摘要
机械设计制造及其自动化专业
学生： 指导教师：
【摘 要】风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣，风电齿轮箱
作为风电机组的核心部件，倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。但由于
国内风电齿轮箱的研究起步较晚，技术薄弱。因此，急需对风电齿轮箱进行自主
开发研究，真正掌握风电齿轮箱设计制造技术，以实现风机国产化目标。
本文设计的是小型家用风力发电机组的齿轮箱，通过方案的选取，齿轮参数
计算等对其配套的齿轮箱进行自主设计。
首先，确定齿轮箱的机械结构。选取两级定轴+一级行星传动方案，通过计
算，确定各级传动的齿轮参数。对行星齿轮传动进行受力分析，得出各级齿轮受
力结果。依据标准进行静强度校核，结果符合安全要求。
【关键词】 风力发电；风机齿轮箱；结构设计
Abstract
【Abstract】 The rapid development of wind power industry contributed to the
prosperity of wind power equipment manufacturing industry, wind power wind turbine gear box as a core component of much domestic and foreign wind power related industries and research bodies. However, due to the domestic wind turbine gearbox of a late start, technical weakness. Therefore, the urgent need for a wind turbine gearbox for independent research and development, and truly master the wind turbine gearbox design and manufacturing technology to achieve the goal of domestic fans.
This design is a small home wind turbine gearbox, through the program's
selection, parameter calculation gear gearbox supporting its own design.
First, the mechanical structure of the gear box. Select two fixed axis + a
planetary transmission scheme, through calculations to determine the levels of the drive gear parameters. Stress analysis on the planetary gear transmission, gear force levels obtained results. According to the standard for static strength check, the results meet the safety requirements.
【Key words】Wind power generation; wind turbine gearboxes; structural design
目 录
摘要 ....................................................................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................................................ II
第一章 绪论 ........................................................................................................................................................ 2
1.1 研究背景及研究意义 ........................................................................................................................... 2
1.2 国内外研究综述 ................................................................................................................................... 3
1.2.1 国外研究现状与发展趋势 ........................................................................................................ 3
1.2.2 国内研究现状与发展趋势 ........................................................................................................ 4
1.3本课题的研究目的与内容 .................................................................................................................... 5
1.3.1研究目的 ..................................................................................................................................... 5
1.3.2研究内容 ..................................................................................................................................... 5
第二章 风力发电机增速箱传动方案确定 ........................................................................................................ 6
2.1增速器基本设计要求及设计步骤 ...................................................................... 错误！未定义书签。
2.2传动方案及运动原理图 ...................................................................................... 错误！未定义书签。
