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可再生能源實(shí)驗(yàn)室測功機(jī)試驗(yàn)臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)測試
Walt Musial
國家風(fēng)力技術(shù)中心
國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室
1617科爾大道
金，共80401
布瑞恩麥尼夫
麥尼夫輕工業(yè)
43狗島路
港灣，我04642
簡要
一個(gè)新的設(shè)施，最近已完成在國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室，允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)組零部件全面的測功機(jī)測試，完成從發(fā)電機(jī)的風(fēng)力渦輪機(jī)。本裝置設(shè)有一個(gè)2.5兆瓦的電機(jī)，變速箱，變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供軸扭矩。模擬風(fēng)力機(jī)載荷MTS疲勞額定負(fù)荷系統(tǒng)等方面充分集成到設(shè)備。這將允許致動(dòng)器循環(huán)荷載的結(jié)構(gòu)在各種不同的方式。[正式]安然水平風(fēng)公司已安裝在設(shè)備的第一測試文章幫助成熟z-750系列風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的。試驗(yàn)包括制動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)整，耐久性試驗(yàn)齒輪和軸承元件，和結(jié)構(gòu)測試。功率變換器的某些方面也將測試。本文介紹了測功機(jī)試驗(yàn)臺及其功能。同時(shí)，在綜述水平測試的程序設(shè)計(jì)。
介紹
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有較大的增長在過去的十年。雖然風(fēng)電成本繼續(xù)下降，每個(gè)渦輪機(jī)成本增加使原型的實(shí)證方法現(xiàn)場測試的風(fēng)險(xiǎn)越來越大。新的渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)，兆瓦級的原型是昂貴的建立和長，單位生產(chǎn)時(shí)間消耗的生產(chǎn)利潤。隨著從原型到生產(chǎn)典型高峰，制造商經(jīng)常發(fā)現(xiàn)問題太晚在大批量生產(chǎn)運(yùn)行修正開始。這會(huì)導(dǎo)致過早的失敗和昂貴的改造。風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)問題的記錄，包括變速箱故障和磨損，軸承生活問題，發(fā)電機(jī)故障，控制器引起的系統(tǒng)故障。[1-3]中可能出現(xiàn)的問創(chuàng)業(yè)初始，極端風(fēng)力條件下，或可長期操作相關(guān)。在任何情況下，本及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決這些問題是在第一單元測試。多年來，汽輪機(jī)制造商依靠實(shí)驗(yàn)室檢測的關(guān)鍵部件，如轉(zhuǎn)子葉片，減少災(zāi)難性的現(xiàn)場事件的潛在風(fēng)險(xiǎn)。[ 4 ]直到現(xiàn)在他們沒訪問能夠測試整個(gè)渦輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)施，這是所有發(fā)電機(jī)組的核心設(shè)計(jì)。在國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）一種新的測功機(jī)試驗(yàn)臺（DTB）建試驗(yàn)風(fēng)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)和組件。從行業(yè)要求出世，這個(gè)新設(shè)施極大地改變到新的風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)的評價(jià)方法。它現(xiàn)在被用來驗(yàn)證的安然[傳動(dòng)設(shè)計(jì)正式標(biāo)記物]風(fēng)公司z-750渦輪系統(tǒng)。
設(shè)備描述
一般描述DTB位于美國國家風(fēng)能技術(shù)中心（NWTC）是致力于測試風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)。這些通常是由一些組合的齒輪，聯(lián)軸器，軸承，軸，潤滑系統(tǒng)，齒輪箱，發(fā)電機(jī)，控制器，和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。這可以從100千瓦到2.5兆瓦的范圍內(nèi)測試系統(tǒng)大小。測功機(jī)的原動(dòng)機(jī)是一個(gè)可變的扭矩，變速電動(dòng)機(jī)控制的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這4160伏電機(jī)連接到一個(gè)2.5兆瓦，三級行星變速箱。測試文章可以連接到電機(jī)的高速軸，齒輪箱的低速軸，或一個(gè)中間軸不同的速度和扭矩的要求
顯示了作戰(zhàn)能力在每個(gè)軸。系統(tǒng)的控制邏輯允許的轉(zhuǎn)矩和速度
可連續(xù)變化，通過手動(dòng)操作命令信號或自動(dòng)的方式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（SCADA）命令。圖1顯示了兩個(gè)信封，每一個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的選項(xiàng)，和一個(gè)實(shí)際的風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)極限曲線，用以指導(dǎo)測功機(jī)設(shè)計(jì)。一組有代表性的實(shí)際風(fēng)渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)（現(xiàn)有的或計(jì)劃中的）被表示為在這個(gè)圖的數(shù)據(jù)點(diǎn)。這些數(shù)據(jù)根據(jù)其額定輸出乘以1.3和1.7之間的一個(gè)因素。這是近似的的縮放因子，必須加快全壽命運(yùn)行到幾個(gè)月耐久性試驗(yàn)在連續(xù)運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)電機(jī)和變速箱總成安裝到169千牛（38噸）升降驅(qū)動(dòng)表中有一個(gè)3.05-m垂直調(diào)整的跨度（10英尺），傾斜的能力從0到6度。一個(gè)1.52（5深口袋駕駛臺下允許表的頂部將0.61米（2-ft）以下等級水平。這個(gè)范圍可以容納多達(dá)3.05-m軸的高度（10英尺）。
圖1–2.5?MW?NREL的測功機(jī)操作信封表2
借助四222千牛（50噸）電動(dòng)螺旋千斤頂，位于該表的每一個(gè)角落。螺旋千斤頂操作前后對絕對定位精度25毫米。（0.010）。這種微調(diào)能力是內(nèi)置到系統(tǒng)允許精確分析傳動(dòng)系統(tǒng)的軸和試驗(yàn)第軸。在適當(dāng)?shù)奈恢脮r(shí)，表在兩反應(yīng)墻對駕駛臺兩側(cè)的垂直面。此連接采用10角鋼支架，螺栓通過驅(qū)動(dòng)表和附加到垂直的T型槽，加工成鋼板安裝到墻上。表的運(yùn)動(dòng)是由一個(gè)可編程邏輯控制器（PLC）接收的確切位置從絕對位置編碼器位于每個(gè)螺旋千斤頂?shù)男畔?。這一信息翻譯由PLC為軸的位置和角度。設(shè)施配備222千牛（50噸）電動(dòng)橋式起重機(jī)運(yùn)行的長度
27.4-m（90英尺）試驗(yàn)臺。吊掛件與多個(gè)控制速度的能力。所有的測試文章被機(jī)械地耦合到一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的三軸。測試的物品安裝槽底板嵌入在工廠的南端地或網(wǎng)格或者網(wǎng)墻
圖2–2.5?MW?NREL的測功機(jī)電源回路
圖2顯示的電源回路原理圖工具布局A的形成。一軸功率轉(zhuǎn)換設(shè)備它是由測試電氣能源和可再生反饋到第nwtc電網(wǎng)在480。4160伏供電或電壓，它是由reused測功機(jī)。只有在傳動(dòng)系統(tǒng)的功率損失需要添加的屬性顯示在外面10樞紐設(shè)施保持系統(tǒng)運(yùn)行在穩(wěn)定州立。圖3顯示圖片的數(shù)據(jù)。軸的彎曲載荷大多數(shù)的風(fēng)力渦輪機(jī)所經(jīng)歷的負(fù)載是由風(fēng)的作用在主軸軸的扭轉(zhuǎn)和彎曲。雖然許多動(dòng)力，動(dòng)力，和慣性的影響結(jié)合創(chuàng)建不同的負(fù)載情況下，每一個(gè)的情況下，通?？梢詼p少扭轉(zhuǎn)和在主軸/集線器接口彎曲反應(yīng)。軸的扭轉(zhuǎn)往往是足夠的測試時(shí)一個(gè)給定的設(shè)計(jì)齒輪的齒。然而，如果一個(gè)測試的齒輪箱，軸承，軸，支撐臺板，偏航，或聯(lián)軸器所需的附加軸的彎曲載荷，必須應(yīng)用。測功機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)扭振，但彎曲載荷必須由側(cè)加載千斤頂軸系統(tǒng)中的應(yīng)用。在國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室測功機(jī)，軸彎曲采用液壓伺服系統(tǒng)，和致動(dòng)器能夠提供高達(dá)110的事。采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，軸的彎曲載荷，可隨著渦輪軸的旋轉(zhuǎn)同步給周期，每轉(zhuǎn)軸荷載，代表
再生能力
在現(xiàn)場的瞬態(tài)條件下的風(fēng)力渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組件可能加速或減速。對于一個(gè)真正的模擬操作風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和剛度測功機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件應(yīng)符合試驗(yàn)第轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。這是不容易的因?yàn)檫@些屬性是固定在測功機(jī)的設(shè)計(jì)。然而，慣性匹配可以通過增加或減少測功機(jī)驅(qū)動(dòng)功率閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制下的實(shí)現(xiàn)模擬代表轉(zhuǎn)子質(zhì)量屬性的期望加速度，在轉(zhuǎn)速變化。剛度匹配可以通過聰明的杰克軸設(shè)計(jì)完成。
轉(zhuǎn)矩和速度控制
測功機(jī)驅(qū)動(dòng)可以運(yùn)行在轉(zhuǎn)矩控制和速度控制。在速度控制模式，測功機(jī)可以使用手動(dòng)油門控制盤操作，或者它可以通過驅(qū)動(dòng)按照規(guī)定的速度時(shí)程的SCADA系統(tǒng)。這種模式具有測試是有用的z-750變頻調(diào)速系統(tǒng)的。然而，速度控制可能不是很有用，當(dāng)測試一個(gè)固定的速度異步或同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，或當(dāng)慣性的影響是至關(guān)重要的。轉(zhuǎn)矩控制模式并不完全決定它，但它可能證明比起發(fā)電功率輸出固定或可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載更加有用的影響我們的發(fā)電機(jī)速度。瞬態(tài)負(fù)載測試將需要平衡旋轉(zhuǎn)慣性扭矩控制t。最終目標(biāo)是形成風(fēng)的力量測試項(xiàng)目的實(shí)際控制系統(tǒng)來符合時(shí)間隨機(jī)的湍流波動(dòng)。在閉環(huán)控制，隨機(jī)風(fēng)時(shí)程將被用來計(jì)算實(shí)時(shí)扭矩值，通過簡單的C?P與（能量系數(shù)與尖端的速度比）的傳輸函數(shù)，或通過更復(fù)雜的代碼，如aerodynamics你aerodyn?[?6 ]。渦輪來控制適當(dāng)?shù)目刂破鞴δ堋?
