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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)
題 目： 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速箱傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
與運(yùn)動(dòng)仿真
學(xué) 院：
2017年6月1日
誠(chéng)信聲明
. 本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院和其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位和證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所作的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了感謝。
簽名：__________ 日期：____________
關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明
本人完全了解湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院可以將本學(xué)位論文的全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存或匯編本學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)經(jīng)湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院認(rèn)可的國(guó)家有關(guān)機(jī)構(gòu)或論文數(shù)據(jù)庫(kù)使用或收錄本學(xué)位論文，并向社會(huì)公眾提供信息服務(wù)。
(保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定)
簽名：_______ 指導(dǎo)老師（簽名）：________ 日期：_________
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒 論 1
1.1 研究的背景 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 2
1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 3
1.3 研究的目的與內(nèi)容 4
1.3.1研究的目的 4
1.3.2研究的內(nèi)容 4
第2章 兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速箱設(shè)計(jì) 6
2.1 傳動(dòng)方案的確定 6
2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算 8
2.2.1傳動(dòng)比和分配傳動(dòng)比及齒數(shù)的確定 8
2.2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪參數(shù)確定 10
2.2.4 軸的尺寸和結(jié)構(gòu)確定 12
2.3零部件強(qiáng)度校核 12
第3章 增速箱零部件的建模 17
3．1齒輪的建模 17
3.1.1 外嚙合直齒圓柱齒輪建模 17
3.1.2 外嚙合斜齒圓柱齒輪建模 20
3.1.3 內(nèi)齒圈的建模 21
3.2 軸的建模 22
3.2.1 中心軸的建模 22
3.2.2 第I級(jí)輸出軸的建模 22
3.2.3 第II級(jí)輸出軸的建模 23
3.3 行星架的建模 23
3.4 軸承的建模 24
3.5 增速箱箱體的建模 24
第4章 增速箱的虛擬裝配 25
4.1 裝配簡(jiǎn)介 25
4.2 裝配約束 26
4.3 傳動(dòng)系統(tǒng)裝配 27
4.3.1 行星輪系裝配 27
4.3.2 第I級(jí)定軸系裝配 28
4.3.3 第II級(jí)定軸系裝配 30
4.3.4 傳動(dòng)系統(tǒng)總裝配 30
4．4 總裝配 31
第5章 增速箱的仿真及運(yùn)動(dòng)分析 33
5.1 增速箱的仿真 33
5.1.1 設(shè)置環(huán)境的確定 33
5.1.2 定義運(yùn)動(dòng)副 34
5.1.3 運(yùn)動(dòng)仿真 35
5.2 齒輪傳動(dòng)各部件運(yùn)動(dòng)分析 36
致 謝 47
參 考 文 獻(xiàn) 48
大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速箱設(shè)計(jì)仿真及模態(tài)分析
摘 要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種動(dòng)力機(jī)械，它的特點(diǎn)是用葉片捕捉風(fēng)能使其產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。然而轉(zhuǎn)速非常低不足以達(dá)到發(fā)電機(jī)的輸入要求，所以需要增速箱來(lái)達(dá)到發(fā)電的要求。
由于風(fēng)速的隨機(jī)性特點(diǎn)，使得齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)長(zhǎng)期處于較為復(fù)雜的變載荷作用下，從而產(chǎn)生振動(dòng)，這些振動(dòng)將會(huì)引起齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損壞，進(jìn)而降低了齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此設(shè)計(jì)高效可靠的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)就是我國(guó)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。
本文是通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的分析和研究，根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件——增速箱進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文提出的是一種混合式風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速箱，由一級(jí)行星輪系和兩級(jí)平行定軸系組成。確定方案之后，對(duì)增速箱虛擬樣機(jī)、仿真、整機(jī)動(dòng)力分析、虛擬樣機(jī)及虛擬環(huán)境等方面進(jìn)行較系統(tǒng)和深入的研究。通過(guò)UG7.5軟件構(gòu)建精確的虛擬樣機(jī)模型和建立準(zhǔn)確的虛擬裝配關(guān)系，利用相關(guān)有限元分析軟件，對(duì)危險(xiǎn)部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核。根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，對(duì)傳動(dòng)方案的合理性進(jìn)行了進(jìn)一步的論證。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；增速箱；仿真；UG；虛擬樣機(jī)
Large wind generator growth box design simulation and modal analysis
Abstract： Wind turbine is one of the types of the wind energy into electrical energy machinery, its characteristic is captured on blade wind make its produce rotation. However, speed is very low enough to meet the input requirements of generator, so need to growth of box to meet the needs of power generation. At present, the capacity of generator can achieve megawatt。
Because growth in the wind generator is very important parts, so it is also one of the highest link failure rate, and the wind power industry in our country is difficult to conquer technical points. Due to the stochastic characteristics of wind speed, makes the gearbox transmission system under complex variable load for a long time, resulting in a vibration, the vibration will cause damage of the internal structure of the gear transmission system, and thus the stability of the gear transmission system. So the design of efficient and reliable gear transmission system is the key to the development of wind power industry in our country.
This article is based on the analysis and research of the wind turbine drive system , according to the domestic and foreign research present situation, the core components of wind turbine - growth box design. Proposed in this paper is a kind of hybrid wind turbines growth box, level by level of planetary gear train and two parallel fixed axis gear train components. Sure after, to the growth in cases of virtual prototype, the simulation and dynamic analysis, the virtual prototype and virtual environment was studied systematically and in-depth. Through UG7.5 software to build the virtual prototype model of accurate and establish accurate virtual assembly relationship, using the finite element analysis software, the intensity of dangerous parts.The results of the system dynamics analysis on the rationality of the transmission scheme of further argument.