第三章 增速箱总体结构设计 .......................................................................................... 错误！未定义书签。
3.1行星轮系传动设计 .............................................................................................. 错误！未定义书签。
3.1.1 行星轮的传动简图 .................................................................................. 错误！未定义书签。
3.1.2 行星轮传动的配齿计算 .......................................................................... 错误！未定义书签。
3.1.3 初步计算齿轮的主要参数 ...................................................................... 错误！未定义书签。
3.1.4 装配条件验算 .......................................................................................... 错误！未定义书签。
3.1.5 传动效率计算 .......................................................................................... 错误！未定义书签。
3.2第二级平行轴圆柱斜齿轮设计 .......................................................................... 错误！未定义书签。
3.3第三级平行轴圆柱直齿轮设计 .......................................................................... 错误！未定义书签。
第四章 传动件材料选择及校核 ...................................................................................... 错误！未定义书签。
4.1 行星传动强度校核 ............................................................................................. 错误！未定义书签。
4.2 第二级斜齿传动强度校核 ................................................................................. 错误！未定义书签。
4.3 第三级直齿传动强度校核 ................................................................................. 错误！未定义书签。
第五章 总结与展望 .......................................................................................................... 错误！未定义书签。
5.1 全文总结 ............................................................................................................. 错误！未定义书签。
5.2 全文总结 ............................................................................................................. 错误！未定义书签。 参考文献 ............................................................................................................................ 错误！未定义书签。 致谢 .................................................................................................................................... 错误！未定义书签。
四川大学锦江学院毕业论文（设计）
第一章 绪论
1.1 研究背景及研究意义
石油、煤、水或核电是当今世界能源的主要构成部分。随着科技进步和国民经济的日益发展，能源的需求量也在不断增长。而传统能源的一些弊端也逐渐显露。石油资源日益枯竭，而燃煤、核能等又存在大量环境污染和安全隐患，寻找新的可再生清洁能源、改善世界能源结构就成为了世界各国迫在眉睫的头等大事。经过三十几年对可再生能源现代开发的研究和应用，目前，新型清洁可再生能源的优势已逐步体现。
作为一种洁净无污染的可再生能源，风能是人类最早利用的能源之一。作为为太阳能的一种形式，风能取之不尽，用之不竭，分布广泛、储量巨大、清洁无污染。据有关资料显示，地球上近地层的风能总量约为13000亿千瓦。从理论上讲，地球上1%的风能就能完全满足全世界的能源需求。
我国风力资源十分丰富，风能资源总储量为32.26亿千瓦，实际可开发量为2.53亿千瓦，约占7.8%。十五”期间，我国加快了风电产业发展步伐。装机总容量首次进入世界风电规模前十位，紧随欧美传统风力发电强国，成为风电应用最为广泛的国家之一。进入新千年后，我国风电产业进一步迅猛发展，风力发电电厂建设和设备制造成为科研前沿和热门产业。
虽然我国风电事业发展如此迅猛，但其生产设备长期依赖进口，在自主开发风力发电机方面还比较落后，特别是大功率发电机组的核心技术领域更是基本属于空白。国内各大主要风力发电厂的生产机组基本全部是引进国外设备，部分国产机组也是以仿制国外产品为主，核心技术领域仍然是空白，设计水平以及实验水平与国外先进技术相比不可同日而语。而且不同地域的风况存在较大差异，这也造成了仿制风机的“水土不服’’，很难达到生产应用
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四川大学锦江学院毕业论文（设计）
要求。所以单纯的仿制并不能解决我国风力发电机设计水平较差的现状，必须以提高我国风力机的设计和研究水平为目标来实现“国产化”，设计出具有自主知识产权的风力发电核心设备，突破我国风电行业发展的“瓶颈”，使风电行业走上一条健康发展之路。
1.2 国内外研究综述
1.2.1 国外研究现状与发展趋势
进入二十世纪九十年代以来，世界各发达国家纷纷加大了风电技术开发力度。由于传统能源的短缺危机及对环境保护的要求日益严格，特别是哥本哈根国际气候峰会等环境保护会议的纷纷举行，进一步为风电行业的飞速发展提供了历史契机。早在2004年，美国就已经实现了风力发电在全国范围内的普遍应用，风力发电的总装机容量已经超过6740MW，可以达到20%的普通居民用电要求。而风力资源比较丰富的加拿大发展风电的步伐也十分迅速，风力发电已成为其能源结构的一个重要构成。到2015年，加拿大的风力发电能力预计将达到4700MW。传统风电强国—德国、西班牙、荷兰等国家的风力发电发展速度也以惊人的速度在增长。作为我们的邻国和主要经济竞争对手，印度在风力发电领域走在了我国的前面。经过短短的二十年时间，印度风电产业从无到有，从弱到强，迅速成为世界上风力发电应用最为广泛的国家之一。