類型的測試
測功機(jī)測試的主要優(yōu)點(diǎn)是負(fù)載測試機(jī)可以控制。的測試類型分為風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)測試和組件測試。在大多數(shù)情況下，你必須安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測試，代表從傳遞荷載測功機(jī)。一些測試，也可以進(jìn)行不同類型的描述如下，但作者不認(rèn)為這是一個(gè)詳盡的列表。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的耐久性試驗(yàn)?zāi)途眯栽囼?yàn)是為了證明一個(gè)特定的疲勞壽命驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)確保它能夠生存的整個(gè)工作生活。耐久性試驗(yàn)將涉及3至6在高負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行數(shù)月，結(jié)合重大應(yīng)用瞬態(tài)負(fù)載的情況下，長期運(yùn)行的頻譜部分。橫向軸載荷作用下模擬實(shí)際操作轉(zhuǎn)子彎曲載荷可以影響齒面接觸應(yīng)力和疲勞，軸承的壽命，軸和軸承座。這樣的測試要求高，穩(wěn)態(tài)功率水平的變化1.3～1.7倍的額定容量的測試文章。紊流風(fēng)場模擬測試，這種測試可以證明的正確操作在設(shè)計(jì)工況下汽輪機(jī)系統(tǒng)。操作底盤測功機(jī)的閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制下，隨機(jī)風(fēng)場數(shù)據(jù)是利用反饋計(jì)算機(jī)算法轉(zhuǎn)換成軸扭矩從機(jī)的控制系統(tǒng)。嚴(yán)重的隨機(jī)轉(zhuǎn)矩條件下可以模擬要求在所有條件下其操作的限制進(jìn)行汽輪機(jī)控制系統(tǒng)。加載事件測試這種類型的測試可以在極端測量汽輪機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)操作事件。短暫的扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷對傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬真實(shí)的戰(zhàn)場環(huán)境。慣性系統(tǒng)可以使用的再生動(dòng)力系統(tǒng)匹配電動(dòng)變速傳動(dòng)。橫向彎曲載荷可應(yīng)用于傳動(dòng)軸，軸承座或偏航系統(tǒng)重現(xiàn)特定的設(shè)計(jì)載荷情況。這種類型的測試還包括自誘導(dǎo)載荷來自測試機(jī)的部件和不進(jìn)入轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。的例子自我誘導(dǎo)的負(fù)載制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)，發(fā)電機(jī)故障和電網(wǎng)故障，發(fā)電機(jī)和正常瞬變。
組件測試
個(gè)別渦輪組件的測試通常是測試與評價(jià)的重點(diǎn)對于整個(gè)系統(tǒng)。測功機(jī)可以用于各種其他成分的排位和優(yōu)化在現(xiàn)場安裝或改造?？梢赃M(jìn)行測試，對齒輪，軸，軸承座，軸承，分離發(fā)電機(jī)，控制系統(tǒng)，制動(dòng)，或電力電子元件，有或沒有代表性的傳動(dòng)組件。變速箱試驗(yàn)齒輪箱在風(fēng)在廣泛的現(xiàn)場故障源工業(yè)。它往往是必要的測試，評估，優(yōu)化操作對個(gè)人的影響變速箱的部件來增加或降低機(jī)組成本的生活。[ 7 ]一些齒輪測試包括：
?評估和減輕輪齒載荷，
?評估和減輕齒面磨損機(jī)制，
?優(yōu)化齒輪的潤滑性能，
?優(yōu)化油系統(tǒng)的水平，溫度，和過濾，
?齒輪箱應(yīng)力測量，
?軸承壽命試驗(yàn)，并
?評估適當(dāng)?shù)凝X嚙合特定負(fù)載下建立最佳的鉛和剖面修改。
發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)是–的動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。它有助于顯著的機(jī)械載荷產(chǎn)生在正常運(yùn)行時(shí)，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)故障。的一系列的條件下發(fā)電機(jī)的性能可以被分離和測試儀。一些
發(fā)電機(jī)測試包括：
?評價(jià)電氣特性和故障設(shè)置，
?評價(jià)軸承和繞組溫度，
?轉(zhuǎn)矩速度特性測量，
?確定起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和極端的操作性能，
?決定系統(tǒng)的效率，并
?瞬態(tài)響應(yīng)特性的測量。
控制系統(tǒng)也可以在這個(gè)過程中，評估。這可能是高還是低了—速度（直接驅(qū)動(dòng)）發(fā)電機(jī)。為了適應(yīng)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，可能有過大的徑向尺寸，測功機(jī)測試灣坑建成的試驗(yàn)段地板。在這些情況下，部分發(fā)電機(jī)可以安裝在坑下面的測試海灣地板表面允許適當(dāng)?shù)母叨纫詼y功器輸出軸匹配。
z-750測試程序
z-750背景在成本分擔(dān)美國能源部（DOE）/國家贊助的近期研究測試包，探測器已經(jīng)努力降低的安裝成本制造z-750系列風(fēng)機(jī)通過價(jià)值工程方法。支持活動(dòng)，公司已經(jīng)安裝了一個(gè)完全風(fēng)力渦輪機(jī)配置z-750?DTB評估降低成本的同時(shí)保持措施高質(zhì)量和忍受各種操作和設(shè)計(jì)荷載的能力。我們的組件在這個(gè)測試程序集中包括齒輪箱，齒輪元件，軸和聯(lián)軸器，制動(dòng)器，并且，在某種程度上，軸承。測試分成四個(gè)階段：接觸試驗(yàn)，制動(dòng)事件測試，微點(diǎn)蝕試驗(yàn)，和耐久性試驗(yàn)。這些討論，下面描述的目標(biāo)和過程。
齒面接觸試驗(yàn)
接觸進(jìn)行測試，以驗(yàn)證正確嚙合的齒輪彈性加載過程中發(fā)生的。這是在不同的負(fù)載水平，使用一個(gè)簡單的齒輪齒的繪畫技術(shù)顯示磨損模式。測功機(jī)需要做的好是因?yàn)樗茈y選擇正確的并在該領(lǐng)域的可重復(fù)的負(fù)載水平。結(jié)果在設(shè)計(jì)，制造，質(zhì)量流程優(yōu)化齒輪的幾何形狀和材料。這一階段已成功完成的z-750s當(dāng)前齒輪組。圖4顯示的例子的磨損模式觀察運(yùn)行在恒定的負(fù)荷測功機(jī)1小時(shí)。
圖4控制磨損–齒輪的齒面接觸模式的例子
制動(dòng)事件試驗(yàn)
z-750配備的高速，安裝于軸上，彈簧制動(dòng)，液壓釋放允許停止轉(zhuǎn)子在發(fā)生變槳系統(tǒng)故障。這種冗余的系統(tǒng)稱為在國際電工委員會(huì)（IEC）標(biāo)準(zhǔn)[ 8 ]和德國勞埃德批準(zhǔn)文件。第二階段的測試減少制動(dòng)反應(yīng)載荷通過驅(qū)動(dòng)器列車雖然各種減災(zāi)技術(shù)。這些技術(shù)主要集中在減少制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間而提供的轉(zhuǎn)矩上升溫和和傳動(dòng)反應(yīng)。作為通過麥尼夫等人[ 3 ]在一個(gè)顯而易見的和可重復(fù)的描述，在這些傳動(dòng)負(fù)載減少方式可以允許同時(shí)減少需要正確地傳遞這些載荷系統(tǒng)元素。這，當(dāng)然，會(huì)導(dǎo)致較低的成本結(jié)構(gòu)。這一階段也被成功地完成后四這種方法的評價(jià)。
微點(diǎn)蝕試驗(yàn)
微觀點(diǎn)蝕的研究3期目前正在進(jìn)行中，而且，迄今為止，最激動(dòng)人心的一，因?yàn)樗梢杂幸粋€(gè)廣泛的各大未來風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計(jì)實(shí)踐的影響水輪機(jī)模型。微蝕是失敗的前兆，是目前流行的水平在整個(gè)風(fēng)電行業(yè)（以及其他行業(yè)以及），是保形的嚙合齒輪表面研磨效果結(jié)果在細(xì)（100μ?在）在表面凹坑。這些細(xì)坑在短時(shí)間內(nèi)深的凹陷，穿透硬化。最終，可適當(dāng)降低表面?zhèn)鬟f和反應(yīng)的接觸應(yīng)力和彎曲載荷，從而加劇了問題。這可以導(dǎo)致宏觀點(diǎn)蝕和牙齒過早失效。安然想主動(dòng)減少任何可能的過早損壞曝光評估各種微點(diǎn)蝕的抑制方法。鑒于此，3階段的重點(diǎn)是第一建立基線微點(diǎn)蝕特征通過加速高功率操作。然后各種緩解方法將測試量化的差異。這些方法包括替代表面光潔度，表面電鍍，和特種潤滑油和潤滑油添加劑。
耐久性試驗(yàn)
最后，最好從測試前三個(gè)階段產(chǎn)生的產(chǎn)品配置進(jìn)行評估在4期的最后一個(gè)耐力測試。這耐力測試將需要幾乎連續(xù)運(yùn)行（與系統(tǒng)檢查和定期維修站）在一個(gè)約1000千瓦的功率水平的升高。此外，非對稱轉(zhuǎn)子載荷，橫擺動(dòng)作，和其他的時(shí)刻也會(huì)使用軸模擬—安裝執(zhí)行器。預(yù)計(jì)1600至2000小時(shí)將需要模擬人生30年這個(gè)測試的文章。
總結(jié)
一個(gè)2.5兆瓦發(fā)電測功機(jī)設(shè)施已在國家風(fēng)能技術(shù)中心完成的，和首先本文試驗(yàn)已被用于成熟的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和設(shè)備本身。預(yù)計(jì)這種新的測試工具將加快風(fēng)力渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)的成熟和更可靠的風(fēng)在100千瓦范圍內(nèi)的渦輪機(jī)和傳動(dòng)部件2.5兆瓦。設(shè)計(jì)工況模擬可以直接應(yīng)用到完整的風(fēng)力渦輪機(jī)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。這樣的模擬包括瞬態(tài)加載，耐力測試，和不尋常的負(fù)載的情況下。齒輪的齒面接觸測試和制動(dòng)負(fù)荷減輕測試已經(jīng)完成了第一次測試的文章，z-750安然風(fēng)。齒輪齒微點(diǎn)蝕機(jī)制和減災(zāi)技術(shù)測試現(xiàn)在下路，和渦輪不久將進(jìn)行一個(gè)完整的系統(tǒng)耐久性試驗(yàn)。
致謝
我們要感謝許多人幫助在測功機(jī)發(fā)展活動(dòng)他繼續(xù)做這個(gè)項(xiàng)目的順利。特別感謝風(fēng)公司和安然支持和耐心，他們在等待測功機(jī)可完成了促進(jìn)第一次測試的文章。個(gè)別的，我們要認(rèn)識到安然風(fēng)人員，湯姆nemila，阿米爾米哈伊爾，克雷格克里斯特森，卡爾寇地茲，杰森諾特，弗萊德大通。同時(shí)，我們將想認(rèn)識齒輪神，ED海勒拜克和鮑勃errichello誰已經(jīng)提供了非常寶貴的建議在整個(gè)項(xiàng)目。教育過度，導(dǎo)致技術(shù)人員和測功機(jī)的看門人在NREL也稱贊他的部分保持平穩(wěn)運(yùn)行。感謝托比Stensland，科羅拉多永融，誰負(fù)責(zé)SCADA系統(tǒng)及軟件開發(fā)。吉姆和約翰遜李明博fingersh貢獻(xiàn)從一開始就和在使測功機(jī)在線工具。最后，感謝美國能源部資金支持致力于發(fā)展測功試驗(yàn)臺。