Key：Wind turbines；Growth in the box；The simulation；UG; The virtual prototype
II
第1章 緒 論
1.1 研究的背景
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速的發(fā)展，能源的消耗逐年增長(zhǎng)，然而能源和環(huán)境的問(wèn)題日趨嚴(yán)峻。而石油資源日益枯竭，燃煤、核能等資源又存在大量環(huán)境污染和安全隱患，因此尋找新的可再生清潔能源、改善世界能源結(jié)構(gòu)就成為了世界各國(guó)的首要任務(wù)之一。風(fēng)能作為眾多新能源里的最易得到的而且清潔無(wú)污染可以再生，已逐步受到了全世界的重視。自然界中的風(fēng)能資源極其巨大，據(jù)相關(guān)資料顯示：地球上風(fēng)能總量能達(dá)到13000億千瓦。如果我們能夠充分的利用其百分之一的能源，就可以滿足我們社會(huì)能源的需求。
風(fēng)能它是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的一種形式，在地球上廣泛存在。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為利用風(fēng)能的主要形式受到全世界的關(guān)注，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品質(zhì)量得到了很大的提高，同時(shí)隨著風(fēng)力發(fā)電成本的逐漸降低，風(fēng)電作為最具有競(jìng)爭(zhēng)力的新型能源，不僅能保障能源的供應(yīng)安全，實(shí)現(xiàn)能源來(lái)源的多樣化，同時(shí)還對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，控制大氣污染和減排溫室氣體有著非常重要的作用。
在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱作為一個(gè)重要的機(jī)械傳動(dòng)部件之一，主要功用是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱在風(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，其性能好壞直接決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能的好壞。根據(jù)國(guó)際風(fēng)能大會(huì)提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，風(fēng)力機(jī)齒輪箱的失效率占到風(fēng)電系統(tǒng)是效率的12%。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的逐漸大型化，在兆瓦級(jí)發(fā)電機(jī)組中，最流行的增速機(jī)構(gòu)是由行星輪系和定軸系不同的組合，以此來(lái)達(dá)到驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。雖然最近出現(xiàn)由風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)多級(jí)發(fā)電機(jī)的形式和混合的傳動(dòng)形式，然而在現(xiàn)在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，二者的成本要高于齒輪箱增速。而且，其工作在變載荷的惡劣工況下，并處于高空架設(shè)，維護(hù)成本的逐漸提高，對(duì)齒輪箱系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求也越來(lái)越高。由于風(fēng)力的隨機(jī)性特點(diǎn)，葉片對(duì)齒輪箱隨機(jī)性載荷的作用引起了齒輪箱系統(tǒng)的振動(dòng)，這些振動(dòng)導(dǎo)致了齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)的疲勞損壞，降低了齒輪箱系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加了維護(hù)成本。為了減少由振動(dòng)引起的齒輪箱系統(tǒng)的故障，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，對(duì)齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究是非常重要的。
隨著風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的迅速發(fā)展，裝機(jī)容量的提高，人們對(duì)齒輪箱系統(tǒng)的要求也在不斷提高，這就使得更為準(zhǔn)確的研究齒輪箱系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性和優(yōu)化設(shè)計(jì)變得越來(lái)越重要。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
我國(guó)的風(fēng)力資源十分豐富，風(fēng)能的總儲(chǔ)存量大約為40億千瓦，裝機(jī)總?cè)萘窟M(jìn)入世界風(fēng)力發(fā)電規(guī)模前列，緊跟歐美地區(qū)傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)。但2012年中國(guó)新增安裝風(fēng)電機(jī)組7872臺(tái)，裝機(jī)容量12960MW，同比降26.5%，這是自2011年以來(lái)連續(xù)第二年風(fēng)電新增裝機(jī)增速下滑。此前國(guó)內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)容量保持多年高速增長(zhǎng)。2011年，由于國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)產(chǎn)能過(guò)剩，加上政策調(diào)整，風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)開始逆轉(zhuǎn)。截至2012年年底，中國(guó)已建成的海上風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目共計(jì)389.6MW，是除英國(guó)、丹麥以外海上風(fēng)電裝機(jī)容量最多的國(guó)家。
根據(jù)中國(guó)資源綜合利用協(xié)會(huì)可再生能源專業(yè)委員會(huì)和國(guó)際環(huán)保組織綠色和平兩家機(jī)構(gòu)最新發(fā)布的《中國(guó)風(fēng)電發(fā)展報(bào)告2010》預(yù)測(cè):2020年，中國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)可以達(dá)到2.3億千瓦，相當(dāng)于13個(gè)三峽電站;總發(fā)電量可以達(dá)到4649億千瓦時(shí)，相當(dāng)于取代200個(gè)火電廠。
與此同時(shí)，受國(guó)際風(fēng)電發(fā)展大型化趨勢(shì)的影響我國(guó)大型風(fēng)電企業(yè)也開始進(jìn)入風(fēng)電裝備大型化的競(jìng)爭(zhēng)行列之中。2009年我國(guó)在多兆瓦級(jí)(>2MW)風(fēng)電機(jī)組研制方面取得了新的成果，如金風(fēng)科技股份有限公司研制的2.SMW和3MW風(fēng)電機(jī)組以投入試行。此外，我國(guó) 華銳、金風(fēng)、東汽、海上風(fēng)電等企業(yè)已經(jīng)開始研制單機(jī)容量為SMW的風(fēng)電機(jī)組，我國(guó)開始全面邁進(jìn)MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組的研制領(lǐng)域。然而，風(fēng)機(jī)制造行業(yè)也面臨著質(zhì)量過(guò)關(guān)等問(wèn)題。
