5MW风电齿轮增速箱设计 (一级行星轮系)

#-z——节点区域系数；HZ口——弹性系数；EkHp――接触强度计算的齿向载荷分布系数；kHa——接触强度计算的齿间载荷分布系数；HaZ‘一一接触强度计算的重合系数；GZb――接触强度计算的螺旋角系数；式中各数据通过查《机械设计手册》第三版第三卷表14-2-9（强度计算公式中个参数的确定方法）得到。）①使用系数查表k=1.3A②动载荷系数kv―兀dnHVH二a二1.4m'sk二1+k——+kzL\u2二1.004100\I1+u21000*60vjF2kab其中ki=6.7，q二0.0087（齿轮精度5级，查表得）；zu亠二1.52174z1齿向载荷分布系数kHb太阳轮浮动，对对称支承，查表得：bk二1.05+0.26*（）2+0.1*10-3*b二1.34hBd1齿间载荷分布系数kHaHakF—=1222.39>100（N.m）b查机械设计手册得kHa=1Ha节点区域系数zH

,2cosBTOC\o"1-5"\h\zb=2・25(其中B=arctan(tanB*cosa)=0.12088);cos2tanab'〃/‘1a，tth4—s⑦重合度系数―⑥弹性系数z广189.8h4—s⑦重合度系数―sa(1—s)+B=0.8352(其中sB>1，按sB=1算)3BsBBa⑧螺旋角系数z⑧螺旋角系数z二jcosB二0.9957其中按接触应力Q=其中按接触应力Q=zzzz:

HstHEsBFu+111了:才b—kk^B=878.83(Nmm2)1⑨寿命系数z⑨寿命系数z=0.95NT⑩工作硬化系数z=1Qzz而安全系数S口=H黑Nw>S代入上述值：HQHlimHst得到s”=1.47>1故符合要求，具有高的可靠度。H(2)中间级接触强度计算参照上述低速级接触强度计算步骤和公式，得到中间级齿面计算接触应力各项系数如下表所示：表2.3中间级齿面计算接触应力各项系数系数kAkvkHBkHazzzHEszBzNTzw值1.31.0251.1312.252189.80.87450.9950.91代入以上系数，计算接触应力F—+1按接触应力%=z„zBJ卄——kkk=928.74(N-'mm2)HstHEs0\|db—vH0HaQzz计算安全系数SH=質叫*=1-438>1故符合要求。HQHst3)高速级接触强度计算参照上述低速级接触强度计算步骤和公式，得到高速级齿面计算接触应力各项系数如下表所示：表2.4高速级齿面计算接触应力各项系数系数kkkkzzzzzzAvHPHaHE£PNTo值1.31.061.38312.33189.80.72940.9850.911代入以上系数，计算接触应力[Fu+1~"按接触应力&=zZZZ卄——kkk=961.76(Nmm2HstHE&B飞dbUvHPHa&zz计算安全系数―二H黑Nw=1.42〉1故符合要求。HOHst2.4本章小结依据技术指标，综合行星传动与平行轴传动的有点，选取一级行星派生型传动，采用太阳轮浮动的均载机构，计算确定了齿轮箱各级传动的参数。对行星传动进行受力分析，得出各级传动齿轮的受力结果。依据标准，进行静强度校核，结果符合安全要求。传动轴和箱体的设计高速轴的设计⑴最小轴直径的设计dA(A=105~135).n功率P=5060.2KW，转速n=294.79r/m,A取125。所以d=560mm(2)结构设如下图3.1高速轴3.2低速轴的设计