參考文獻(xiàn)
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湖南科技大學(xué)
2014屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題 目
5MW風(fēng)電齒輪增速箱設(shè)計(jì) (一級行星輪系)
作者姓名
李經(jīng)緯
學(xué)號
1103010505
所學(xué)專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
1、 研究的意義：
近年來，隨著人們對風(fēng)力發(fā)電越來越重視，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。目前，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電中仍占據(jù)重要位置，而由于風(fēng)電齒輪箱的故障率較高，風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵技術(shù)一直是困擾我國乃至世界風(fēng)電快速發(fā)展的重要因素，特別是隨著風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量的不斷增大，大型風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)制造需要考慮的因素越來越多。風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，齒輪箱往往過早損壞，其原因主要是風(fēng)電齒輪箱軸承在復(fù)雜載荷作用下的壽命難以估算，導(dǎo)致軸承過早損壞，另一方面，盡管目前對軸承壽命的計(jì)算方法繁多，但并沒有能準(zhǔn)確評估現(xiàn)代軸承壽命的計(jì)算方法。此外，對風(fēng)電齒輪箱的強(qiáng)度計(jì)算方法和復(fù)雜載荷的處理也不盡完善。因此，對大型風(fēng)電齒輪箱裝置展開系統(tǒng)、深入的分析研究對風(fēng)電的發(fā)展具有重要意義。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風(fēng)電裝備制造業(yè)的繁榮，風(fēng)電齒輪箱作為風(fēng)電機(jī)組的核心部件，倍受國內(nèi)外風(fēng)電相關(guān)行業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。但由于國內(nèi)風(fēng)電齒輪箱的研究起步較晚，技術(shù)薄弱，特別是兆瓦級風(fēng)電齒輪箱，主要依靠引進(jìn)國外技術(shù)。因此，急需對兆瓦級風(fēng)電齒輪箱進(jìn)行自主開發(fā)研究，真正掌握風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)制造技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)國產(chǎn)化目標(biāo)。
2、國內(nèi)外現(xiàn)狀：
目前我國兆瓦以上風(fēng)電此輪增速箱多依賴國外廠商供應(yīng)，成本居高不下，不利于風(fēng)電市場進(jìn)一步大規(guī)模開發(fā)，風(fēng)電技術(shù)的國產(chǎn)化是我國發(fā)展風(fēng)電領(lǐng)域正在面臨的重要問題。而風(fēng)電增速箱又是風(fēng)電機(jī)組的核心部件，是瓶頸技術(shù)。風(fēng)電增速箱的結(jié)構(gòu)往往受機(jī)組選型的限制。國內(nèi)研制出的風(fēng)電齒輪箱多是對國外產(chǎn)品的單一仿制。由于國內(nèi)外的風(fēng)況、氣候不同，風(fēng)電場使用保養(yǎng)水平、原材料以及制造安裝水平都不一樣，大部分進(jìn)口或國產(chǎn)齒輪箱都運(yùn)行不足三年而停機(jī)或者大修。原因有很多其中設(shè)計(jì)落后是最重要一方面。
國內(nèi)風(fēng)電齒輪箱的發(fā)展前景廣闊，但是起步晚、技術(shù)落后。機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。在設(shè)計(jì)的過程中綜合考慮體積、質(zhì)量、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全、實(shí)際結(jié)構(gòu)、熱處理、工作壞境等因素，指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐沒事我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)當(dāng)前發(fā)展的要?jiǎng)?wù)。
3、存在的問題：
雖然我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)發(fā)展很迅猛，我國也已經(jīng)進(jìn)入風(fēng)電大國的行列。但是其生產(chǎn)設(shè)備卻長期依賴進(jìn)口，在自主開發(fā)風(fēng)力發(fā)電機(jī)等方面還比較落后。特別是像兆瓦級風(fēng)電機(jī)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)等技術(shù)領(lǐng)域還有待進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)風(fēng)能一般分布在沿海的島嶼、交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)、地廣人稀的草原牧場以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)的邊疆。相比其他能源來講有著密度低、不穩(wěn)定、地區(qū)差異大的劣勢。這對我國風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展也是一個(gè)巨大的考驗(yàn)。
縱觀世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)將呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢：開發(fā)更先進(jìn)的風(fēng)況分析系統(tǒng)研制大容量、高可靠性、低成本風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以及輕量型、高可靠性的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；風(fēng)力發(fā)電方式將以陸上風(fēng)力發(fā)電為主，并積極拓展海上風(fēng)力發(fā)電。
1、 研究目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題（根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)一步具體化）
研究目標(biāo)：
（1） 對齒輪箱選用合理的結(jié)構(gòu)、增速比和材料。設(shè)計(jì)質(zhì)量好、重量輕、空間體積小、運(yùn)行穩(wěn)定的大容量風(fēng)電機(jī)組齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。
（2） 引用風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪葉片設(shè)計(jì)及塔架設(shè)計(jì)，從而完成整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)。
主要內(nèi)容：
本設(shè)計(jì)需要先了解風(fēng)電發(fā)電機(jī)及其傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪箱的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定計(jì)算載荷，設(shè)計(jì)主要零部件（包括齒輪、軸承和主軸的設(shè)計(jì)），對各部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，潤滑與冷卻，完成風(fēng)電傳動(dòng)部件齒輪箱的裝配圖及零件圖。最后，引用風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪葉片設(shè)計(jì)及塔架設(shè)計(jì)，從而完成整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)。
進(jìn)程：
第一階段：開題階段 3月9日至3月20日，收集、查閱和整理設(shè)計(jì)資料，完成3000字的文獻(xiàn)翻譯，完成畢業(yè)實(shí)習(xí)報(bào)告和開題報(bào)告。
第二階段：設(shè)計(jì)階段 3月231日-4月10日， 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)方案選擇、傳動(dòng)比分配，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)造型等整體方案設(shè)計(jì)與計(jì)算。
第三階段：計(jì)算階段 4月13日至4月24日 齒輪、軸、軸承等關(guān)鍵傳動(dòng)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制零件圖。
第四階段：繪圖階段 4月27日至5月 8日 傳動(dòng)系統(tǒng)裝配圖繪制。
第五階段：畢業(yè)答辯 5月11日至 5月22日 設(shè)計(jì)計(jì)算說明書的編制、整理、修改、定稿，準(zhǔn)備答辯
解決的關(guān)鍵問題
風(fēng)力發(fā)電機(jī)床系統(tǒng)主要是將能量由葉輪傳遞至發(fā)電機(jī)。傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括主軸、主軸承、齒輪箱、高速軸、聯(lián)軸器等部件。而本課題的主要部分是對風(fēng)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所以有可能遇到的主要問題：
（1）準(zhǔn)確對傳動(dòng)方案的分析；
（2）確定齒輪箱的傳動(dòng)比的分配；
（3）對軸承的尺寸進(jìn)行確定；
（4）選擇合理的軸承類型；
（5）對箱體和總體結(jié)構(gòu)的確定；
（6）對箱體主要部件載荷的計(jì)算和校核；
（7）確定冷卻溫度和潤滑系統(tǒng)；
（8）對整個(gè)部件的裝配圖和零件圖的繪制；
這些問題都是設(shè)計(jì)該風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，在設(shè)計(jì)過程中，本人將通過查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料和向老師咨詢的方法來解決。
2、 擬采取的研究方法、步驟、技術(shù)路線
(1)查閱資料，熟悉國內(nèi)外風(fēng)電機(jī)及其傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪箱的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。
(2)理解風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪箱工作原理及結(jié)構(gòu)分析，確定齒輪箱總裝設(shè)計(jì)思路。
(3)建立準(zhǔn)確的分析模型，準(zhǔn)確求解受載輪齒的載荷分布。?
(4)完成主要零部件設(shè)計(jì)并進(jìn)行強(qiáng)度校核。
(5)繪制零件加工圖，選定加工工藝。?