雖然在我國(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)上發(fā)展如此迅猛，但其生產(chǎn)設(shè)備長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，在自主開發(fā)風(fēng)力發(fā)電機(jī)方面還比較落后，特別是兆瓦級(jí)、大功率等發(fā)電機(jī)組的核心技術(shù)領(lǐng)域更是基本屬于空白。國(guó)內(nèi)各大主要風(fēng)力發(fā)電廠的生產(chǎn)機(jī)組基本全部是引進(jìn)國(guó)外設(shè)備，部分國(guó)產(chǎn)機(jī)組也是以仿制國(guó)外產(chǎn)品為主，核心技術(shù)領(lǐng)域仍然是缺乏，設(shè)計(jì)水平以及實(shí)驗(yàn)水平與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比還是比較的落后，而且不同地域的風(fēng)況存在較大的差異，因此也就造成了仿制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不適合地域的環(huán)境，進(jìn)而加速了設(shè)備的維護(hù)成本和資源的浪費(fèi)等問(wèn)題。所以單純的仿制是不能解決我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)水平較差，那么就必須提高我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)水平和研究水平，根據(jù)我國(guó)的地形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出具有我國(guó)特點(diǎn)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)力發(fā)電核心設(shè)備，使得我國(guó)在風(fēng)電發(fā)電行業(yè)越走越好。
1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
在世界風(fēng)力發(fā)電飛速發(fā)展的歷程中，19世紀(jì)末期，丹麥?zhǔn)紫妊兄屏孙L(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并建立了世界上第一個(gè)風(fēng)力發(fā)電站。一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)開始不斷地研制類型各異的發(fā)電機(jī)組。歐洲風(fēng)力發(fā)電在世紀(jì)之交可為獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，突飛猛進(jìn)。到2010年，歐洲可再生能源的發(fā)電量要翻一番，即從1998年占?xì)W洲電能需求量的7%提高到。西班牙以250萬(wàn)KW的新增裝機(jī)容量成為歐洲新增裝機(jī)的國(guó)家，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到1910萬(wàn)KW。
根據(jù)全球風(fēng)能委員會(huì)(GWEC)公布的數(shù)據(jù)顯示，如圖2.1和2.2所示，2011年全球風(fēng)能總裝機(jī)容量為240GW，比2010年多43 GW ，2009年為159GW，2008年為121GW。歐洲、北美和亞洲成為全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)主要的集中地。亞洲后來(lái)居上，從2009年開始新增裝機(jī)容量超過(guò)北美，成為了世界新增裝機(jī)容量最多的地區(qū)，2011年繼續(xù)領(lǐng)先。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在其他發(fā)展中國(guó)家也有了新的發(fā)展，比如印度、巴西、墨西哥以及北非。根據(jù)現(xiàn)階段的趨勢(shì)可以看出，未來(lái)不久，風(fēng)力發(fā)電在發(fā)展中國(guó)家的發(fā)展速度將會(huì)超過(guò)發(fā)達(dá)國(guó)家。
圖2．1全球近年來(lái)風(fēng)電總裝機(jī)圖
圖2.2 全球2010累計(jì)裝機(jī)前10位國(guó)家（單位：MW）
從全世界來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電主要發(fā)展趨勢(shì)：在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，由于新型材料的運(yùn)用、設(shè)計(jì)水平的進(jìn)步、控制技術(shù)的改進(jìn)等，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)正朝著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容量大、適應(yīng)性好、穩(wěn)定性高、發(fā)電效率高、壽命長(zhǎng)、智能化程度高和低成本方向發(fā)展。①單機(jī)容量大型化。為降低風(fēng)力發(fā)電單位造價(jià)及成本，世界各國(guó)爭(zhēng)相研制大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)，兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組己成為國(guó)際市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品;②柔性結(jié)構(gòu)的運(yùn)用。采用柔性葉片和柔性塔架，可降低材料的消耗和最大限度的吸收振動(dòng)、減輕動(dòng)載荷、明顯的降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)成本。③變速變槳調(diào)節(jié)會(huì)成為世界主流技術(shù)。④風(fēng)力發(fā)電將成為主要替代能源之一。在歐洲，到2006年風(fēng)電發(fā)電量占總發(fā)電量的3%，預(yù)計(jì)到了2020年將會(huì)達(dá)到12%，到2030年會(huì)達(dá)到30%。所以我們有理由相信在不久，風(fēng)力發(fā)電將成為世界主要的替代能源之一。
1.3 研究的目的與內(nèi)容
1.3.1研究的目的
本文以2000KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，通過(guò)設(shè)計(jì)一種新型多級(jí)混合式增速器，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中行星齒輪增速器的動(dòng)力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)整機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)提高增速器各項(xiàng)性能的目標(biāo)并實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電裝置虛擬工作環(huán)境的構(gòu)建。
1.3.2研究的內(nèi)容
本文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
（1）兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)增速箱設(shè)計(jì)：
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作的基本原理是風(fēng)力推動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，再由增速箱傳遞給發(fā)電機(jī)并使其產(chǎn)生電能。本文結(jié)合UG7.5建模，設(shè)計(jì)出一種新型混合式增速箱。該增速箱是由一級(jí)行星輪系和兩級(jí)平行軸輪系組成，結(jié)構(gòu)安全可靠。
（2）增速箱虛擬樣機(jī)的構(gòu)建：
根據(jù)設(shè)計(jì)方案，利用UG7.5軟件構(gòu)建虛擬樣機(jī)，并對(duì)各零件進(jìn)行合理約束，為下一步有限元分析和動(dòng)力學(xué)分析提供模型。
(3) 增速箱的仿真：
根據(jù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬樣機(jī)的仿真。
第2章 兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速箱設(shè)計(jì)