最小轴直径的设计d=A3—'n功率P=5378.8KW，转速n=1173.7所以d=140mm。根据轴承精度选择,图3.2图3.2低速轴齿轮采用的是斜齿，因此轴主要承受扭矩，其工作能力按扭转强度条件计算。根据以上情况，可得低速级传动轴的受力简图：0.20.2d3n-LTt]N/mm2由上受力图经行轴的强度校核扭转强度条件为：T—二二9.55xl06xTd>APmmn45钢IttTd>APmmn45钢Itt]=30〜40t=32.86N/mm2T=109770NmmT轴的强度满足要求。式中，tt——轴的扭转切应力，N/mm2；T——轴所受的扭矩，Nmm；WT——轴的抗扭截面模量，mm3；n轴的转速，r/min*；P——轴所传递的功率，Kw;t]——轴的许用扭转切应力，N/mm2；TA—取决于轴材料的许用扭转切应力It]的系数，其值可查机械设计手册。TTP30T==9.55X106X=9.55x106xtW0.2d3n0.2x553x262Tt=32.8N/mm<[c]=4CN/mmTT故满足强度要求。3.3中间轴的设计（1）最小轴直径的设计d=A3P功率P=5271・2KW，转速n=61・71r/m。所以d=600。，2）结构设如下：图3-5中间轴齿轮采用的是直齿，因此轴主要承受扭矩，其工作能力按扭转强度条件计算。根据以上情况，经行轴的强度校核。扭转强度条件为：

=9.55x106xP0.2d3n<=9.55x106xP0.2d3n<[t]TN/mm2Tmm45钢[)=30〜40根据条件，按照强度校核公式计算：t二—二9.55*105*-<T]tW0.2d3ntT故满足强度要求。3.4箱体箱体是齿轮箱的重要零件，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。箱体的设计应按照风力发电机组动力传动的布局、加工和装配、检查以及维护等要求来进行。应注意轴承支撑和机座支撑的不同方向的反力及其相对值，选取合适的支撑结构和壁厚，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。箱体的应力情况十分复杂且分布不均，只有采用现代计算方法，如有限元、断裂力学等辅以模拟实际工况的光弹实验，才能较为准确的计算出应力分布情况。利用计算机辅助设计，可以获得与实际应力十分接近的结果。采用铸铁箱体可发挥其减震性，易于切削加工等特点，适于批量生产。常用的材料有球墨铸铁和其他高强度铸铁。设计铸造箱体时应避免壁厚突变，减小壁厚差，以免产生缩孔和疏松等缺陷，用铝合金或其他轻合金制造的箱体，可使其重量较铸铁轻20%-30%，但从另一个角度考虑，轻合金铸造箱体，降低重量的效果并不显著。这是因为轻合金铸件的弹性模量较小，为了提高刚性，设计时常需加大箱体的受力部分的横截面积，在轴承座处加装钢制轴承套，相应部分的尺寸和重量都要加大。目前除了较小的风力发电机尚用铝合金箱体外，大型风力发电机应用轻铝合金铸件箱体已不多见。单件小批量生产时，常采用焊接或焊接与铸造相结合的箱体。为减少机械加工过程中和使用中的变形，防止出现裂纹，无论是铸造或是焊接箱体均应进行退火，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，在箱体上应设有观察窗。机座旁一般设有连体吊钩，供起吊整台齿轮箱用。4齿轮箱及其他部件的设计4.1齿轮箱的密封齿轮箱漏油是普遍的现象，但在使用过程中漏油严重影响生产的连续进行,而且对周围环境造成严重污染,对基础有腐蚀作用。