(6)編寫設(shè)計(jì)說明書。
3、 擬使用的主要設(shè)計(jì)、分析軟件及儀器設(shè)備
主要設(shè)計(jì)、分析軟件：
CAD軟件（繪制二維裝配圖和零件圖）
儀器設(shè)備：
本課題主要是對大容量風(fēng)電機(jī)組齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所采用的設(shè)備儀器是普通計(jì)算機(jī)。
4、 參考文獻(xiàn)
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[32]、齒輪手冊編委會(huì)、齒輪手冊、 北京、 機(jī)械工業(yè)出版社、 2000
注：
1、開題報(bào)告是本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的一個(gè)重要組成部分。學(xué)生應(yīng)根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書的要求和文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，在開始撰寫論文之前寫出開題報(bào)告。
2、參考文獻(xiàn)按下列格式（A為期刊，B為專著）
A：[序號]、作者（外文姓前名后，名縮寫，不加縮寫點(diǎn)，3人以上作者只寫前3人，后用“等”代替。）、題名、期刊名（外文可縮寫，不加縮寫點(diǎn)）年份、卷號（期號）：起止頁碼。
B：[序號]、作者、書名、版次、（初版不寫）、出版地、出版單位、出版時(shí)間、頁碼。
3、表中各項(xiàng)可加附頁。
5
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（ 論 文 ）
題目
5MW風(fēng)電增速箱設(shè)計(jì)
作者
李經(jīng)緯
學(xué)院
機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)號
1103010505
指導(dǎo)教師
沈意平
二〇一五 年 五 月 三十 日
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
機(jī)電工程 學(xué)院 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 系（教研室）
系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日
學(xué)生姓名: 李經(jīng)緯 學(xué)號: 1103010505 專業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
1 設(shè)計(jì)（論文）題目及專題： 5MW風(fēng)電齒輪增速箱設(shè)計(jì) (一級行星輪系)
2設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間：自 2014 年 12 月 12 日開始至 2015 年 05 月 26 日止
3 設(shè)計(jì)（論文）所用資源和參考資料：
① 5MW傳動(dòng)系統(tǒng)葉片額定轉(zhuǎn)速12.1rpm，額定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1173.7rpm，齒輪箱傳動(dòng)比為97:1，采用一級行星輪系和二級斜齒輪形式；
② 國外REpower 5MW、Multibrid M5000等風(fēng)電機(jī)組齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)資料；相關(guān)教材，如《海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)》、《風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行)》等；圖書館電子資源數(shù)據(jù)庫搜集到的期刊論文，博士、碩士學(xué)位論文等。
4 設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：
1) 完成5MW風(fēng)電齒輪箱傳動(dòng)比分配等設(shè)計(jì)與計(jì)算；
2) 完成傳動(dòng)軸、齒輪、軸承等關(guān)鍵傳動(dòng)零部件的選擇、設(shè)計(jì)、計(jì)算與校核；
3) 查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，撰寫開題報(bào)告；
4) 完成相關(guān)論文的翻譯(英譯中，不少于3000字)。
5 提交設(shè)計(jì)（論文）形式（設(shè)計(jì)說明與圖紙或論文等）及要求：
1) 完成5MW風(fēng)電齒輪增速箱設(shè)計(jì)，提供增速箱裝配圖、零件圖等共折合A0圖紙不少于2.5張；
2) 設(shè)計(jì)計(jì)算說明書一份，畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書的書寫格式和版面要求參照《湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）要求與撰寫規(guī)范》，說明書不少于40頁。
6 發(fā)題時(shí)間： 2015 年 3 月 12 日
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[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻(xiàn)應(yīng)用，創(chuàng)新性，實(shí)用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進(jìn)行綜合評價(jià)]
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湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
摘 要
風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風(fēng)電裝備制造業(yè)的繁榮，風(fēng)電齒輪箱作為風(fēng)電機(jī)組的核心部件，倍受國內(nèi)外風(fēng)電相關(guān)行業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。但由于國內(nèi)風(fēng)電齒輪箱的研究起步較晚，技術(shù)薄弱，特別是兆瓦級風(fēng)電齒輪箱，主要依靠引進(jìn)國外技術(shù)。因此，急需對兆瓦級風(fēng)電齒輪箱進(jìn)行自主開發(fā)研究，真正掌握風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)制造技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)國產(chǎn)化目標(biāo)。
本文設(shè)計(jì)的是兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱，通過方案的選取，齒輪參數(shù)計(jì)算等對其配套的齒輪箱進(jìn)行自主設(shè)計(jì)。
首先，確定齒輪箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)。選取一級行星派生型傳動(dòng)方案，通過計(jì)算，確定各級傳動(dòng)的齒輪參數(shù)。對行星齒輪傳動(dòng)進(jìn)行受力分析，得出各級齒輪受力結(jié)果。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜強(qiáng)度校核，結(jié)果符合安全要求。
最后，對齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了齒面接觸應(yīng)力計(jì)算，結(jié)果符合要求。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)機(jī)齒輪箱，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，
ii
Abstract
The rapid development of wind power industry lead to the prosperity of wind power equipment manufacturing industry．As the core component of wind turbine，the gearbox is received much concern from related industries and research institution both at home and abroad．However, due to the domestic research of gearbox for wind turbine starts late，technology is weak，especially in the gearbox for MW wind turbine，which mainly relied on the introduction of foreign technology．Therefore，it is urgent need to carry out independent development and research on MW wind power gearbox，and truly master the design and manufacturing technology in order to achieve the goal of localization．
This paper takes the wind power。The independent design of the gearbox matching for the wind turbine has been carried out by selecting the transmission scheme and calculating the gear parameters。
Firstly, the mechanical structure of gearbox is determined．The two-stage derivation planetary transmission scheme is selected．The gear parameters of every stage transmission is calculated．，and the force analysis results is obtained．The static strength check of tooth surface contact is implemented according to related standard．The result shows that it is accord with safety requirements．
Secondly, the helical gear parametric model is established based on involutes curve equation and generation theory of spiral line by using the function of parametric modeling in Pro／E．
Then, the tooth surface contact stress of the gear transmission is calculated．
Key Words：the wind power ，Gearbox for Wind Turbine；Structure Design；Parametric Modeling
iii
目錄
Abstract ii
1.引言 - 1 -
1.1課題來源 - 1 -
1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 - 2 -
1.2.1風(fēng)力發(fā)電國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 - 2 -
1.2.2風(fēng)電齒輪箱的發(fā)展趨勢 - 5 -
1.2.3存在的問題及展望 - 5 -
1.3課題意義 - 6 -
1.4論文的主要內(nèi)容及設(shè)計(jì)要求 - 7 -
1.5設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) - 7 -
2.齒輪箱的設(shè)計(jì) - 8 -
2.1 增速齒輪箱方案設(shè)計(jì) - 8 -
2.2齒輪參數(shù)確定 - 12 -
2.2.1行星輪系的齒輪參數(shù) - 12 -
2.2.2圓柱級齒輪參數(shù) - 16 -
2.3受力分析與靜強(qiáng)度校核 - 17 -
2.3.1受力分析 - 17 -
2.3.2低速級外嚙合齒面靜強(qiáng)度計(jì)算 - 21 -
2.4本章小結(jié) - 25 -
3.傳動(dòng)軸和箱體的設(shè)計(jì) - 26 -
3.1高速軸的設(shè)計(jì) - 26 -
3.2低速軸的設(shè)計(jì) - 26 -
3.3中間軸的設(shè)計(jì) - 28 -
3.4箱體 - 29 -
4齒輪箱及其他部件的設(shè)計(jì) - 30 -
4.1齒輪箱的密封 - 30 -
4.2齒輪箱的潤滑、冷卻 - 30 -
4.3軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 31 -
4.4行星架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 32 -
4.5傳動(dòng)齒輪箱箱體設(shè)計(jì) - 32 -
5齒輪箱的使用及其維護(hù) - 33 -
5.1安裝要求 - 33 -
5.2定期更換潤滑油 - 33 -
5.3齒輪箱常見故障 - 33 -
5.3.1齒輪損傷 - 34 -
5.3.2軸承損壞 - 34 -
5.3.3斷軸 - 35 -
5.3.4油溫高 - 35 -
心得體會(huì) - 36 -
致 謝 - 37 -
參考文獻(xiàn) - 38 -
1.引言
1.1課題來源