機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)是將動(dòng)力源或某個(gè)執(zhí)行的速度、力矩傳遞給執(zhí)行件，使得該執(zhí)行件具有某種運(yùn)動(dòng)和出力的功能，風(fēng)機(jī)增速箱就是傳動(dòng)裝置。傳動(dòng)裝置可以分為：機(jī)械傳動(dòng)裝置，液壓傳動(dòng)裝置，電氣傳動(dòng)裝置等。而機(jī)械傳動(dòng)按其原理分為嚙合傳動(dòng)與摩擦傳動(dòng)，具體分為鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)四類。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作環(huán)境以及傳動(dòng)特點(diǎn)，一般采用的都是齒輪傳動(dòng)。
齒輪機(jī)構(gòu)用以傳動(dòng)空間中任意兩軸 之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，它具有傳遞功率范圍大、效率高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、使用壽命長(zhǎng)、工作安全可靠性特點(diǎn)，是現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)的方式分為：閉式傳動(dòng)、半開 式傳動(dòng)和開 式傳動(dòng)三種方式。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作環(huán)境惡劣，一般采用的是閉式傳動(dòng)以滿足潤(rùn)滑要求。
增速器是安裝在原動(dòng) 件和機(jī)構(gòu)之間的獨(dú)立的傳動(dòng)裝置，用以增加傳速減小相應(yīng)的力矩。增速器是風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組中的重要組件，承擔(dān)著調(diào)速、改變運(yùn)動(dòng)形式、動(dòng)力和分配與傳遞等功能。考慮風(fēng)機(jī)發(fā)電的要求傳動(dòng)比大、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高等特點(diǎn)，本文采用的是一級(jí)行星輪系加兩級(jí)平行定軸系的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式。
2.1 傳動(dòng)方案的確定
通常風(fēng)速是不確定性時(shí)大時(shí)小，所以風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速是比較的低（18r/mim-40r/mim）,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機(jī)所需要的發(fā)電的轉(zhuǎn)速要求，因此就必須通過(guò)齒輪箱來(lái)進(jìn)行增加轉(zhuǎn)速，因此齒輪箱也稱為增速箱。大概可以分為定軸系傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)和行星輪齒輪系傳動(dòng)。定軸系傳動(dòng)齒輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)安裝比較容易，造價(jià)比較低廉等特點(diǎn)，但是其傳動(dòng)效率不明顯，傳動(dòng)比較小承載能力較小等缺點(diǎn)。另一種則是行星輪齒輪傳動(dòng)，具有傳動(dòng)比大，體積較小，質(zhì)量較小，承載能力大、效率穩(wěn)定等特點(diǎn)，當(dāng)然缺點(diǎn)就是造價(jià)比較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)和安裝的要求高。根據(jù)上述情況可以提出混合的方式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)排選和分析提出以下三種方案可以參考。
方案1：一級(jí)的行星輪系傳動(dòng)+兩級(jí)的定軸線齒輪傳動(dòng)
圖2.1 一級(jí)行星兩級(jí)定軸
方案2：三級(jí)定軸系齒輪傳動(dòng)
圖2.2 三級(jí)定軸系傳動(dòng)
方案3：兩級(jí)行星輪傳動(dòng)+一級(jí)定軸系齒輪傳動(dòng)
圖2.3 兩級(jí)行星一級(jí)定軸
綜上所述，比較各個(gè)方案可知：
1）方案1 有定軸系齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和行星輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比大、工作平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，它通過(guò)一級(jí)的行星齒輪傳動(dòng)把大轉(zhuǎn)矩降下來(lái)，再用兩級(jí)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的平行軸齒輪傳動(dòng)，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用。
2）方案2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)于給定的設(shè)計(jì)參數(shù)，可能設(shè)計(jì)出來(lái)的幾何尺寸過(guò)大，傳遞的轉(zhuǎn)矩較小，滿足不了大功率、大轉(zhuǎn)矩的傳動(dòng)系統(tǒng)的要求，而且平穩(wěn)性不好，有較大的沖擊。
3）方案3 結(jié)構(gòu)緊湊，但由于行星齒輪傳動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，用兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)不太經(jīng)濟(jì)適用。
通過(guò)上述三個(gè)方案的比較，因此選擇第一種方案比較的合理。
2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算
2.2.1傳動(dòng)比和分配傳動(dòng)比及齒數(shù)的確定
傳動(dòng)比的分配應(yīng)該考慮下各級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比應(yīng)在合理范圍內(nèi)，不超出允許的其最大值，符合各種傳動(dòng)形式的工作特點(diǎn)，并且結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)注意各級(jí)傳動(dòng)件尺寸，結(jié)構(gòu)勻稱合理。
表 2.1 原始參數(shù)要求
額定功率
2MW
增速比
52-95
輸入轉(zhuǎn)速
18r/min-40r/min
輸出轉(zhuǎn)速
1400r/min-1700r/min
分度圓壓力角
20
模數(shù)
8-16
根據(jù)原始數(shù)據(jù)可知該系統(tǒng)的總傳動(dòng)比為：
在此傳動(dòng)系統(tǒng)中行星傳動(dòng)選的是NGW型行星齒輪傳動(dòng)，推薦傳動(dòng)比為3-9。為確保其穩(wěn)定性，行星輪數(shù)目為3，期傳動(dòng)范圍為：。由此，初選分配行星輪機(jī)構(gòu)中行星輪的級(jí)數(shù)。初步選取行星輪系的傳動(dòng)比為:。
查《重載行星傳動(dòng)常用齒數(shù)搭配》表可知:各個(gè)齒輪的齒數(shù)
取 (中心輪)=21 (內(nèi)齒圈)=91 則行星輪
則行星齒輪傳動(dòng)比為：
后面兩級(jí)定軸系齒輪傳動(dòng)比為：
兩級(jí)定軸系斜齒輪傳動(dòng)
兩級(jí)傳動(dòng)比分配為：取
初選低速軸的小齒輪齒數(shù)
則與之相配的大齒輪齒數(shù)： 取
則第二級(jí)斜齒輪軸傳動(dòng)的小齒輪齒數(shù)：
與之相配的大齒輪齒數(shù)
2.2.2傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和參數(shù)計(jì)算
行星輪傳動(dòng)機(jī)械效率：（取）
（2-1）
公式中：
發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率為：P=2 MW 取發(fā)電機(jī)和齒輪箱總效率為0.92。則各 軸的轉(zhuǎn)速：
輸入軸（行星架）： I軸（中心軸）：
第I級(jí)平行定斜齒輪軸：
第II級(jí)平行定斜齒輪軸：
因此可以得出各 軸的功率：
第II級(jí)斜齒輪傳動(dòng)： 同理可以得出其他軸功率
第I級(jí)斜齒輪傳動(dòng)功率為2016.22 KW；中心軸傳動(dòng)功率為2103.07 KW；輸入軸功率為2190.07 KW；