轻型、高效、高可靠性及大功率是现代风力发电机组的主要发展方向。经过近五十年的研究与发展，风力发电技术由百千瓦级向兆瓦级甚至十兆瓦级发展，它极大地提高了电厂单位面积发电量，极大提高了风力发电的经济效益。二十世纪八十年代以来，由于相关技术的逐渐成熟，风力发电技术迎来了一个大踏步前进的时期。风机容量由55KW发展到了5MW，可靠性也得到了大幅提升，西班牙等国目前已经开始研制10MW风力发电机组。在风电产业发展的初期，由于受到技术限制，单个零部件的结构动力学的研究只是
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四川大学锦江学院毕业论文（设计）
停留在准静态空气动力学阶段，对于结构动力学仅仅采用放大动力学系数的经验计算方法。随着风力发电机组设计制造水平和计算机技术的发展，设计人员在研究工作中开始考虑更可靠的动态分析方法—利用有限元分析法和模态分析法两种方法对整机进行动态分析。而叶片、轴承、齿轮箱等核心部分的研究是各国在风力机组件的设计研究中的重点。其中，风力发电机组的心脏——齿轮箱更是研究的重中之重。
1.2.2 国内研究现状与发展趋势
我国幅员辽阔，风能储量惊人，具备大规模开发风电的前提条件。目前我国新能源应用仍以水电为主，但与水能储量相比，我国风能储量毫不逊色。根据有关资料显示，我国各类可开发风电装机容量可达10亿千瓦，远超欧美风电强国，所以我国开发风电产业是具有先天优势的。但由于技术限制，我国风能资源开发利用早期阶段以分散、小规模试验和示范形式为主，20世纪90年代规模化风力发电场才开始建设，进入大规模使用阶段。
虽然我国风电业增长率十分喜人，但是在规模上与世界上风电强国之间的差距仍然十分明显，并不匹配我国巨大的风能存储量。其根本原因还是风力发电技术尤其是风力发电机的关键部件的研究上遭遇“瓶颈”，比如大功率齿轮箱的设计、轴承的设计等都远远落后于世界先进水平。目前，我国国产风电机组能够批量生产的是定桨距的600KW、750KW的机组，该风电机组是国外十多年前的主流技术的产品。即使如此，在实际生产和运行过程中仍然反映出故障率过高的问题，比如浆叶的断裂，增速齿轮箱的齿轮失效等等。
由此可见，为了实现我国风力发电技术健康迅速发展的目标，建立完善的设计体系和故障分析体系，放弃单纯模仿，真正掌握核心部件设计方法将是我们在下一阶段工作的首要任务。
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四川大学锦江学院毕业论文（设计）
1.3本课题的研究目的与内容
1.3.1研究目的
在风力发电机组的各个部分中，齿轮箱是故障率最高的部件之一，它也是我国风力发电机组设计的主要瓶颈。目前，国产风力发电机齿轮箱的故障主要集中在齿轮箱工作寿命达不到设计要求。其中齿轮失效是齿轮箱发生故障的主要原因。因此，合理设计齿轮箱传动系统就成为风力发电机制造的关键。
本文以家用1KW级风力发电机为例，通过一种新型多级混合式增速器的结构及传动设计，并对主要零部件进行受力分析、计算与校核。为打破国外垄断，实现我国风力发电机国产化贡献绵薄之力。
1.3.2研究内容
本文的主要研究内容主要包括以下两个方面：
(1) 1KW风力发电组增速器的设计
风力发电机组的基本工作原理是风力推动叶轮产生动力和相应转速，再由增速器传递给发电机并使其产生电能。本文结合CAD设计方法，对增速器箱体进行结构设计，然后对齿轮传动装置设计，对传动类型采用一种新型混合式传动。由一级行星轮系和两级平行轴轮系组成，齿轮箱结构安全可靠，符合标准。
(2) 危险零部件应力分析
针对增速器中齿轮、齿轮轴等危险部件进行受力分析和计算，校核其强度，从而验证设计方案的可靠。
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第二章 风力发电机增速箱传动方案确定
专业代做毕设，请联系QQ545675353
摘要
机械设计制造及其自动化专业
学生： 指导教师：
【摘 要】风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣，风电齿轮箱
作为风电机组的核心部件，倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。但由于
国内风电齿轮箱的研究起步较晚，技术薄弱。因此，急需对风电齿轮箱进行自主
开发研究，真正掌握风电齿轮箱设计制造技术，以实现风机国产化目标。
本文设计的是小型家用风力发电机组的齿轮箱，通过方案的选取，齿轮参数
计算等对其配套的齿轮箱进行自主设计。
首先，确定齿轮箱的机械结构。选取两级定轴+一级行星传动方案，通过计
算，确定各级传动的齿轮参数。对行星齿轮传动进行受力分析，得出各级齿轮受
力结果。依据标准进行静强度校核，结果符合安全要求。
【关键词】 风力发电；风机齿轮箱；结构设计
Abstract
【Abstract】 The rapid development of wind power industry contributed to the
prosperity of wind power equipment manufacturing industry, wind power wind turbine gear box as a core component of much domestic and foreign wind power related industries and research bodies. However, due to the domestic wind turbine gearbox of a late start, technical weakness. Therefore, the urgent need for a wind turbine gearbox for independent research and development, and truly master the wind turbine gearbox design and manufacturing technology to achieve the goal of domestic fans.
This design is a small home wind turbine gearbox, through the program's
selection, parameter calculation gear gearbox supporting its own design.
First, the mechanical structure of the gear box. Select two fixed axis + a
planetary transmission scheme, through calculations to determine the levels of the drive gear parameters. Stress analysis on the planetary gear transmission, gear force levels obtained results. According to the standard for static strength check, the results meet the safety requirements.