風(fēng)是一種潛力很大的新能源，十八世紀(jì)初，橫掃英法兩國的一次狂暴大風(fēng)，吹毀了四百座風(fēng)力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多條帆船，并有數(shù)千人受到傷害，二十五萬株大樹連根拔起。僅就拔樹一事而論，風(fēng)在數(shù)秒鐘內(nèi)就發(fā)出了一千萬馬力(即750萬千瓦；一馬力等于0．75千瓦)的功率!有人估計(jì)過，地球上可用來發(fā)電的風(fēng)力資源約有100億千瓦，幾乎是現(xiàn)在全世界水力發(fā)電量的10倍。目前全世界每年燃燒煤所獲得的能量，只有風(fēng)力在一年內(nèi)所提供能量的三分之一。因此，國內(nèi)外都很重視利用風(fēng)力來發(fā)電，開發(fā)新能源。
近10年風(fēng)力發(fā)電增長迅猛，200年以來 ，全球每年風(fēng)電裝機(jī)容量增長速度為 20%～30%。全球風(fēng)能協(xié)會(huì)發(fā)布最新一期全球風(fēng)電的增長數(shù)據(jù)顯示 ， 2008年全球范圍內(nèi)新增風(fēng)電裝機(jī)容量 2 705萬 kW，使得全球風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 1 . 20億 kW，較 2007年增長 28 . 8%。 1998～2008年全球風(fēng)電裝機(jī)容量的增長情況。如圖 1所示。
圖1.1全球風(fēng)電裝機(jī)容量
我國的風(fēng)電發(fā)展主要集中在 2003年以后 ，尤其是在風(fēng)電特許權(quán)的帶動(dòng)下 ， 2006年我國除臺灣外增加風(fēng)電機(jī)組 1 454臺 ，增加裝機(jī)容量 133 . 7萬 kW，比過去 20年發(fā)展累積的總量還多 ，僅次于美國、 德國、 西班牙和印度。 2008年又新增風(fēng)電裝機(jī)容量630萬 kW，新增容量位列全球第 2，僅次于美國。截至 2008年底總裝機(jī)容量達(dá)到 1 215 .3萬 kW，同比增長 106% ，總裝機(jī)容量超過了印度 ，位列全球第4，同時(shí)躋身世界風(fēng)電裝機(jī)容量超千萬千瓦的風(fēng)電大國行列。圖 2反映了 2000年以來我國風(fēng)電裝機(jī)容量的增長。
圖1.2我國風(fēng)電裝機(jī)容量
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)輪、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、功率變換器、變壓器等部分構(gòu)成 ，其中 ，發(fā)電機(jī)承擔(dān)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的任務(wù) ，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件。隨著風(fēng)力發(fā)電整體技術(shù)的發(fā)展 ，風(fēng)力發(fā)電機(jī)由早期的直流發(fā)電機(jī)、 籠型異步發(fā)電機(jī)等演變?yōu)楫?dāng)前的雙饋異步發(fā)電機(jī)和低速直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)等。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身技術(shù)水平的提高 ，又有力地促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電整體技術(shù)的進(jìn)步。 例如 ，雙饋異步發(fā)電機(jī)及其控制技術(shù)的成熟 ，使變速恒頻風(fēng)力發(fā)電得以實(shí)現(xiàn) ，成為當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主流。因此 ，風(fēng)力發(fā)電機(jī)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)互為因果 ，相互促進(jìn)。近年來風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容量不斷增大 ，特別是低速直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的快速發(fā)展 ，有力地促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、 制造、 控制以及運(yùn)行維護(hù)水平的提高 ，各種新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)不斷出現(xiàn)。
本課題就是建立在對引進(jìn)的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電增速齒輪箱結(jié)構(gòu)技術(shù)消化吸收的基礎(chǔ)上，對增速齒輪箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的風(fēng)機(jī)增速齒輪箱打下基礎(chǔ)。
1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
1.2.1風(fēng)力發(fā)電國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
風(fēng)力發(fā)電的快速增長帶動(dòng)了風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展， 2007 年度全球風(fēng)電設(shè)備市場總價(jià)值達(dá)到360 億美元。目前， 世界上先進(jìn)的風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)主要集中在少數(shù)幾個(gè)國家，如丹麥、 德國、 西班牙和美國等， 著名的公司有Ves tas(丹麥)、 GE Wind(美國)、 Gamesa(西班牙)、Enercon (德國)、 Suzlon(印度)等。圖3 為2007 年世界風(fēng)電機(jī)組市場份額圖。2007 年， 丹麥的Vestas 公司占全球市場份額的 22.8%， 前3 位公司占有了市場份額的一半多。值得一提的是， 我國的金風(fēng)科技股份有限公司也占據(jù)了2007 年世界風(fēng)電市場的4. 2%。
圖1.3 2007年世界風(fēng)電機(jī)組市場份額
風(fēng)電的快速增長同樣刺激了我國風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展，并迅速崛起了像金風(fēng)科技股份有限公司、 華銳風(fēng)電科技有限公司、 湖南湘電風(fēng)能有限公司、 浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)力發(fā)電工程有限公司等風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)。這些企業(yè)通過對國外風(fēng)電技術(shù)的吸收再創(chuàng)新， 形成了較大的生產(chǎn)規(guī)模。目前，國內(nèi)從事風(fēng)電設(shè)備制造的企業(yè)達(dá) 50余家，而且配件制造企業(yè)隊(duì)伍也在迅速擴(kuò)大。2007 年我國新增裝機(jī)容量中， 內(nèi)資企業(yè)產(chǎn)品占 55. 9%， 其中金風(fēng)科技的份額最大， 占新增總裝機(jī)容量的 25.1%，占內(nèi)資企業(yè)產(chǎn)品的44. 9% ;合資企業(yè)產(chǎn)品占新增裝機(jī)容量的 1.6%; 外資企業(yè)產(chǎn)品占 42. 5%， 其中西班牙Gamesa的份額最大，占新增裝機(jī)容量的39. 9% 。國際上，兆瓦級以上的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)成為主流機(jī)型。如美國:主流機(jī)型1. 5MW， 丹麥: 主流機(jī)型( 2. 0~3. 0)MW。截至2006年，我國風(fēng)電機(jī)組1MW以下的機(jī)組占總裝機(jī)容量的70%， 1MW~ 2MW之間的風(fēng)電機(jī)型只占26%， 2MW以上機(jī)型占4%。根據(jù)國家發(fā)改委規(guī)劃，我國未來的風(fēng)電新增裝機(jī)將以1. 5MW、 2MW機(jī)型為主， 1MW以下機(jī)型所占比重將逐漸降低。
風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的主要趨勢：
( 1) 機(jī)組單機(jī)容量增大風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的增大有利于提高風(fēng)能利用率，降低風(fēng)場的占地面積， 降低風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)成本，從而提高風(fēng)電的市場競爭力。目前， 國際上主流的風(fēng)電機(jī)組已達(dá)到( 2~ 3)MW， 由德國Repower 公司研制的最大的5MW 風(fēng)電機(jī)組已投入運(yùn)行，其旋翼區(qū)直徑達(dá)到126 米。可以預(yù)見， ( 3~ 5)MW的風(fēng)電機(jī)組在市場中的比例將日益提高。2008 年 2 月在布魯塞爾舉行的風(fēng)能會(huì)議和風(fēng)能展上， 有與會(huì)者甚至提出了2020 年前開發(fā)出20MW風(fēng)電機(jī)組的概念。
( 2) 海上風(fēng)電迅速興起海上風(fēng)能資源豐富， 且受環(huán)境影響小，海上風(fēng)電場將成為一個(gè)迅速發(fā)展的市場。目前丹麥、 德國、 英國、瑞典和荷蘭等國家海上風(fēng)電發(fā)展較快。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)(EWEA)預(yù)測， 2020年，歐洲海上風(fēng)電總裝機(jī)容量將達(dá)到70 000MW。雖然海上風(fēng)電前景廣闊，但目前還有技術(shù)等方面的因素制約著它的發(fā)展。一方面， 海上風(fēng)電機(jī)組均為陸上風(fēng)電機(jī)組改造而成， 而復(fù)雜的海上自然條件使得風(fēng)電機(jī)組的故障率居高不下， 如世界最大的海上風(fēng)電場丹麥Vestas 霍恩礁風(fēng)電場， 80 臺海上風(fēng)電機(jī)組故障率超過70%。另一方面， 電網(wǎng)將難以承受大規(guī)模海上風(fēng)電場所提供的巨大電能。因此， 海上風(fēng)電的大發(fā)展仍需要解決機(jī)組及上網(wǎng)配套設(shè)施等方面的問題。
( 3) 變速恒頻技術(shù)快速推廣目前市場上恒速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組一般采用雙繞組結(jié)構(gòu)的異步發(fā)電機(jī)， 雙速運(yùn)行。在高風(fēng)速段， 發(fā)電機(jī)運(yùn)行在較高轉(zhuǎn)速上;在低風(fēng)速段，發(fā)電機(jī)運(yùn)行在較低轉(zhuǎn)速上。其優(yōu)點(diǎn)是控制簡單， 可靠性高;缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)速基本恒定，而風(fēng)速經(jīng)常變化，因此機(jī)組經(jīng)常處于風(fēng)能利用系數(shù)較低的狀態(tài)，風(fēng)能無法得到充分利用。隨著風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)電機(jī)組開發(fā)制造廠商開始使用變速恒頻技術(shù)，并結(jié)合變槳距技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)出了變槳變速風(fēng)電機(jī)組。與恒速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組相比， 變速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組具有發(fā)電量大、 對風(fēng)速變化的適應(yīng)性好、 生產(chǎn)成本低、 效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，變速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組也是未來發(fā)展的趨勢之一。德國Enercon 公司是目前全球生產(chǎn)變速風(fēng)電機(jī)組最多的公司。
( 4) 全功率變流技術(shù)興起近年來，歐洲的Enercon、 Winwind 等公司都開發(fā)和應(yīng)用了全功率變流的并網(wǎng)技術(shù)， 使風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的調(diào)速范圍達(dá)到了 0~ 150%的額定轉(zhuǎn)速， 提高了風(fēng)能的利用范圍，改善了風(fēng)場上網(wǎng)電能的質(zhì)量。Enercon 公司還將原來對每個(gè)風(fēng)電機(jī)組功率因數(shù)的分散控制加以集中，由并網(wǎng)變電站來統(tǒng)一調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)的有源功率因素校正和諧波補(bǔ)償。全功率變流技術(shù)將在今后大型風(fēng)電場建設(shè)時(shí)得到推廣應(yīng)用。