其扭矩為：
中心輪軸：
第I定軸： 第II定軸：
2.2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪參數(shù)確定
1）齒輪模數(shù)確定
在滿足齒輪彎曲強(qiáng)度的條件下，選擇較小的模數(shù)可增大齒輪副的重合度，減少滑動(dòng)率，也可以減少齒輪的切削量，降低制造成本。但制造和安裝的質(zhì)量問(wèn)題增大了輪齒折斷的危險(xiǎn)性，因此實(shí)際使用模數(shù)常常要選擇較大的。模數(shù)的選擇應(yīng)符合GB1357的規(guī)定，也就是按照標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表中，優(yōu)先選取第一系列的模數(shù)。按照國(guó)際規(guī)定，并參照手冊(cè)以及經(jīng)驗(yàn)公式，本文中第一行星輪系傳動(dòng)取m=16，第二行星輪傳動(dòng)系取m=14，高速級(jí)齒輪傳動(dòng)取二m=8
2）定軸系輪傳動(dòng)：
按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算，即
(2-2)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》書中的表和圖確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值得:
； ； ； ；
?。?
代入（2-2）中；
則第I級(jí)斜齒輪傳動(dòng)小齒輪分度圓直徑
初選螺旋角 m=14
同理：第II級(jí)斜齒輪 取m=8
3）齒輪幾何尺寸計(jì)算
標(biāo)準(zhǔn)中心距
由于考慮到行星齒輪傳動(dòng)各齒輪安裝的問(wèn)題，最好能控制它們的螺旋角刀在8-10這個(gè)范圍。a=452.40mm-454.91mm 取 a=455mm
中心輪，行星輪，內(nèi)齒圈的分度圓直徑分別為：
齒寬 取b=375mm
（齒寬系數(shù)取 ）
4）定軸系齒輪幾何尺寸
（a）齒輪副 初取
因此：a=800.79mm 取 a=800mm
齒輪副1 、4的分度圓直徑分別為：
齒寬 mm 取b=340mm
（b）齒輪副 初取
則 a=527,46mm 取a=525mm
齒輪副4 、5的分度圓直徑分別為：
齒寬
各級(jí)齒輪組具體數(shù)據(jù)如下表2-1
表2-1各級(jí)齒輪數(shù)據(jù)表
數(shù)據(jù) 輪系
齒數(shù)
模數(shù)
齒寬（mm）
分度圓直徑(mm)
齒頂圓直徑(mm)
齒根圓直徑(mm)
螺旋角β
行星輪系
太陽(yáng)輪
21
16
375
336
386
296
0°
行星輪
35
16
375
560
592
520
0°
內(nèi)齒圈
91
16
375
1456
1424
1496
0°
一級(jí)定軸輪系
大齒輪Z4’
90
14
340
1260
1288
1225
13°
小齒輪Z4
21
14
340
294
322
259
13°
二級(jí)定軸輪系
大齒輪Z5’
103
8
230
824
840
804
12°
小齒輪Z5’
25
8
230
200
216
180
12°
2.2.4 軸的尺寸和結(jié)構(gòu)確定
1）初步計(jì)算軸徑d
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》里表計(jì)算公式： （2-3）
式中：
P－軸所傳遞的功率，單位KW；
n－軸的傳速，單位r/min；
A－由軸的許用切應(yīng)力所確定的系數(shù)，其值可查有關(guān)資料。
行星架（輸入軸）： 取=520mm；
中心軸： 取
第I級(jí)斜齒輪： 取=180mm
第II級(jí)斜齒輪： 取 =112mm
2）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)時(shí)，既要滿足強(qiáng)度的要求，也要保證軸上零件的定位、固定和裝配方便，并有良好的加工工藝性所以軸的結(jié)構(gòu)一般都做成階梯形。階梯軸的徑向尺寸(直徑)的變化是根據(jù)軸上零件受力情況、安裝、固定及對(duì)軸表面粗糙度、加工精度等要求而定的。階梯軸的軸向尺寸(各段長(zhǎng)度)則根據(jù)軸上零件的位置、配合長(zhǎng)度及支承結(jié)構(gòu)確定。
2.3零部件強(qiáng)度校核
由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有工作環(huán)境惡劣、受力情況復(fù)雜等特點(diǎn)。因此，與一般傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，除了要滿足機(jī)械強(qiáng)度條件外，還應(yīng)滿足極端溫差條件下的一些機(jī)械特性，如低溫抗脆性、低膨脹收縮率等。對(duì)于傳動(dòng)部件而言，一般情況下不采用分體式結(jié)構(gòu)或者焊接結(jié)構(gòu)，齒輪毛坯盡可能采用輪輻輪緣整體鍛件形式以提高承載能力。齒輪采用優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛造制取毛坯己獲得良好的力學(xué)特性。表2.2列出本文所設(shè)計(jì)的增速器各傳動(dòng)部件的材料及力學(xué)性能
表2.2 各傳動(dòng)部件材料及力學(xué)性能
傳動(dòng)件
材料
熱處理
接觸強(qiáng)度（MPa）
彎曲強(qiáng)度（MPa）
加工精度
太陽(yáng)輪
20CrMnTi
滲碳淬火，齒面硬度56>60HCR
1500
480
5級(jí)
行星輪
內(nèi)齒圈
42CrMo
調(diào)質(zhì)，齒面硬度HBS>260
720
320
6級(jí)
斜齒輪
20CrMnTi
滲碳淬火，齒面硬度56>60HCR
1500
480
5級(jí)
2.3.1行星輪系齒輪的強(qiáng)度計(jì)算
1）齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算
接觸應(yīng)力：
齒面接觸應(yīng)力的基本值：
許用接觸應(yīng)力：
強(qiáng)度條件應(yīng)滿足：
式中：
－使用系數(shù)；－動(dòng)載系數(shù)；一接觸強(qiáng)度的齒向載荷分布的系數(shù)；
－與均載機(jī)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)；一接觸強(qiáng)度計(jì)算的行星輪間載荷分配不均衡系數(shù)；－材料彈性系數(shù)；－未跑合齒向載荷分布系數(shù)；
一接觸強(qiáng)度的尺寸系數(shù)；一接觸強(qiáng)度的齒間載荷分布系數(shù)；
一接觸強(qiáng)度計(jì)算重合度系數(shù)；一接觸強(qiáng)度計(jì)算螺旋角系數(shù)；－疲勞極限；－安全系數(shù)；－計(jì)算接觸強(qiáng)度的跑合影響系數(shù)；
一接觸強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)；－節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)；－ 粗糙度系數(shù)；
－ 潤(rùn)滑劑系數(shù)；- 速度系數(shù)；－工作硬化系數(shù)；
綜上可以算出：
，
， 。所以齒輪副接觸疲勞是安全的。
2）輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算
齒根彎曲應(yīng)力：
許用彎曲應(yīng)力：
齒根彎曲應(yīng)力基本值：
強(qiáng)度條件應(yīng)滿足：
式中：
一接觸強(qiáng)度； — 計(jì)算彎曲強(qiáng)度時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)周期的齒向載荷分布系數(shù)
— 計(jì)算彎曲強(qiáng)度時(shí)的跑合影響系數(shù)；—與均載機(jī)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)；
—彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)；
—彎曲強(qiáng)度計(jì)算的重合度系數(shù)；—彎曲強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)；
—相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)；—彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分布系數(shù)；