【Key words】Wind power generation; wind turbine gearboxes; structural design
目 录
摘要 ....................................................................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................................................ II
第一章 绪论 ........................................................................................................................................................ 2
1.1 研究背景及研究意义 ........................................................................................................................... 2
1.2 国内外研究综述 ................................................................................................................................... 3
1.2.1 国外研究现状与发展趋势 ........................................................................................................ 3
1.2.2 国内研究现状与发展趋势 ........................................................................................................ 4
1.3本课题的研究目的与内容 .................................................................................................................... 5
1.3.1研究目的 ..................................................................................................................................... 5
1.3.2研究内容 ..................................................................................................................................... 5
第二章 风力发电机增速箱传动方案确定 ........................................................................................................ 6
2.1增速器基本设计要求及设计步骤 ...................................................................... 错误！未定义书签。
2.2传动方案及运动原理图 ...................................................................................... 错误！未定义书签。
第三章 增速箱总体结构设计 .......................................................................................... 错误！未定义书签。
3.1行星轮系传动设计 .............................................................................................. 错误！未定义书签。
3.1.1 行星轮的传动简图 .................................................................................. 错误！未定义书签。
3.1.2 行星轮传动的配齿计算 .......................................................................... 错误！未定义书签。
3.1.3 初步计算齿轮的主要参数 ...................................................................... 错误！未定义书签。
3.1.4 装配条件验算 .......................................................................................... 错误！未定义书签。
3.1.5 传动效率计算 .......................................................................................... 错误！未定义书签。
3.2第二级平行轴圆柱斜齿轮设计 .......................................................................... 错误！未定义书签。
3.3第三级平行轴圆柱直齿轮设计 .......................................................................... 错误！未定义书签。
第四章 传动件材料选择及校核 ...................................................................................... 错误！未定义书签。
4.1 行星传动强度校核 ............................................................................................. 错误！未定义书签。
4.2 第二级斜齿传动强度校核 ................................................................................. 错误！未定义书签。
4.3 第三级直齿传动强度校核 ................................................................................. 错误！未定义书签。
第五章 总结与展望 .......................................................................................................... 错误！未定义书签。
5.1 全文总结 ............................................................................................................. 错误！未定义书签。