( 5) 直驅(qū)和半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組采用多極電機(jī)與葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的方式， 免去故障率較高的齒輪箱，在低風(fēng)速時(shí)效率高，且具有低噪聲、 高壽命、 運(yùn)行維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。近年來直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)份額增長較塊， 但由于技術(shù)和成本等方面的原因， 在未來較長時(shí)間內(nèi)帶增速齒輪箱的風(fēng)電機(jī)組仍將在市場中占主導(dǎo)地位。半直驅(qū)是介于齒輪箱驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)之間的一種驅(qū)動(dòng)方式，它采用一級齒輪箱增速， 結(jié)構(gòu)緊湊， 具有相對較高的轉(zhuǎn)速和較小的轉(zhuǎn)矩。與傳統(tǒng)的齒輪箱驅(qū)動(dòng)相比， 半直驅(qū)增加了系統(tǒng)的可靠性;而與大直徑的直驅(qū)相比，半直驅(qū)通過更高效和緊湊的機(jī)艙排列減小了系統(tǒng)的體積和重量。
圖1.4風(fēng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)
1.2.2風(fēng)電齒輪箱的發(fā)展趨勢
風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風(fēng)電裝備制造業(yè)的繁榮，風(fēng)電齒輪箱作為風(fēng)電機(jī)組中最重要的部件，倍受國內(nèi)外風(fēng)電相關(guān)行業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。
風(fēng)機(jī)增速齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電整機(jī)的配套產(chǎn)品，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中一個(gè)重要的機(jī)械傳動(dòng)部件，它的重要功能是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)，使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行發(fā)電，它的研究和開發(fā)是風(fēng)電技術(shù)的核心，并正向高效、高可靠性及大功率方向發(fā)展。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常安裝在高山、荒野、海灘、海島等野外風(fēng)口處，經(jīng)常承受無規(guī)律的變相變負(fù)荷的風(fēng)力作用以及強(qiáng)陣風(fēng)的沖擊，并且常年經(jīng)受酷暑嚴(yán)寒和極端溫差的作用，故對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機(jī)械產(chǎn)品高得多的要求。
風(fēng)電行業(yè)中發(fā)展最快，最有影響的國家主要有美國、德國等歐美發(fā)達(dá)國家，在風(fēng)電行業(yè)中處于統(tǒng)治地位。歐美發(fā)達(dá)國家早已開發(fā)出單機(jī)容量達(dá)兆瓦級的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并且技術(shù)相對成熟，具有比較完善的設(shè)計(jì)理論和豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而且商業(yè)化程度比較高，因此在國際風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中處于明顯的優(yōu)勢和主導(dǎo)地位。
國外兆瓦級風(fēng)電齒輪箱是隨jxL電機(jī)組的開發(fā)而發(fā)展起來的，Renk、Flender等風(fēng)電齒輪箱制造公司在產(chǎn)品開發(fā)過程中采用三維造型設(shè)計(jì)、有限元分析、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)，并通過模擬和試驗(yàn)測試對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證。此外，國外通過理論分析及試驗(yàn)測試對風(fēng)電齒輪箱的運(yùn)行性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。
盡管國際上齒輪箱設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，齒輪箱出現(xiàn)故障仍然是故障的最主要原因，約占風(fēng)機(jī)故障總數(shù)的20％左右，由于我國商業(yè)化大型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，技術(shù)上較歐美等風(fēng)能技術(shù)發(fā)達(dá)國家存在報(bào)大差距。我國在九五期間開始走引進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的路子，通過引進(jìn)和吸收國外成熟的技術(shù)，成功研發(fā)出了兆瓦級以下風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
1.2.3存在的問題及展望
盡管我國風(fēng)電齒輪箱國產(chǎn)化工作近年來取得了長足的進(jìn)步基本掌握了兆瓦級以下機(jī)組的設(shè)計(jì)制造技術(shù)并形成了600kW至800kW風(fēng)電增速箱的批量生產(chǎn)能力，但目前仍存在以下問題：
1) 國內(nèi)缺乏基礎(chǔ)性的研究工作和基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)對國外技術(shù)尚未完全消化自
主創(chuàng)新能力不足。
2) 嚴(yán)重缺乏既掌握低速重載齒輪箱設(shè)計(jì)制造技術(shù)又了解風(fēng)電技術(shù)的人才，缺乏高水平的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員。
3) 未完全掌握大型風(fēng)電增速箱的設(shè)計(jì)制造技術(shù)產(chǎn)品以仿制為主可靠性不高,
質(zhì)量穩(wěn)定性較差。掌握設(shè)計(jì)制造技術(shù)的企業(yè)數(shù)量較少無論是產(chǎn)品數(shù)量還是產(chǎn)品質(zhì)量都難以滿足市場需要。
4) 缺乏大型試驗(yàn)裝置及測試手段。
5) 缺乏行業(yè)資源共享，信息互通，共同發(fā)展的平臺和機(jī)制。
1.3課題意義
風(fēng)力發(fā)電是清潔可再生能源，蘊(yùn)存量巨大，具有實(shí)際開發(fā)利用價(jià)值。中國水電資源370 GW，風(fēng)能資源有250 GW。廣東省水電資源6.6 GW，沿海風(fēng)能可開發(fā)量(H=40 m)8.41 GW。也就是說，風(fēng)能與水能總量旗鼓相當(dāng)。大量風(fēng)能開發(fā)不可能靠某個(gè)部門或行業(yè)的財(cái)政補(bǔ)貼就能解決，商業(yè)化不僅是市場的要求，也是風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的自身需要。所以，風(fēng)力發(fā)電商業(yè)化是必由之路，可行之路。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的齒輪箱是一個(gè)重要的機(jī)械部件，其主要功用是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。通常風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低，遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，必須通過齒輪 箱齒輪副的增速作用來實(shí)現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。齒輪箱作為傳遞動(dòng)力的部件，在運(yùn)行期間同時(shí)承受動(dòng)、靜載荷。其動(dòng)載荷部分取決于風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)的特性和傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器的質(zhì)量、剛度、阻尼值以及發(fā)電機(jī)的外部工作條件。
開發(fā)新能源是國家能源建設(shè)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，是促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、減少環(huán)境污染、推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的重要手段。風(fēng)力發(fā)電是新能源技術(shù)中最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。
(1)由于我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，缺乏基礎(chǔ)研究積累和人才，我國在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研發(fā)能力上還有待提高，總體來說主要以引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)為主。目前國內(nèi)引進(jìn)的技術(shù)，有的是國外淘汰的技術(shù)，有的圖紙雖然先進(jìn)，但受限于國內(nèi)配套廠家的技術(shù)、工藝、材料等原因，導(dǎo)致國產(chǎn)化的零部件質(zhì)量、性能仍有一定差距。所以，在引進(jìn)國外風(fēng)機(jī)技術(shù)的同時(shí)，開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的兆瓦級增速齒輪箱，是加速我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。
(2)增速齒輪的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)系到整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的命運(yùn)。因此，要加強(qiáng)齒輪的研究，對齒輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高齒輪的嚙合質(zhì)量，降低噪聲，保證齒輪機(jī)械效率，提高齒輪的運(yùn)行可靠性。
(3)增速齒輪箱以漸開線齒輪為主，人們對標(biāo)準(zhǔn)的漸開線齒輪有了一套比較成熟的設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算和加工方法。兆瓦級增速齒輪對漸開線齒輪傳動(dòng)提出了新的要求，在尺寸、重量最小的情況下，可靠地傳遞高速、重載的運(yùn)動(dòng)，這就對齒輪分析的計(jì)算精度提出了很高要求，高精度齒輪分析是輪齒承載能力、振動(dòng)、噪聲及修形等研究的基礎(chǔ)。因此，建立準(zhǔn)確的分析模型，準(zhǔn)確求解受載輪齒的載荷分布對修形規(guī)律的研究具有重要意義。
1.4論文的主要內(nèi)容及設(shè)計(jì)要求
論文的主要內(nèi)容包括是介紹了風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀發(fā)展趨勢，及現(xiàn)在各個(gè)國家對風(fēng)力發(fā)電的重視程度。我國現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電的總體情況、風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈主要分為主軸、齒輪箱（增速箱）、機(jī)械剎車以及相關(guān)組件。齒輪箱作為風(fēng)機(jī)上的零件的重要作用，齒輪箱的發(fā)展。還有就是整篇論文關(guān)于齒輪箱的設(shè)計(jì)過程，及校核等等。還有CAD二維的裝配圖及零件圖繪制，并截取了一些圖片附于論文上。
設(shè)計(jì)此次的行星輪系的齒輪箱，我們擬部分采用減速器的設(shè)計(jì)方法，再結(jié)合書籍資料完成風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的設(shè)計(jì)，校核，及優(yōu)化的一系列工作。
關(guān)于行星輪系的傳動(dòng)比，及齒輪的計(jì)算，會(huì)參照《機(jī)械原理》等一些書籍的部分內(nèi)容進(jìn)行，還有關(guān)于軸的校核，鍵等等，和齒輪箱的使用和維和等等。
主要的參數(shù)如下：
表1風(fēng)電增速箱主要參數(shù)
發(fā)電機(jī)額定功率
5000KW
輸入轉(zhuǎn)速
12.1r/min
輸出轉(zhuǎn)速
1173.7r/min
傳動(dòng)形式
一級行星兩級斜齒輪
總傳動(dòng)比
97
主軸承
自調(diào)心滾子軸承
并明確規(guī)定依據(jù)IS06336進(jìn)行齒輪計(jì)算，按3倍額定功率計(jì)算靜強(qiáng)度>1.0。.外齒輪制造精度不低于6級，齒面硬度HRC58--62，外齒輪采用20CrNi2MoA。
1.5設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
（1） 齒輪傳動(dòng)通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
1）相關(guān)的中國國家標(biāo)準(zhǔn)
風(fēng)電齒輪箱的傳動(dòng)設(shè)計(jì)中，需要參照通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3480-1997《漸開線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法》。GB/T3480-1997標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6336-1~ISO 6336-3基本對應(yīng)，主要用于齒輪的齒面耐點(diǎn)蝕和齒根承載能力設(shè)計(jì)。對于齒輪膠合承載能力的計(jì)算，需要參照GB/T 6413-2003標(biāo)準(zhǔn)。