—彎曲強(qiáng)度計(jì)算的行星輪間載荷分配不均衡系數(shù)；
—齒頂時(shí)的齒形系數(shù)；—系數(shù)；—角系數(shù)；
—極限；試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)；
—強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)；— 相對(duì)齒根表面狀況系數(shù)；
同理可以算出：
， ，，。
不難看出： 彎曲疲勞強(qiáng)度安全。
2.3.2 定軸系齒輪的強(qiáng)度計(jì)算
1）斜齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算
斜齒輪接觸疲勞強(qiáng)度：
接觸疲勞許用應(yīng)力：
[]= ； 強(qiáng)度條件：
式中：
——的接觸疲勞強(qiáng)度極限；——疲勞壽命系數(shù)；——疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)；——載荷系數(shù)；——使用系數(shù)；——載 動(dòng)系數(shù)；——載荷分配系數(shù)；——載荷分布系數(shù)；——區(qū)域系數(shù)；——彈性影響系數(shù)；
u—傳動(dòng)比；——輪端面重合度；b—齒寬；d—分度圓直徑；
由此可得：
， . 所以定軸 的接觸疲勞強(qiáng)度是安全的。
2）斜齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算；
斜齒輪輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度：
彎曲疲勞許用應(yīng)力：
強(qiáng)度條件：
式中：
—彎曲疲勞強(qiáng)度極限；一彎曲疲勞壽命系數(shù)；一彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)；—系數(shù)；—輪齒形系數(shù)；—輪應(yīng)力校正系數(shù)；—角影響系數(shù)。
根據(jù)上訴資料可以得出：
、、。
, 所以斜齒輪輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度是安全的。
第3章 增速箱零部件的建模
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)開始之前，一般都是由物理模型延伸出產(chǎn)品，物理模型是通過(guò)將原產(chǎn)品按照一定的比例進(jìn)行縮小或者擴(kuò)大，以便代替實(shí)物的外形、運(yùn)動(dòng)、力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)等屬性測(cè)試。隨著計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（CAD）的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，逐漸替代了造價(jià)昂貴，耗時(shí)的物理模型。相比物理模型，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（CAD）更加高效、低廉、高效更加適合現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。
虛擬產(chǎn)品建模，是一種三維數(shù)字化模型工程技術(shù)，不僅僅能夠在外觀上展現(xiàn)出相似，而且可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真，分析出實(shí)物的受力情況，運(yùn)動(dòng)情況。虛擬建模不僅大大減少了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，也減少了開發(fā)人員的工作量，降低生產(chǎn)成本，更好的優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從而提高了企業(yè)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。
本文采用的軟件Siemens PLM Software公司下的三維軟件——UGNX7.5。它可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工過(guò)程提供了數(shù)字化造型和驗(yàn)證手段。它功能強(qiáng)大，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的建構(gòu)。它在誕生之初主要基于工作站，但隨著PC硬件的發(fā)展和個(gè)體戶的迅速增長(zhǎng)，在PC上的應(yīng)用取得了迅猛的增長(zhǎng)，已經(jīng)成為模具行業(yè)三維設(shè)計(jì)的一個(gè)主流應(yīng)用。
3．1齒輪的建模
齒輪傳動(dòng)是現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用最廣的一種傳動(dòng)形式，其優(yōu)點(diǎn)是：瞬時(shí)比傳動(dòng)比恒定，工作平穩(wěn)，傳動(dòng)準(zhǔn)確可靠，可傳遞空間任意兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，適用的功率和范圍廣，傳動(dòng)效率高，工作可靠性高，使用的壽命長(zhǎng)，外廓尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力大，因此符合風(fēng)力發(fā)電增速箱設(shè)計(jì)的條件。
齒輪的一些重要參數(shù)分度圓直徑、齒數(shù)、模數(shù)、
3.1.1 外嚙合直齒圓柱齒輪建模
打開UG10.0(Unigraphics NX 10.0簡(jiǎn)稱，以下出現(xiàn)均為簡(jiǎn)稱)，點(diǎn)擊新建彈出新建模型對(duì)話框，輸入新建文件名，如圖3—1所示。
圖3—1 模型的三維建模
進(jìn)入建模界面，選擇點(diǎn)擊【柱齒輪建模】命令，點(diǎn)擊【創(chuàng)建齒輪】進(jìn)行齒輪的創(chuàng)建，然后一次點(diǎn)擊直齒外嚙合滾齒確認(rèn)。如圖3—2所示
圖3-2 齒輪參數(shù)對(duì)話框
然后進(jìn)入漸開線圓柱齒輪參數(shù)對(duì)話框，根據(jù)計(jì)算出的數(shù)據(jù)一次輸入模數(shù)、齒數(shù)、齒寬、壓力角，齒輪建模精度默認(rèn)然后確實(shí)，如圖3—3所示為行星輪的計(jì)算參數(shù)，然進(jìn)行【拉伸】，拉伸一個(gè)直徑為R=360的圓柱體(軸承的外圈直徑)進(jìn)行求差，得到行星齒輪輪的三維模型，如圖3—5所示。
圖3—3 齒輪參數(shù)輸入
圖3—4 齒輪模型
圖3—5行星輪齒輪的三維模型
3.1.2 外嚙合斜齒圓柱齒輪建模
外嚙合斜齒輪圓柱齒輪的建模與，直齒圓柱齒輪的畫法一樣，不同在于需要一個(gè)角度，如圖3—6所示，為斜齒輪的參數(shù)。然后創(chuàng)建齒輪軸孔、鍵槽及腹板特征，均采用拉伸方式產(chǎn)生，選擇草圖，繪制軸孔鍵槽及腹板圓，然后完成草圖，進(jìn)行到邊圓，如圖3—7所示，為斜齒輪的三維模型，對(duì)應(yīng)的是圖3—8，為的三維模型
圖3—6 Z齒輪三維模式
圖3—7 斜齒輪的三維模型
圖3—8 斜齒輪三維模型
3.1.3 內(nèi)齒圈的建模
內(nèi)齒輪的齒厚相當(dāng)于外齒輪的齒間寬，內(nèi)齒輪的齒間寬相當(dāng)于外齒輪的齒厚。內(nèi)齒輪的齒廓也是漸開線，但其輪齒的形狀與外齒輪不同，外齒輪的齒廓時(shí)外凸的，內(nèi)齒輪的齒廓?jiǎng)t是內(nèi)凸的。內(nèi)嚙合齒輪也分為直齒和斜齒，雖然與外嚙合齒輪構(gòu)造不同，但在構(gòu)建過(guò)程中基本方法大體一致。如圖3—9所示，為內(nèi)齒圈的三維模型。
圖3—9內(nèi)齒圈的三維模型
3.2 軸的建模
軸作為風(fēng)力發(fā)電增速箱中的關(guān)鍵零件，其結(jié)構(gòu)特征是回轉(zhuǎn)體組合形式，它是一種通用零件，不但特征尺寸變化，而且結(jié)構(gòu)也不固定，各種特征的有無(wú)，以及它們之間的組合方式都是隨機(jī)出現(xiàn)的，要建立不同結(jié)構(gòu)的軸零件，即便如此，也不能滿足所有軸結(jié)構(gòu)的參數(shù)化需求，因此，在本文中，僅針對(duì)風(fēng)力發(fā)電增速箱中軸的特征建模，以滿足增速箱系統(tǒng)參數(shù)化的需求。
3.2.1 中心軸的建模
