机械、起重运输机械等液压系统中。根据风力液动机的额定功率25kW，额定压力25等选择CBK1020型齿轮泵，其主要参数为表4-5 液压马达主要参数Tab.4-4 The main parameter of hydraulic motor排量额定压力最高压力容积效率质量19.9252837.1 液压附件1）蓄能器根据液压泵的额定压力、工作条件等选择NXQ型囊式蓄能器，其主要作用是蓄存能量、吸收脉动和缓和冲击，它具有体积小、重量轻、反应灵敏等优点。2）溢流阀选用YF型溢流阀，其主要作用

39、是控制系统压力，保护泵和油路系统安全及保持系统压力恒定。3）过滤器选用WU型网式过滤器，安装在液压泵吸油口处，用以保护液压泵，避免吸入较大的机械杂质。该过滤器具有结构简单、通油能力大、阻力小、易清洗等特点8。5回转体和附件的设计5.1 回转体的设计 图5-2回转体装配图Figure5-2 rotating assembly回转体由：回转轴底盘、加强钣金、回转轴轴承轴肩、回转轴推力轴承轴段、回转轴危险轴段、滑动轴承注油口、回转轴轴向定位段、安装滑环轴段、轴向定位螺母、轴向定位挡板、回转体上联接板、铜套、无缝钢管、推力轴承等部分组成2。其中回转轴的左右摆动问题通过滑动轴承来解决它能很好的解决由于顶

40、部重心偏向前而引起对轴的弯矩，加强了回转轴的抗弯强度。回转轴挡板可以在安装过程中防止回转轴脱落下滑，回转轴中心钻出的通孔此处为发电机输电线路。因回转轴固定在塔架上当风向改变对风时套筒上方连接的所有部件随着套筒一起转动铜套与套筒为过盈配合，铜套与回转轴之间用润滑油润滑所以输电线路不会缠到一起。5.2刹车装置的设计由于机械维修以及意外情况的发生需要对风轮机进行刹车，所我们在增速器高速轴侧加装一轮毂并在轮毂外安置刹车装置通过拉拽钢丝绳带动刹车带使风轮转速降低直至停止。刹车带的复位由弹簧套筒内的弹簧来保证停止刹车后刹车皮与轮毂不在接触3。图6-1刹车装置装配图Figure 6-1 brake asse

41、mbly刹车机构常用于安全系统，用在静止或正常运行时，刹车装置一般有三种刹车方式：1）、电磁刹车（电动式）；2）、机械刹车；3）、混合式刹车。形式不同，必须有很高的可靠性，使风轮快速回到静止位置。本设计中的刹车装置主要由：1）弹簧筒联接头、2）弹簧筒联接板、3）弹簧筒、4）复位弹簧、5）弹簧套筒盖等零件组成。5.3托架的基本结构托架是放置轮盘、主轴、增速器、发电机以及回转体、滑环和刹车装置等附件的。它分两层上层为支撑轮盘、主轴、增速器、刹车装置和发电机。下托板与回转体上端面联接，中间放置滑环和滑轮组件3。滑轮组件是把刹车装置的钢丝绳缠绕在滑轮上改变其方向令钢丝绳与托板不能接触。 结论对风力液动

42、机的研究和设计，可以得出以下结论：1）在机械结构方面，改进设计、避免或减少由于风的波动引起的有害机械负荷，减少部件所受的应力，从而减轻有关部件及机组整体的质量，进一步降低成本。改进机械结构的另一个动向是采用新型整体式驱动系统，集主传动轴、齿轮箱和偏航系统为一体。这样就减少了零部件数目，同时增强了传动系统的刚性和强度，降低了安装、维护和保养的费用2）自然风的速度和方向是随机变化的，风能具有不稳定性特点，如何使风力机的输出功率稳定，是风力机技术的一个重要课题。迄今为止，已提出了多种改善风电品质的方法，例如采用变转速控制技术，可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。由于变转速风力发电机组采用的是电力电子

43、装置，当它将电能输送给电网时，会产生变化的电力谐波，并使功率因素恶化。因此，为了满足在变转速控制过程中良好的动态特性，并能使发电机向电网提供高品质的电能，发电机和电网之间的电力电子接口应实现以下功能：a.在发电机和电网上产生尽可能低的谐波电流；b.具有单位功率因素或可控的功率因素；c.使发电机输出电压适应电网电压的变化；d向电网输出稳定的功率；e.发电机电磁转矩可控。3）可以开发新的空气动力控制装置。如叶片上的副翼，它能够简单、有效地限制转子的旋转速度，比机械刹车更可靠，并且费用低。4）桨叶的结构设计有待改善，在有条件的情况下应模拟实际受风工作状态下的最佳角度以及弧度，材料的选择根据市场等方面

44、的因数适当考虑选用纳米材料，可减轻桨叶重量，增强其强度。参考文献1 吴治坚新能源和可在生能源的利用M北京：机械工业出版社，2006.12 王承煦，张源风力发电北京：中国电力出版社，2002，83 王承煦风力发电实用技术M北京：金盾出版社，19954 徐灏机械设计手册（1）M 第2版北京：机械工业出版社20005 徐灏机械设计手册（2）M 第2版北京：机械工业出版社20006 徐灏机械设计手册（3）M 第2版北京：机械工业出版社20007 李柱国.机械设计与理论 （2）第2版.北京：科学出版社.20048 官忠范.液压传动系统 第3版.北京：机械工业出版社.1996，69 成大先 .机械设计手册

45、 单行本.北京：化学工业出版社.2004，410 孟宪源现代机构手册M第1版北京：机械工业出版社1994，611 Chen JL， Hajela PA rule based approach to optimization design modelingJComputer and Structure198912 Akagi S， FujitakBuilding and expert system for engineering design based on the object_ Oriented representation conceptJASME TransJMechdesign，19

46、9013 1 Dejan Schreiber Applied Designs Turbines And New Approaches PCIMof Variable20023：202-2070附录A 译文微电子机械系统在机械工程的课程发展1.引言微电子机械系统( MEMS )在机械工程与应用力学部门的课程发展是密歇根大学的一个课程结构，兼顾学习机电工程课程和机械工程系的学生并建议课程从本科学习和博士水平的学生中进行。显然，从学生的反应看，他们所感兴趣的课程，在新兴技术方面，如基于MEMS 更多课程和在MEMS的面积应大量开展。 MEMS的未来课程发展是一个新的MEMS课程，这也是本科层次的学生

47、在工程学院学习的课程。微电子机械系统( MEMS )是一个新兴的领域，它利用IC (集成电路)，或精密机械加工制造微型传感器。 研究者在电气工程中开创了这个方面的研究的历史还可以追溯到70年代初。近年来，MEMS的研究还侧重于机械问题，如固体力学，流体力学，热学，动力系统和微观尺度的控制。作为一个结果，更多的机械工程师，曾参与在MEMS研究过。 机械工程师为MEMS的运动做的研究，是符合要求的21世纪工程师的研究方向。这些措施包括很多方面的知识：强大的基本知识，例如在数学，物理和工程科学和手把手的设计和实验经验。 快速增长的MEMS也对研究者提出了很大的挑战，尤其在教育方面。 以前，课程MEMS的发展已在电器工程方面及课程发展方面提前了很多，但在机械工程方面已经落后。 但是，是什么性质的微机电系统，需要整合不