漏油的原因:(1)根据波义耳———马略特定律PV=RT，随着运转时间的延长，齿轮箱内温度上升，而体积不变，故箱内压力增加。由于油的渗透性强,哪里密封不好就会在哪里渗漏。(2)齿轮箱稀油润滑系统设计和计算不合理。应按如下步骤:根据摩擦啮合部件的功率损失和发热量确定总耗油量;拟定润滑系统图;计算和选择润滑设备和元件;选定管路尺寸和验算液压损失然后绘制正式工作图。(3)装配操作不规范，如密封圈敲打后变形等。保证密封的原则方法:(1)均压。设置合适的通风罩。齿轮箱高速连续运转5min后，用手摸通风罩,感到压差很大，说明应加大或升高通风罩。(2)畅流。设置回油槽孔，使油不在轴头密封处存留以防逐渐渗出。(3)采用优质密封圈和密封剂齿轮箱轴伸部位的密封一方面应能防止润滑油外泄，同时也能防止杂质进入箱体内。常用的密封分为非接触式密封和接触式密封两种。非接触式密封。所有的非接触式密封不会产生磨损，使用时间长。轴与端盖孔间的间隙行程的密封，是一种简单的密封。间隙大小取决于轴的径向跳动大小和端盖孔相对于轴承孔的不同轴度。在端盖孔或轴颈上加工出一些沟槽，一般2~4个，形成所谓的迷宫，沟槽底部开有回油槽，使外泄的油液遇到沟槽改变方向输回箱体中。也可以在密封的内侧设置甩油盘，阻挡飞溅的油液，增强密封效果。接触式密封。接触式密封使用的密封件应密封可靠、耐久、摩擦阻力小。容易制造和装拆，应能随压力的升高而提高密封能力和有利于自动补偿磨损。常用的旋转轴用唇形密封有多种方式，可按标准选取。密封部位轴的表面粗糙度R=0.2-0.63•与密封圈接触的轴表面不允许有螺旋形机加工痕迹。轴端应有小于30°的导入角，倒角上不应有锐边、毛刺和粗糙的机加工残留物。本次设计采用了以上的第二种密封方式。4.2齿轮箱的润滑、冷却齿轮箱的润滑十分重要，良好的润滑能够对齿轮和轴承起到足够的保护作用。为此，必须高度重视齿轮的润滑问题，严格按照规范保持润滑系统长期处于最佳状态。齿轮箱常用飞溅润滑或强制润滑，一般以强制润滑为多见。因此，配备可靠的润滑系统尤为重要。在机组润滑系统中，齿轮泵从油箱将油液经过滤油器输送到齿轮箱的润滑系统，对齿轮箱的齿轮和传动件进行润滑，管道上装有各种监控装置，确保齿轮箱在运转过程中不会出现漏油。保持油液的清洁作业十分重要，即使是第一次使用新油，也要经过过滤，系统中除了主滤油器之外，最好加装旁路滤油器辅助滤油器，以确保油液的洁净。对润滑油的要求应考虑能够起齿轮和轴承的保护作用。此外好应具备以下性能：1.减少摩擦和磨损，具有高强的承载能力，防止胶合；2.吸收冲击和振动；防止疲劳点蚀；冷却，防锈，抗腐性。风力发电齿轮箱属于闭式齿轮动类型，其主要的失效形式是胶合与点蚀，故在选择润滑油时，重点是保证有足够的油膜厚度和边界膜强度。润滑油系统中的散热器常用风冷式的，有系统中的温度传感器控制，在必要时通过电控旁阀自动打开冷却回路，使油液先流经散热器散热，再进入齿轮箱。齿轮和轴承轴承在转动过程中他们实际都是非直接接触的，这中间是靠润滑油建成油膜，使其形成非接触性的滚动和滑动，这是油起到了润滑的作用。虽然他们是非接触的滚动和滑动，但由于加工精度等原因使其转动中有相对的滚动摩擦和滑动摩擦，这都会产生一定的热。如果这些热量在转动的过程中没有消除，势必会越积越多，最后导致高温烧毁齿轮和轴承，因此齿轮和轴承在转动过程中必须用润滑油来进行冷却。所以润滑油一方面其润滑作用，另一方面起冷却的作用。