中心軸是行星傳動(dòng)系統(tǒng)中的輸出軸，其輸出端通過(guò)平鍵與齒輪進(jìn)行約束，輸入端采用齒輪柱，從而減少扭矩。如圖3—10所示，為中心軸的三維模型。
3—10 中心軸三維模型
3.2.2 第I級(jí)輸出軸的建模
風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速箱的第I級(jí)輸出軸，如圖3—11所示。
圖3—11 第I級(jí)定軸三維模型
3.2.3 第II級(jí)輸出軸的建模
第II級(jí)輸出定軸，也是該系統(tǒng)的高速軸輸出軸，其三維結(jié)構(gòu)圖如3—12所示。
圖3—12 第II級(jí)定軸三維模型
3.3 行星架的建模
作為支撐行星輪的構(gòu)件，行星架承受著最大的轉(zhuǎn)矩，其結(jié)構(gòu)應(yīng)該在保證傳遞設(shè)計(jì)動(dòng)力的同時(shí)應(yīng)盡量，重量輕、剛性好、便于加工和裝配，如圖3—13所示。
圖3—13 行星架的三維模型
3.4 軸承的建模
風(fēng)力發(fā)電增速機(jī)構(gòu)中軸承是連接箱體和軸之間的連接件，軸承在機(jī)械設(shè)計(jì)中屬于標(biāo)準(zhǔn)件，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不同型號(hào)的軸承其結(jié)構(gòu)和參數(shù)均不相同，在三維設(shè)計(jì)中，為了在風(fēng)力發(fā)電增速機(jī)構(gòu)參數(shù)系統(tǒng)中方便開發(fā)，故而將其簡(jiǎn)化建模，如圖3—14所示。
圖3—14軸承三維模型
3.5 增速箱箱體的建模
箱體作為增速箱的重要組成部分,其主要功能是支撐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),同時(shí)也具有吸振,阻止箱體內(nèi)噪聲向外輻射的作用,箱體也是薄弱環(huán)節(jié)之一，所以箱體的設(shè)計(jì)要根據(jù)以上數(shù)據(jù)和模型的位置關(guān)系設(shè)計(jì)。如圖3—15所示
圖3—15增速箱箱體的三維模型
第4章 增速箱的虛擬裝配
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是虛擬樣機(jī)開發(fā)的一項(xiàng)重要技術(shù)支持，它使工程設(shè)計(jì)人員通過(guò)多種交互方式，在虛擬環(huán)境中更加真實(shí)的感知虛擬樣機(jī)，有效的提高了虛擬樣機(jī)的真實(shí)性、可操縱性。融合了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬樣機(jī)各方面真實(shí)感更強(qiáng)，對(duì)于技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其仿真數(shù)據(jù)具有更大的參考價(jià)值。符合實(shí)際設(shè)計(jì)行為特征的三維人機(jī)交互技術(shù)、具有真實(shí)觸覺(jué)效果的實(shí)時(shí)力覺(jué)生成與繪制技術(shù)、實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)技術(shù)、可裝配性評(píng)價(jià)技術(shù)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)、以及協(xié)同虛擬裝配技術(shù)等組成了虛擬樣機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。
在上述技術(shù)中，虛擬裝配技術(shù)是虛擬樣機(jī)技術(shù)的一個(gè)主要組成部分，它高效、快捷構(gòu)建虛擬樣機(jī)的保證。一個(gè)完整的數(shù)字協(xié)同裝配系統(tǒng)應(yīng)用了碰撞檢測(cè)、構(gòu)建虛擬場(chǎng)景、協(xié)同裝配過(guò)程中的任務(wù)分解與處理、多通道自然交互技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，本節(jié)中將主要介紹虛擬樣機(jī)協(xié)同裝配中具有特殊需求的若干關(guān)鍵技術(shù)，即面向虛擬樣機(jī)協(xié)同裝配的體系架構(gòu)，協(xié)同裝配過(guò)程中的任務(wù)分解與處理以及虛擬裝配中的多通道自然交互技術(shù)。
裝配設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，面對(duì)的是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的整體機(jī)構(gòu)，對(duì)裝配設(shè)計(jì)的優(yōu)劣會(huì)影響到產(chǎn)品的成本和質(zhì)量。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，虛擬裝配在計(jì)算機(jī)中具有很高的可視化程度，可以比較直觀的看到仿真的裝配過(guò)程，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題和不足，這樣很大程度上縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時(shí)降低了產(chǎn)品的開發(fā)成本。
4.1 裝配簡(jiǎn)介
裝配就是將零部件按照技術(shù)規(guī)定順序組合起來(lái)，并達(dá)到使用目的的一個(gè)過(guò)程。前一章完成了對(duì)風(fēng)力發(fā)電增速機(jī)構(gòu)的零件建模，在本章中將建模完成的零件，通過(guò)約束并按照一定的順序?qū)⒏鱾€(gè)零件組合在一起，完成風(fēng)力發(fā)電增速機(jī)構(gòu)的裝配。
傳統(tǒng)的裝配設(shè)計(jì)是自底向上的，將零件按照一定的方式組合。這種裝配構(gòu)造技術(shù)是最初工程中最為常用也是最為基本的。然而在設(shè)計(jì)的最后己經(jīng)存在的零件最終決定著裝配體的構(gòu)造，如圖4—1所示。
在兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電增速機(jī)構(gòu)中，采用模塊裝配方式，最后進(jìn)行總裝，即軸組件的裝配和行星系統(tǒng)的裝配分別進(jìn)行，最后將軸組件和行星系統(tǒng)統(tǒng)一裝配。
圖4—1 裝配方式
4.2 裝配約束
裝配約束用于在裝配的中定位組件，可以指定一個(gè)部件相對(duì)于裝配體中另外一個(gè)部件（或特征）的方式和位置，
UGNX 7.5 中裝配約束的類型包括接觸、對(duì)齊和中心等。每個(gè)組件都有唯一的裝配約束，這個(gè)裝配約束由一個(gè)或者多個(gè)約束組成。每個(gè)約束都會(huì)限制組件在裝配體中的一個(gè)或幾個(gè)自由度，從而確定組件的位置。用戶可以在添加的過(guò)程中添加裝配約束，也可以在添加完成后添加約束。如果組件的自由度被全部限制，可稱為完全約束；如果組件的自由度沒(méi)有被完全限制，則稱為欠約束。如圖4—2所示為UGNX 7.5中的裝配約束。
圖4—2 裝配約束
接觸對(duì)齊：該約束用于兩組件，使其彼此接觸或?qū)R。
同心：該約束用于定義兩個(gè)組件的圓形邊界或橢圓邊界中心重合，并使邊界的面共面。
距離：該約束用于設(shè)定兩個(gè)接觸對(duì)象間的最小3D距離。
固定：該約束用于將組件固定在其當(dāng)前位置，一般用在第一個(gè)裝配元件上。
平行：該約束用于使兩個(gè)目標(biāo)對(duì)象的矢量方向平行。
垂直：該約束用于使兩個(gè)目標(biāo)對(duì)象的矢量方向垂直。
擬合：該約束用于定義將半徑相等的兩個(gè)圓柱面擬合在一起。對(duì)確定孔中銷或螺栓的位置很有用。
膠合：該約束用于組件“焊接”在一起。
中心：該約束用于使一對(duì)對(duì)象之間的一個(gè)或者兩個(gè)對(duì)象居中，或使一對(duì)對(duì)象沿另一個(gè)對(duì)象居中。
角度：該約束用于約束兩對(duì)象間的旋轉(zhuǎn)角。
4.3 傳動(dòng)系統(tǒng)裝配
4.3.1 行星輪系裝配
以行星架為絕對(duì)中心，然后添加組件行星輪通過(guò)【同心】約束使得與行星軸孔同心如圖4—3所示。再添加組件行星軸之后，添加內(nèi)齒圈通過(guò)約束與齒輪接觸，且與行星架對(duì)齊，如圖4—4所示。
圖4—3 行星架與行星輪裝配
圖4—4 周轉(zhuǎn)輪系的裝配
接下來(lái)就是將中心軸通過(guò)約束進(jìn)行裝配，整個(gè)行星輪系如圖4—5所示
圖4—5 行星輪系總裝配
4.3.2 第I級(jí)定軸系裝配