5.2 全文总结 ............................................................................................................. 错误！未定义书签。 参考文献 ............................................................................................................................ 错误！未定义书签。 致谢 .................................................................................................................................... 错误！未定义书签。
四川大学锦江学院毕业论文（设计）
第一章 绪论
1.1 研究背景及研究意义
石油、煤、水或核电是当今世界能源的主要构成部分。随着科技进步和国民经济的日益发展，能源的需求量也在不断增长。而传统能源的一些弊端也逐渐显露。石油资源日益枯竭，而燃煤、核能等又存在大量环境污染和安全隐患，寻找新的可再生清洁能源、改善世界能源结构就成为了世界各国迫在眉睫的头等大事。经过三十几年对可再生能源现代开发的研究和应用，目前，新型清洁可再生能源的优势已逐步体现。
作为一种洁净无污染的可再生能源，风能是人类最早利用的能源之一。作为为太阳能的一种形式，风能取之不尽，用之不竭，分布广泛、储量巨大、清洁无污染。据有关资料显示，地球上近地层的风能总量约为13000亿千瓦。从理论上讲，地球上1%的风能就能完全满足全世界的能源需求。
我国风力资源十分丰富，风能资源总储量为32.26亿千瓦，实际可开发量为2.53亿千瓦，约占7.8%。十五”期间，我国加快了风电产业发展步伐。装机总容量首次进入世界风电规模前十位，紧随欧美传统风力发电强国，成为风电应用最为广泛的国家之一。进入新千年后，我国风电产业进一步迅猛发展，风力发电电厂建设和设备制造成为科研前沿和热门产业。
虽然我国风电事业发展如此迅猛，但其生产设备长期依赖进口，在自主开发风力发电机方面还比较落后，特别是大功率发电机组的核心技术领域更是基本属于空白。国内各大主要风力发电厂的生产机组基本全部是引进国外设备，部分国产机组也是以仿制国外产品为主，核心技术领域仍然是空白，设计水平以及实验水平与国外先进技术相比不可同日而语。而且不同地域的风况存在较大差异，这也造成了仿制风机的“水土不服’’，很难达到生产应用
2
四川大学锦江学院毕业论文（设计）
要求。所以单纯的仿制并不能解决我国风力发电机设计水平较差的现状，必须以提高我国风力机的设计和研究水平为目标来实现“国产化”，设计出具有自主知识产权的风力发电核心设备，突破我国风电行业发展的“瓶颈”，使风电行业走上一条健康发展之路。
1.2 国内外研究综述
1.2.1 国外研究现状与发展趋势
进入二十世纪九十年代以来，世界各发达国家纷纷加大了风电技术开发力度。由于传统能源的短缺危机及对环境保护的要求日益严格，特别是哥本哈根国际气候峰会等环境保护会议的纷纷举行，进一步为风电行业的飞速发展提供了历史契机。早在2004年，美国就已经实现了风力发电在全国范围内的普遍应用，风力发电的总装机容量已经超过6740MW，可以达到20%的普通居民用电要求。而风力资源比较丰富的加拿大发展风电的步伐也十分迅速，风力发电已成为其能源结构的一个重要构成。到2015年，加拿大的风力发电能力预计将达到4700MW。传统风电强国—德国、西班牙、荷兰等国家的风力发电发展速度也以惊人的速度在增长。作为我们的邻国和主要经济竞争对手，印度在风力发电领域走在了我国的前面。经过短短的二十年时间，印度风电产业从无到有，从弱到强，迅速成为世界上风力发电应用最为广泛的国家之一。
轻型、高效、高可靠性及大功率是现代风力发电机组的主要发展方向。经过近五十年的研究与发展，风力发电技术由百千瓦级向兆瓦级甚至十兆瓦级发展，它极大地提高了电厂单位面积发电量，极大提高了风力发电的经济效益。二十世纪八十年代以来，由于相关技术的逐渐成熟，风力发电技术迎来了一个大踏步前进的时期。风机容量由55KW发展到了5MW，可靠性也得到了大幅提升，西班牙等国目前已经开始研制10MW风力发电机组。在风电产业发展的初期，由于受到技术限制，单个零部件的结构动力学的研究只是
3
四川大学锦江学院毕业论文（设计）
停留在准静态空气动力学阶段，对于结构动力学仅仅采用放大动力学系数的经验计算方法。随着风力发电机组设计制造水平和计算机技术的发展，设计人员在研究工作中开始考虑更可靠的动态分析方法—利用有限元分析法和模态分析法两种方法对整机进行动态分析。而叶片、轴承、齿轮箱等核心部分的研究是各国在风力机组件的设计研究中的重点。其中，风力发电机组的心脏——齿轮箱更是研究的重中之重。
1.2.2 国内研究现状与发展趋势
我国幅员辽阔，风能储量惊人，具备大规模开发风电的前提条件。目前我国新能源应用仍以水电为主，但与水能储量相比，我国风能储量毫不逊色。根据有关资料显示，我国各类可开发风电装机容量可达10亿千瓦，远超欧美风电强国，所以我国开发风电产业是具有先天优势的。但由于技术限制，我国风能资源开发利用早期阶段以分散、小规模试验和示范形式为主，20世纪90年代规模化风力发电场才开始建设，进入大规模使用阶段。
虽然我国风电业增长率十分喜人，但是在规模上与世界上风电强国之间的差距仍然十分明显，并不匹配我国巨大的风能存储量。其根本原因还是风力发电技术尤其是风力发电机的关键部件的研究上遭遇“瓶颈”，比如大功率齿轮箱的设计、轴承的设计等都远远落后于世界先进水平。目前，我国国产风电机组能够批量生产的是定桨距的600KW、750KW的机组，该风电机组是国外十多年前的主流技术的产品。即使如此，在实际生产和运行过程中仍然反映出故障率过高的问题，比如浆叶的断裂，增速齿轮箱的齿轮失效等等。
由此可见，为了实现我国风力发电技术健康迅速发展的目标，建立完善的设计体系和故障分析体系，放弃单纯模仿，真正掌握核心部件设计方法将是我们在下一阶段工作的首要任务。
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四川大学锦江学院毕业论文（设计）
1.3本课题的研究目的与内容
1.3.1研究目的
在风力发电机组的各个部分中，齿轮箱是故障率最高的部件之一，它也是我国风力发电机组设计的主要瓶颈。目前，国产风力发电机齿轮箱的故障主要集中在齿轮箱工作寿命达不到设计要求。其中齿轮失效是齿轮箱发生故障的主要原因。因此，合理设计齿轮箱传动系统就成为风力发电机制造的关键。
本文以家用1KW级风力发电机为例，通过一种新型多级混合式增速器的结构及传动设计，并对主要零部件进行受力分析、计算与校核。为打破国外垄断，实现我国风力发电机国产化贡献绵薄之力。
1.3.2研究内容
本文的主要研究内容主要包括以下两个方面：
(1) 1KW风力发电组增速器的设计
风力发电机组的基本工作原理是风力推动叶轮产生动力和相应转速，再由增速器传递给发电机并使其产生电能。本文结合CAD设计方法，对增速器箱体进行结构设计，然后对齿轮传动装置设计，对传动类型采用一种新型混合式传动。由一级行星轮系和两级平行轴轮系组成，齿轮箱结构安全可靠，符合标准。
(2) 危险零部件应力分析
针对增速器中齿轮、齿轮轴等危险部件进行受力分析和计算，校核其强度，从而验证设计方案的可靠。
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第二章 风力发电机增速箱传动方案确定
专业代做毕设，请联系QQ545675353