2）相關(guān)的其他標(biāo)準(zhǔn)
國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）和德國標(biāo)準(zhǔn)（DIN）在齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)中起到重要作用。其中有關(guān)圓柱齒輪承載能力的主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)源于DIN 3990。該標(biāo)準(zhǔn)包括5個(gè)子集，與國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6336基本對應(yīng)。對于齒輪膠合承載能力的計(jì)算，相關(guān)的參照標(biāo)準(zhǔn)為ISO/TR 13989-2000。
（2）風(fēng)電齒輪箱專用標(biāo)準(zhǔn)
我國于 2003 年 9 月頒布了 G B/ T19073 - 2003 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 — 齒輪箱標(biāo)準(zhǔn) ( 以下簡稱 19073 標(biāo)準(zhǔn)) ,對風(fēng)輪掃掠面積大于等于 40m 2 的風(fēng)電齒輪箱的技術(shù)要求、 試驗(yàn)方法、 檢驗(yàn)規(guī)則及標(biāo)志、 包裝、 運(yùn)輸和儲(chǔ)存提出了概括性要求 ; 美國風(fēng)能協(xié)會(huì) (AWEA) 和齒輪協(xié)會(huì)(AG MA) 于 2003 年 10 月制定了新的風(fēng)力機(jī)齒輪箱標(biāo)準(zhǔn) “ Standard for Design and Specification of Gearbox for Wind Turbines ” , 用于替代 AG MA/ AWEA 921 - A97 , 并于 2004 年 1 月上升為美國國家標(biāo)準(zhǔn) , 即 ANSI/ AG MA/AWEA6006 - A03 ( 以下簡稱 6006 標(biāo)準(zhǔn) ) 。該標(biāo)準(zhǔn)對40kW ～ 2MW 的風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的設(shè)計(jì)、 制造、 使用等作了詳盡的規(guī)定。 6006 標(biāo)準(zhǔn)被世界上許多國家采用 ,是風(fēng)電齒輪箱領(lǐng)域影響最大的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 2005 年采用快速程序 , 直接采用該標(biāo)準(zhǔn)作為國際標(biāo)準(zhǔn) ISO81400 - 4 :2005 。
19073 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定齒輪箱的工作環(huán)境溫度為 - 40 ℃～ 50 ℃ , 齒輪箱最高溫度不得大于 80 ℃ , 機(jī)械效率應(yīng)大于 97 % , 噪聲應(yīng)不大于 85dB , 機(jī)械振動(dòng)應(yīng)滿足G B8543 中 C 級要求。 19073 標(biāo)準(zhǔn)和 6006 標(biāo)準(zhǔn)都要求齒輪箱正常工作壽命不小于 20 年 , 但也有資料要求風(fēng)功率密度 4 級時(shí)的設(shè)計(jì)壽命為 20 年 ,3 級時(shí)為 30 年。對零部件來說 , 通常要求齒輪壽命達(dá)到 17. 5 萬小時(shí) [7] , 軸承壽命 13 萬小時(shí) [6 ,7] 。6006 標(biāo)準(zhǔn)的正文部分包括適用范圍、 引用標(biāo)準(zhǔn)、定義和符號、設(shè)計(jì)規(guī)范、 齒輪箱設(shè)計(jì)和制造要求以及潤滑等內(nèi)容 , 對齒輪強(qiáng)度計(jì)算方法以及軸承使用情況、 要求壽命、 最大應(yīng)力等作了具體規(guī)定。
2.齒輪箱的設(shè)計(jì)
2.1 增速齒輪箱方案設(shè)計(jì)
根據(jù)傳動(dòng)鏈布局和風(fēng)輪主軸支撐形式的要求，齒輪箱的結(jié)構(gòu)可能有較大差異，但其主體一般由箱體、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、支撐構(gòu)件、潤滑系統(tǒng)和其他構(gòu)件構(gòu)成。
齒輪箱體需要承受來自風(fēng)輪的載荷，同時(shí)要承受齒輪傳動(dòng)過程中產(chǎn)生的各種載荷。箱體也是主傳動(dòng)鏈的基礎(chǔ)構(gòu)件之一，需要根據(jù)風(fēng)電機(jī)組總體布局設(shè)計(jì)要求，為風(fēng)輪主軸、 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和主傳動(dòng)鏈提供可靠地支撐與連接，將載荷平穩(wěn)傳遞到主機(jī)架。
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)齒輪箱增速傳動(dòng)功能的核心部分，通常由多級齒輪傳動(dòng)副和支撐構(gòu)件組成。
可靠的潤滑系統(tǒng)是齒輪箱的重要配置，可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)構(gòu)件的良好潤滑。同時(shí)，為確保極端環(huán)境溫度下的潤滑油性能，一般需要考慮設(shè)置相應(yīng)的加熱和冷卻裝置。
風(fēng)電齒輪箱還應(yīng)設(shè)置對潤滑油、高速端軸承等溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的傳感器，防止外部雜質(zhì)進(jìn)入的空氣過濾器，以及雷電保護(hù)裝置等附件。
齒輪傳動(dòng)裝置的種類較多，按其傳動(dòng)形式大致可分為定軸齒輪、行星齒輪和組合傳動(dòng)的齒輪箱；按傳動(dòng)級數(shù)可分為單級或多級齒輪箱；按布置形式可分為展開式、分流是和同軸式等形式的齒輪箱。
風(fēng)電齒輪箱要求的增速比通常較大，一般需要多級的齒輪傳動(dòng)。目前大型風(fēng)電機(jī)組的增速齒輪箱典型設(shè)計(jì)，多采用行星齒輪與定軸齒輪組成混合齒輪系的傳動(dòng)方案。其中NGW傳動(dòng)是一種行星齒輪的典型設(shè)計(jì)形式。
對于兆瓦級風(fēng)電齒輪箱，傳動(dòng)比多在100左右，一般有兩種傳動(dòng)形式：一級行星+兩級平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)，兩級行星+一級平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)。相對于平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)，行星傳動(dòng)的以下優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳遞功率范圍大，使功率分流；合理使用了內(nèi)嚙合；共軸線式的傳動(dòng)裝置，使軸向尺寸大大縮小而；運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、抗沖擊和振動(dòng)能力較強(qiáng)。在具有上述特點(diǎn)和優(yōu)越性的同時(shí)，行星齒輪傳動(dòng)也存在一些缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)形式比定軸齒輪傳動(dòng)復(fù)雜；對制造質(zhì)量要求高：由于體積小、散熱面積小導(dǎo)致油溫升高，故要求嚴(yán)格的潤滑與冷卻裝置。這兩種行星傳動(dòng)與平行軸傳動(dòng)相混合的傳動(dòng)形式，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。
依據(jù)提供的技術(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過方案比較，總傳動(dòng)比i=97，采用一級行星派生型傳動(dòng)，即一級行星傳動(dòng)+兩級高速軸定軸傳動(dòng)。為補(bǔ)償不可避免的制造誤差，行星傳動(dòng)一般采用均載機(jī)構(gòu)，均衡各行星輪傳遞的載荷，提高齒輪的承載能力、嚙合平穩(wěn)性和可靠性，同時(shí)可降低對齒輪的精度要求，從而降低制造成本。
對于具有三個(gè)行星輪的傳動(dòng)，常用的均載機(jī)構(gòu)為基本構(gòu)件浮動(dòng)。由于太陽輪重量輕，慣性小，作為均載浮動(dòng)件時(shí)浮動(dòng)靈敏，結(jié)構(gòu)簡單，被廣泛應(yīng)用于中低速工況下的浮動(dòng)均載，尤其是具有三個(gè)行星輪時(shí)，效果最為顯著。設(shè)計(jì)齒輪箱的轉(zhuǎn)動(dòng)比為1：97，由于減速比較大，按照此轉(zhuǎn)動(dòng)比，齒輪箱的結(jié)構(gòu)形式可設(shè)計(jì)為：一級行星傳動(dòng)+兩級斜齒輪傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)方案一
兩級NGW型行星齒輪
特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可滿足較大速比的傳動(dòng)要求，傳動(dòng)比40~160
圖2.1雙極NGW型傳動(dòng)方案
齒輪傳動(dòng)方案二
行星齒輪與平行軸圓柱齒輪混合式
特點(diǎn)：低俗部分為行星齒輪傳動(dòng)，可使功率分流，同時(shí)合理應(yīng)用了內(nèi)嚙合，結(jié)構(gòu)較緊湊。后兩級為定軸圓柱齒輪傳動(dòng)，可合理分配速比，提高傳動(dòng)效率
圖2.2行星齒輪圓柱齒輪混合式
依據(jù)提供的技術(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過方案比較，行星傳動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳遞功率范圍大，使功率分流；合理使用了內(nèi)嚙合；共軸線式的傳動(dòng)裝置，使軸向尺寸大大縮小而；運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、抗沖擊和振動(dòng)能力較強(qiáng)。在具有上述特點(diǎn)和優(yōu)越性的同時(shí)，行星齒輪傳動(dòng)也存在一些缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)形式比定軸齒輪傳動(dòng)復(fù)雜；對制造質(zhì)量要求高：由于體積小、散熱面積小導(dǎo)致油溫升高，故要求嚴(yán)格的潤滑與冷卻裝置。兩者比較決定采用第二種方案,即一級行星+兩級平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)。
圖2.3本設(shè)計(jì)采用的結(jié)構(gòu)
行星齒輪傳動(dòng)由于有多對齒輪同時(shí)參與嚙合承受載荷，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)行星輪系各齒輪齒數(shù)必須要滿足一定的幾何條件。
(1)保證兩太陽輪和系桿轉(zhuǎn)軸的軸線重合，即滿足同心條件 。
(2)保證3個(gè)均布的行星輪相互間不發(fā)生干涉，即滿足鄰接條件。
（2.1）
(3)設(shè)計(jì)行星輪時(shí)，為使各基本構(gòu)件所受徑向力平衡，各行星輪在圓周上應(yīng)均勻分布或?qū)ΨQ分布。為使相鄰兩個(gè)行星輪不相互碰撞，必須保證它們齒頂之間在連接線上有一定問隙。
保證在采用多個(gè)行星輪時(shí)，各行星輪能夠均勻地分布在兩太陽輪之間，即滿足安裝條件 c為整數(shù)，裝配行星輪時(shí)，為使各基本構(gòu)件所受徑向力平衡，各行星輪在圓周上應(yīng)均勻分布或?qū)ΨQ分布。
(4)保證輪系能夠?qū)崿F(xiàn)給定的傳動(dòng)比，即滿足傳動(dòng)比條件。當(dāng)內(nèi)齒圈不動(dòng)時(shí)有
以上各式中： ——中心太陽輪齒數(shù)；
——行星輪齒數(shù)；
——內(nèi)齒圈齒數(shù)；
K——行星輪個(gè)數(shù)；
ha*——齒頂高系數(shù)。
2.2齒輪參數(shù)確定
2.2.1行星輪系的齒輪參數(shù)
根據(jù)行星輪系的傳動(dòng)所需要滿足的條件。
兩級定軸的傳動(dòng)比，則一級行星傳動(dòng)，角標(biāo)1表示低速級輸入端， ，每個(gè)行星輪的傳遞的功率P=5000KW，工作壽命為20年。
參數(shù)計(jì)算：
1.選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)：
1）選擇直齒圓柱齒輪。
2）齒輪精度等級為5級精度。
3）材料選擇為20CrMnMo,熱處理應(yīng)為淬火。
4）初選小齒輪齒數(shù)為，取30。
，
∴A= /=3.8
E = A
=5.472
查得 =5.1
式中：——齒輪的接觸疲勞極限；
—— 載荷不均勻系數(shù)；
—— 對分度圓直徑的齒寬系數(shù)；
——?jiǎng)虞d荷系數(shù)
—— 接觸強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)；
—— 接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)；
—— 齒面工作硬化系數(shù)；
2.按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
（2.2）
1)確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
2)計(jì)算