对于齿轮箱，对于所有齿轮和轴承，我们都要采用强制润滑，原因有：1)强制润滑可以进行监控，而飞溅润滑是监控不了的，从安全性考虑，采用强制润滑。2)现在风机齿轮箱功率越来越大，其功率损耗也越来越大因此飞溅润滑已经满足不了冷却的作用这是需要进行强制润滑的。4.3轴系部件的结构设计轴承盖用以固定轴承，调整轴承间隙及承受轴向载荷，轴承盖有嵌入式和凸缘式两种。嵌入式轴承盖结构简单，为增强其密封性能，常与O形密封圈配合使用。由于调整轴承间隙时，需打开箱盖，放置调整垫片，比较麻烦，故多用于不调整间隙的轴承处。凸缘式轴承盖，调整轴承间隙比较方便，密封性能好，应用较多。凸缘式轴承盖多用铸铁铸造，应使其具有良好的铸造工艺性。对穿通式轴承盖，由于安装密封件要求轴承盖与轴配合处有较大厚度，设计时应使其厚度均匀。当轴承采用箱体内的润滑油润滑时，为了将传动件飞溅的油经箱体剖分面上的油沟引入轴承，应在轴承盖上开槽，并将轴承盖的端部直径做小些，以保证油路畅通。4.4行星架的结构设计行星架是行星齿轮传动中的一个重要构件，在行星轮系中起着承上启下的作用，直接影响齿轮箱的寿命和齿轮箱的噪声，一个结构合理的行星架应当是外廓尺寸小，质量小，具有足够的强度和刚度，动平衡性好，能保证行星轮间的载荷分布均匀，而且应具有良好的加工和装配工艺。从而，可使行星齿轮传动具有较大的承载能力，较好的传动平稳性以及较小的振动和噪声，为此对行星架的制作有以下要求：1)行星架的材料应选用QT700，42CMA,其力学性能应分别符合rnGB/T1348-2009,BG/T3077-1999,JB/T6402-2008的规定，也可使用其他具有等效力学性能的材料。行星轮孔系与行星架回转轴线的位置度应符合GB/T1184-1996的5级精度的规定。行星架精加工后应进行静平衡。行星架若才赢焊接结构,则应对其焊缝进行超声波探伤,并应符合GB/T11345-1989的要求。4.5传动齿轮箱箱体设计箱体是传动齿轮箱的重要零件,它承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反力。箱体必须有足够的刚性去承受力和力矩的作用,防止变形,保证质量。箱体的设计应该按照风力发电机组动力传动的布局,加工和装配,检查以及维护等要求来进行。应该注意轴承支撑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,增加必要的加强筋。同时加强筋的位置必须与引起箱体变形的作用力方向一致。对于传动齿轮箱箱体材料选择,采用铸铁箱体可以发挥其减震性,易于切削加工等特点,适于批量生产。常用的材料有球墨铸铁和其他的高强度铸铁和其他高强度铸铁。设计铸造箱体时应该避免壁厚突变,减小厚壁差,以免产生缩孔和缩松等缺陷。在大型风力发电机的单件小批量生产时,多采用的是焊接或焊接与铸造相结合的箱体。为减少机械加工过程中和使用中的变形,为防止出现裂纹,无论是铸造或是焊接箱体均应该进行退火,时效处理,以消除内应力。为了方便装配和定期检查齿轮的啮合情况,在箱体上应该设有观察窗。机座一旁设有连体吊钩,供起吊整台齿轮箱5齿轮箱的使用及其维护安装要求齿轮箱的主动轴与叶片轮毂的联接必须可靠紧固。输出轴若直接与电机联接时，应采用合适的联轴器，最好的弹性联轴器，并串接起来保护作用的安全装置。齿轮箱轴线上和与之相连接的部件的轴线应保证同心，其误差不得大于所选用联轴器的齿轮箱的允许值，齿轮箱体上也不允许承受附加的扭转力。