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取螺旋角°壓力角° ∴ °
(1)配齒計(jì)算
取 /= C ，
適當(dāng)調(diào)整=5.1 5.1×/ 3 = 34,
∴=20 , = c-=82
=0.5×(-)=31
采用不等角變位，取=30，
則 j==1.01
查圖可得適用的預(yù)計(jì)嚙合角24°≤≤26°
18°≤≤20.8°
預(yù)選=25°
(2) 按接觸強(qiáng)度初算a-c傳動(dòng)的中心距與模數(shù)
太陽輪和行星輪材料選用滲碳淬火，齒面硬度HRC58-62，選取
齒寬系數(shù)，
齒數(shù)比
∴模數(shù) 取=28
未變位時(shí)
按預(yù)取嚙合角=24.5°可得a—c傳動(dòng)中心距變動(dòng)系數(shù)
則中心距
a’=
a取a’=720
計(jì)算a-c傳動(dòng)的實(shí)際中心距變動(dòng)系數(shù)Y和嚙合角
∴=25.05°
(3)計(jì)算a—c傳動(dòng)的變位系數(shù)
查圖校核，在與線之間，為綜合性能較好區(qū)，可用。
查圖分配變位系數(shù)藝=0．22，=O．251
(4)計(jì)算c-b傳動(dòng)的中心距變動(dòng)系數(shù)及嚙合角
c-b傳動(dòng)未變位時(shí)的中心距
=734.28mm
∴=25.27°
(5)計(jì)算c-b傳動(dòng)的變位系數(shù)
=-0.547
(6)重合度計(jì)算
=1.4336
=1.0508
其中
∴
行星輪系的參數(shù)為
分度圓直徑
齒寬
內(nèi)齒輪R精度等級為6級。
2.2.2圓柱級齒輪參數(shù)
1.高速軸上的齒輪的設(shè)計(jì)
輸入功率，小齒輪轉(zhuǎn)速為294.79/min,傳動(dòng)比i=3.9811,工作壽命20年。
（1）選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)：
1）選擇斜齒圓柱齒輪。
2）齒輪精度等級為5級精度。
3）材料選擇為20CrMnMo,熱處理應(yīng)為淬火。
4）初選小齒輪齒數(shù)為。
5）初選螺旋角°。
（2）按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
1)確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
2)計(jì)算
計(jì)算齒寬b及模數(shù) m=30 計(jì)算縱向重合度=1.586
計(jì)算載荷系數(shù)=1.433
2.中間軸上的齒輪設(shè)計(jì)
輸入功率=5315.3KW，小齒輪的轉(zhuǎn)速為61.71r/min。傳動(dòng)比i=4.774,傳遞的轉(zhuǎn)矩=N.mm，使用壽命為20年。
（1）選定齒輪類型，精度等級，材料及齒輪
1）選擇斜齒圓柱齒輪。
2）齒輪精度等級為5級精度。
3）材料選擇為20CrMnMo,熱處理應(yīng)為淬火。
4）初選小齒輪齒數(shù)為。
5）初選螺旋角°
（2）按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
1)確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
2)計(jì)算
計(jì)算齒寬b及模數(shù) m=13 計(jì)算縱向重合度=1.0317
計(jì)算載荷系數(shù)=1.4121
高速軸上的一對齒輪系參數(shù)為：
中間軸上的一對齒輪的參數(shù)為：
2.3受力分析與靜強(qiáng)度校核
2.3.1受力分析
行星齒輪傳動(dòng)的主要受力構(gòu)件有中心輪、行星輪、行星架、軸及軸承等。為進(jìn)行齒輪的強(qiáng)度計(jì)算，需要對行星輪以及太陽輪進(jìn)行受力分析。當(dāng)行星輪數(shù)目為3。假定各套行星輪載荷均勻，只需分析其中任一套行星輪與中心輪的組合即可。通常略去摩擦力和重力的影響，各構(gòu)件在輸入轉(zhuǎn)矩的作用下平衡，構(gòu)件間的作用力等于反作用力。
圖2.4行星傳動(dòng)受力分析
行星架輸入功率為，太陽輪輸出功率為，增速傳動(dòng)比為i，太陽輪節(jié)圓直徑為dl，根據(jù)斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)受力分析公式，齒輪所受切向力、徑向力、軸向力分別為：
式中：——法面壓力角
——分度圓螺旋角
——主動(dòng)輪齒寬中點(diǎn)處直徑
——主動(dòng)輪分度圓直徑
——表示額定轉(zhuǎn)矩
按照上述公式計(jì)算低速級各個(gè)齒輪的受力情況行星輪傳動(dòng)強(qiáng)度的校核計(jì)算
齒輪強(qiáng)度計(jì)算（齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算）
a-c傳動(dòng)的接觸強(qiáng)度
太陽輪
（2.4）
行星輪
（2.5）
許用應(yīng)力計(jì)算
（2.6）
滿足要求滿足要求
2c-b傳動(dòng)的接觸強(qiáng)度（計(jì)算應(yīng)力）
行星輪
內(nèi)齒圈
許用應(yīng)力計(jì)算
滿足要求滿足要求
表2.1 5MW風(fēng)力機(jī)輸入級齒輪接觸強(qiáng)度校核結(jié)果
太陽輪 行星輪
行星輪 內(nèi)齒圈
1.3
1.3
1.05
1.05
1.25
1.25
1
1
1
1
1
1
2.5
2.5
0.96
0.92
1
1
1500
1100
1500
1100
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
875.8
342.76
1172.76
524.3
1250
1000
a-c傳動(dòng)的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度（計(jì)算應(yīng)力）
（2.7）
許用應(yīng)力計(jì)算
滿足條件
b-c傳動(dòng)的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
許用應(yīng)力計(jì)算
滿足條件
表2.2 5MW風(fēng)力機(jī)齒輪彎曲強(qiáng)度校核結(jié)果
太陽輪 行星輪
行星輪 內(nèi)齒圈
0.85
0.67
1.05
1.05
1.3
1.3
1.25
1.25
1
1
3.2
3.05
3.05
2.95
1
1
600
480
600
480
2
2
0.92
0.92
1
1
1
1
1
1
525.3
342.76
286.4
280.5
513.87
513.89
2.3.2低速級外嚙合齒面靜強(qiáng)度計(jì)算
（1）低速級接觸強(qiáng)度計(jì)算：
依據(jù)要求，按3倍額定功率計(jì)算靜強(qiáng)度。(其余嚙合齒輪副的計(jì)算步驟，結(jié)論與此相似。)
載荷：
式中: ——計(jì)算切向載荷，N；
——齒輪分度圓直徑，mm
——最大轉(zhuǎn)矩，N.m
修正載荷系數(shù)：
因已經(jīng)按最大載荷計(jì)算，取使用系數(shù)。
計(jì)算安全系數(shù)
式中：——靜強(qiáng)度最大齒面應(yīng)力，
（接觸應(yīng)力）
式中：——小輪分度圓直徑；
——齒寬；
——齒數(shù)比；
——使用系數(shù)；
——?jiǎng)虞d荷系數(shù)；
——壽命系數(shù)；
——節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)；
——彈性系數(shù)；
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)；
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分布系數(shù)；
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的重合系數(shù)；
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的螺旋角系數(shù)；
（式中各數(shù)據(jù)通過查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》第三版第三卷表14-2-9（強(qiáng)度計(jì)算公式中個(gè)參數(shù)的確定方法）得到。）
① 使用系數(shù)查表 =1.3
② 動(dòng)載荷系數(shù)
其中， （齒輪精度5級，查表得）；
③ 齒向載荷分布系數(shù)
太陽輪浮動(dòng)，對對稱支承，查表得：
④ 齒間載荷分布系數(shù)
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得 =1
⑤ 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
（其中）
⑥ 彈性系數(shù)
⑦ 重合度系數(shù) （其中，按算）
⑧ 螺旋角系數(shù)
其中按接觸應(yīng)力 =878.83
⑨ 壽命系數(shù)
⑩ 工作硬化系數(shù)
而安全系數(shù) 代入上述值：
得到 故符合要求，具有高的可靠度。
（2）中間級接觸強(qiáng)度計(jì)算
參照上述低速級接觸強(qiáng)度計(jì)算步驟和公式，得到中間級齒面計(jì)算接觸應(yīng)力各項(xiàng)系數(shù)如下表所示：
表2.3 中間級齒面計(jì)算接觸應(yīng)力各項(xiàng)系數(shù)
系數(shù)
值
1.3
1.025
1.13
1
2.252
189.8
0.8745
0.995
0.9
1
代入以上系數(shù)，計(jì)算接觸應(yīng)力
按接觸應(yīng)力 =928.74
計(jì)算安全系數(shù) =1.438 故符合要求。
（3）高速級接觸強(qiáng)度計(jì)算
參照上述低速級接觸強(qiáng)度計(jì)算步驟和公式，得到高速級齒面計(jì)算接觸應(yīng)力各項(xiàng)系數(shù)如下表所示：
表2.4高速級齒面計(jì)算接觸應(yīng)力各項(xiàng)系數(shù)
系數(shù)
值
1.3
1.06
1.383
1
2.33
189.8
0.7294
0.985
0.91
1
代入以上系數(shù)，計(jì)算接觸應(yīng)力
按接觸應(yīng)力 =961.76
計(jì)算安全系數(shù) =1.42 故符合要求。
2.4本章小結(jié)
依據(jù)技術(shù)指標(biāo)，綜合行星傳動(dòng)與平行軸傳動(dòng)的有點(diǎn)，選取一級行星派生型傳動(dòng)，采用太陽輪浮動(dòng)的均載機(jī)構(gòu)，計(jì)算確定了齒輪箱各級傳動(dòng)的參數(shù)。對行星傳動(dòng)進(jìn)行受力分析，得出各級傳動(dòng)齒輪的受力結(jié)果。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行靜強(qiáng)度校核，結(jié)果符合安全要求。
3.傳動(dòng)軸和箱體的設(shè)計(jì)
3.1高速軸的設(shè)計(jì)
(1)最小軸直徑的設(shè)計(jì)（A=105~135）
功率P=5060.2KW，轉(zhuǎn)速n=294.79r/m，A取125。
所以d=560mm
（2）結(jié)構(gòu)設(shè)如下
圖3.1高速軸
3.2低速軸的設(shè)計(jì)
最小軸直徑的設(shè)計(jì)
功率P=5378.8KW，轉(zhuǎn)速n=1173.7所以d=140mm。根據(jù)軸承精度選擇，
圖3.2低速軸
齒輪采用的是斜齒，因此軸主要承受扭矩，其工作能力按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算。根據(jù)以上情況，可得低速級傳動(dòng)軸的受力簡圖：
圖3-3 低速軸受力圖
由上受力圖經(jīng)行軸的強(qiáng)度校核
扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：
mm 45鋼＝30～40
軸的強(qiáng)度滿足要求。
式中，——軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， ；
——軸所受的扭矩， ；
——軸的抗扭截面模量， ；
——軸的轉(zhuǎn)速， ；
——軸所傳遞的功率，Kw;
——軸的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，；
－取決于軸材料的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 的系數(shù)，其值可查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊。
故滿足強(qiáng)度要求。
3.3中間軸的設(shè)計(jì)
（1）最小軸直徑的設(shè)計(jì)
功率P=5271.2KW，轉(zhuǎn)速n=61.71r/m。
所以d=600。，
（2）結(jié)構(gòu)設(shè)如下：
圖3-5中間軸
齒輪采用的是直齒，因此軸主要承受扭矩，其工作能力按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算。根據(jù)以上情況，經(jīng)行軸的強(qiáng)度校核。
扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：
mm 45鋼＝30～40
根據(jù)條件，按照強(qiáng)度校核公式計(jì)算：
故滿足強(qiáng)度要求。
3.4箱體
箱體是齒輪箱的重要零件，它承受來自風(fēng)輪的作用力和齒輪傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反力。箱體必須有足夠的剛性去承受力和力矩的作用，防止變形，保證傳動(dòng)質(zhì)量。箱體的設(shè)計(jì)應(yīng)按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)力傳動(dòng)的布局、加工和裝配、檢查以及維護(hù)等要求來進(jìn)行。應(yīng)注意軸承支撐和機(jī)座支撐的不同方向的反力及其相對值，選取合適的支撐結(jié)構(gòu)和壁厚，增設(shè)必要的加強(qiáng)筋。筋的