齿轮箱安装后用人工搬动应灵活，无卡滞现象。打开观察窗盖检查箱体内部机件应无锈蚀现象。用涂色法检验，齿面接触斑点应达到技术条件的要求。定期更换润滑油第一次换油应在首次投入运行500h后进行，以后的换油周期为每运行5000-10000h。在运行过程中也要注意箱体内油质的变化情况，定期取样化验，若油质发生变化，氧化生成物过多并超过一定比例时，就应及时更换。齿轮箱应每半年检修一次，备件应按照正规图纸制造，更换新备件后的齿轮箱，其齿轮啮合情况符合技术条件的规定，并经过试运转与载荷试验后再正式使用齿轮箱常见故障齿轮箱的常见故障有齿轮损伤、轴承损坏、断轴和渗透油、油温高等。齿轮损伤的影响因素很多，包括选材、设计计算、加工、热处理、安装调试、润滑和使用维护等。5.3.1齿轮损伤常见的齿轮损伤有齿面损伤和轮齿折断两类。过载折断总是由于作用在轮齿上的应力超过其极限应力，导致裂纹迅速扩展，常见的原因有突然冲击超载、轴承损坏、轴弯曲或较大硬物挤入啮合区等。断齿断口有呈放射状花样的裂纹扩展区，有时断口处有平整的塑性变形，断口副常可拼合。仔细检查可看到材质的缺陷，齿面精度太差，轮齿根部未作精细处理等。在设计中应采取必要的措施，充分考虑预防过载因素。安装时防止箱体变形，防止硬质异物进入箱体内等等。疲劳折断发生的根本原因是轮齿在过高的交变应力重复作用下，从危险截面（如齿根）的疲劳源起始的疲劳裂纹不断扩展，使轮齿剩余截面上的应力超过其极限应力，造成瞬时折断。在疲劳折断的发源处，是贝状纹扩展的出发点并向外辐射。产生的原因是设计载荷估计不足，材料选用不当，齿轮精度过低，热处理裂纹，磨削烧伤，齿根应力集中等等。故在设计时要充分考虑传动的动载荷谱，优选齿轮参数，正确选用材料和齿轮精度，充分保证加工精度消除应力集中集中因素等等。随机断裂的原因通常是材料缺陷，点蚀、剥落或其他应力集中造成的局部应力过大，或较大的硬质异物落入啮合区引起。齿面疲劳是在过大的接触剪应力和应力循环次数作用下，轮齿表面或其表层下面产生疲劳裂纹并进一步扩展而造成的齿面损伤，其表现形式有早期点蚀、破坏性点蚀、齿面剥落、和表面压碎等。特别是破坏性点蚀，常在齿轮啮合线部位出现，并且不断扩展，使齿面严重损伤，磨损加大，最终导致断齿失效。正确进行齿轮强度设计，选择好材质，保证热处理质量，选择合适的精度配合，提高安装精度，改善润滑条件等，是解决齿面疲劳的根本措施。胶合是相啮合齿面在啮合处的边界膜受到破坏，导致接触齿面金属融焊而撕落齿面上的金属的现象，很可能是由于润滑条件不好或有干涉引起，适当改善润滑条件和及时排除干涉起因，调整传动件的参数，清除局部载荷集中，可减轻或消除胶合现象。5.3.2轴承损坏轴承是齿轮箱中最为重要的零件，其失效常常会引起齿轮箱灾难性的破坏。轴承在运转过程中，套圈与滚动体表面之间经受交变负荷的反复作用，由于安装、润滑、维护等方面的原因，而产生点蚀、裂纹、表面剥落等缺陷，使轴承失效，从而使齿轮副和箱体产生损坏。据统计，在影响轴承失效的众多因素中，属于安装方面的原因占16%,属于污染方面的原因也占16%，而属于润滑和疲劳方面的原因各占34%。使用中70%以上的轴承达不到预定寿命。因而，重视轴承的设计选型，充分保证润滑条件，按照规范进行安装调试，加强对轴承运转的监控是非常必要的。通常在齿轮箱上设置了轴承温控报警点，对轴承异常高温现象进行监控，同一箱体上不同轴承之间的温差一般也不超过15°C,要随时随地检查润滑油的变化，发现异常立即停机处理。5.3.3断轴断轴也是齿轮箱常见的重大故障之一。究其原因是轴在制造中没有消除应力集中因素，在过载或交变应力的作用下，超出了材料的疲劳极限所致。因而对轴上易产生的应力集中因素要给予高度重视，特别是在不同轴径过渡区要有圆滑的圆弧连接，此处的光洁度要求较高，也不允许有切削刀具刃尖的痕迹。设计时，轴的强度应足够，轴上的键槽、花键等结构也不能过分降低轴的强度。保证相关零件的刚度，防止轴的变形，也是提高轴的可靠性的相应措施。油温高齿轮箱油温最高不应超过80°C，不同轴承间的温差不得超过15°C。一般的齿轮箱都设置有冷却液。心得体会经过了这么长时间的毕业设计，期间还经历了很长时间的工作寻找时期，可以说毕业设计的时间还是耽误了很多，所以对于我来说，毕业设计的时间实在是少了很多。开始设计到现在，其实自己体会很深的还是设计的难度，这可以说是自己第一次亲自的设计画图等一系列的工作，没有了像以前的同学合作共同设计一项任务时的轻松。经过了这么久的设计，我还是感觉到在大学期间学到的知识是有多么的少，虽然现在后悔已经来不及了，匮乏的基础知识还是给自己的毕业设计增加了很多的不必要的难度，可以看出自己在这个设计上的难度是在一直的增加的。可是，当我能画出哪怕一个齿轮，当我算出行星系的基本数据时候，那时候的快乐才是自己感觉的，别人是替代不了的。虽然我们平时都知道风电机组，却没有真正的了解过这一机械装备，对于它内部的结构更是一窍不通，但在查阅资料和询问之后，我不仅对风电机有了初步的了解。更让我领略了机械的魅力，更准确的说是机构设计的魅力。让我觉得，机械设计就是把复杂的东西简单化，我们所做出来的东西一定要简洁，明了。无论多复杂的机构都是由最简单的基本杆组和齿轮传动所组成，无论多难的设计都可以化整为零，一个个的解决。设计接近尾声，只能说，一切的经历真的使自己成长了很多，包括知识和技能上的成长，还是在人品和素质上的提高。这是一个机会，一辈子也就这么一次的机会，这样的机会很难得也很珍贵。是之前从来没有经历过的。对我们来说是一次全方面专业知识的淬炼，在这次毕业设计中，我想办法利用了机械设计，机械原理等课内的知识，还去图书馆，去网络上了解更多的我们从来没有接触过机器。从而获得了很多新鲜的知识，对于此次毕业设计风电增速箱，我觉得自己做的并不是很好，但是从中的确学到了很多，比如减速器和增速器、比如一级减速器和二级减速器结构等，我都去研究并参考了机械手册，也寻找了很多图纸，过程是很心酸辛苦的，即便做的不好，我也觉得值得了，毕竟努力过付出过。致谢毕业设计已经结束，意味着大学学习生活即将结束，更意味着一个新的生活即将开始。大学生活是美好的，毕业设计是大学四年中最具有意义的一项实践性学习活动，不仅给予了我们一次将所学知识综合运用的机会，使我们能够再一次加以巩固，而且它非常贴近实际，正所谓“实践出真知”。本次毕业设计是在老师的悉心指导下完成的。从论文的选题到最后设计的完成，沈老师都认真指导、耐心帮助和严格要求，最终也使我得以完成最后的论文。同时在设计过程中，周围的同学也给予了我不少的帮助，大家一起研究、学习，在轻松地学习氛围下学习研究能力得到了一定的提高，也更贴切的体会到了同学之间友好互助的情意。在论文完稿过程中，参考了有关教科书、资料、手册和文章的内容，在此向所有参考文献中的作者致以崇高的敬意和感谢。最后，特别感谢在我毕业设计期间所有关心我的人，因为有了他们的给与我的帮助和支持