定軸系的裝配和上述所說(shuō)的行星輪系的裝配步驟是一樣的，通過(guò)約束裝配按照順序依次裝配如圖4—6,4—7,4—8所示
圖4—6 第I級(jí)定軸裝配
圖4—7第I級(jí)定軸裝配
圖4—8 第I定軸系的裝配
4.3.3 第II級(jí)定軸系裝配
以第II定軸 為絕對(duì)原點(diǎn)，依次進(jìn)行裝配如圖4—9,4—10所示。
圖4—9 輸出軸裝配
圖4—10 第II定軸系裝配
4.3.4 傳動(dòng)系統(tǒng)總裝配
根據(jù)上面的虛擬裝配，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行總裝配如圖4—11所示。
圖4—11 傳動(dòng)系統(tǒng)總裝配
4．4 總裝配
在完成了零件建模，各傳動(dòng)系統(tǒng)的虛擬裝配，緊接著就要對(duì)各個(gè)模塊整體虛擬裝配，這是風(fēng)力發(fā)電增速機(jī)構(gòu)整體建模的最后一步。與組件裝配的過(guò)程一樣，對(duì)增速機(jī)構(gòu)的總體裝配，需要將各個(gè)部件進(jìn)行選擇和整合，按照一定的順序進(jìn)行裝配，如圖4—12所示。為了更加清楚的看清傳動(dòng)系統(tǒng)裝配與箱體的裝配情況可以點(diǎn)擊【編輯對(duì)象顯示】命令將透明度調(diào)低點(diǎn)，如圖4—13所示。
圖4—12 風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速箱的總裝配
圖4—13 總裝配圖
第5章 增速箱的仿真及運(yùn)動(dòng)分析
本文中設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重點(diǎn)的主要傳動(dòng)部件，因此對(duì)其主要傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析是十分必要的。
本文選擇目前學(xué)得最好的UG NX 7.5軟件來(lái)完成動(dòng)力學(xué)仿真。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組傳動(dòng)過(guò)程為葉輪通過(guò)輸入軸將動(dòng)力傳入增速齒輪箱，轉(zhuǎn)速在齒輪箱內(nèi)放大后傳遞至發(fā)電機(jī)。由于增速器殼體固定在基座上，載荷傳遞不存在失真的情況，故將其簡(jiǎn)化剔除。在UG中將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)出為NX sim格式，生成一個(gè)后綴名為.XT的文件。
5.1 增速箱的仿真
5.1.1 設(shè)置環(huán)境的確定
打開UG NX 10.0軟件，將上章所述的虛擬裝配總裝配三維圖打開，由于增速箱箱體載荷不存在失真的情況，所以可以將其隱藏。然后點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境，如圖5—1所示。
圖5—1 運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境
然后選擇【連桿】命令，選擇各種部件為連桿，但是軸承選為固定連桿，因?yàn)檩S承在這里帶表位置關(guān)系，如圖5—2所示。確定好各個(gè)連桿后環(huán)境確定好，就可以進(jìn)行下一步運(yùn)動(dòng)副的確定。
圖5—2 連桿的確定
5.1.2 定義運(yùn)動(dòng)副
1）定義行星架運(yùn)動(dòng)副：行星架在工作的時(shí)候是繞著固定的軸旋轉(zhuǎn)，因此行星架與地面定義一個(gè)旋轉(zhuǎn)副。風(fēng)能通過(guò)葉片把動(dòng)能傳遞給行星架，因此行星架也為驅(qū)動(dòng)件點(diǎn)擊【驅(qū)動(dòng)】對(duì)話框，給一個(gè)恒定轉(zhuǎn)速18r/min.如圖5—3所示。
圖5—3
2）定義行星輪運(yùn)動(dòng)副：行星輪在工作狀態(tài)下自傳之外還需要公轉(zhuǎn)，因此需要定義一個(gè)旋轉(zhuǎn)副。
3）定義內(nèi)齒圈運(yùn)動(dòng)副：行星輪系中，內(nèi)齒圈與行星輪嚙合時(shí)，內(nèi)齒圈與行星架之間需要定義一個(gè)旋轉(zhuǎn)副。由于內(nèi)齒圈工作的時(shí)候相對(duì)于地面是固定的，故需要給一個(gè)驅(qū)動(dòng)與行星架的方向相反，這樣就相當(dāng)于一個(gè)固定約束。
4）定義齒輪副：添加齒輪副的關(guān)鍵是建立好正確的接觸與約束。兩齒輪的接觸點(diǎn)定義為嚙合點(diǎn)，其Z軸的方向?yàn)閲Ш宵c(diǎn)速度和嚙合方向齒輪副的傳動(dòng)比就是兩齒輪約束節(jié)點(diǎn)的距離值。對(duì)于嚙合點(diǎn)的具體位置坐標(biāo)，通常的確定方式就是根據(jù)齒輪副定所需的2個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)結(jié)合傳動(dòng)比計(jì)算。而對(duì)于行星齒輪來(lái)說(shuō)，其嚙合點(diǎn)的坐標(biāo)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是不斷變化的，在相對(duì)位置于嚙合點(diǎn)來(lái)說(shuō)始終是固定的。
根據(jù)上訴分別，定義行星輪與內(nèi)齒圈之間、行星輪與中心軸之間（太陽(yáng)輪）的齒輪副。
5）定義斜齒輪運(yùn)動(dòng)副：由于太陽(yáng)輪與中心軸是一樣的所以其上面的斜齒輪與其轉(zhuǎn)速一樣添加一個(gè)約束或者是添加2—3 傳動(dòng)副就可以了，第I定軸與第I定軸之間添加一個(gè)齒輪副即可。
5.1.3 運(yùn)動(dòng)仿真
在上述定義好各個(gè)部件之間的運(yùn)動(dòng)副之后，就可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，由于行星架的驅(qū)動(dòng)然后新建解決方案，然后進(jìn)行求解，在發(fā)現(xiàn)沒(méi)有問(wèn)題的是系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)仿真，可以點(diǎn)擊【動(dòng)畫】命令，這時(shí)我們可以看到各部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。由于書面不好表達(dá)只是以圖片的形式表達(dá)如圖5—4所示。
圖5—4 傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)畫
5.2 齒輪傳動(dòng)各部件運(yùn)動(dòng)分析
定義運(yùn)動(dòng)副后，即可進(jìn)行剛體動(dòng)力學(xué)分析。本文中根據(jù)實(shí)際工作情況，定義仿真時(shí)間為5秒，300步。在輸入端給定一個(gè)18r/min的恒定轉(zhuǎn)速，對(duì)各級(jí)輪系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。
由各級(jí)齒數(shù)計(jì)算可得：
輸入轉(zhuǎn)速n=18r/min
第一級(jí)太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速為：
第I級(jí)定軸轉(zhuǎn)速為：
第II級(jí)定軸轉(zhuǎn)速（輸出軸）為：
其仿真的結(jié)果如下面圖片可知
圖5—7第一級(jí)太陽(yáng)輪的角速度時(shí)域圖
圖5—8第一級(jí)太陽(yáng)輪的角加速度時(shí)域圖
圖5—9 第I級(jí)定軸系角速度時(shí)域圖
圖5—10 第I定軸系各齒輪角加速度時(shí)域圖
圖5—11 第I級(jí)定軸系角加速度時(shí)域圖
5—12第II定軸系各齒輪的角速度時(shí)域圖
從上述各圖中可以看出，各級(jí)太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速與手工計(jì)算相比相差無(wú)幾，而且這些誤差也是由于多對(duì)齒輪的系統(tǒng)中，計(jì)算嚙合點(diǎn)時(shí)小數(shù)位取舍而造成的。這一結(jié)果驗(yàn)證了分析的正確性。而且各級(jí)角加速度在仿真時(shí)間內(nèi)發(fā)生不同程度的衰減，這也與實(shí)際情況相吻合，充分說(shuō)明了仿真結(jié)果與真實(shí)偏差較小，較好地反映了傳動(dòng)情況。
致 謝
面對(duì)著畢業(yè)論文的緊張撰寫階段的介紹，也面臨著四年的大學(xué)學(xué)習(xí)生活的結(jié)束，我由衷的感謝我的導(dǎo)師譚加才老師，在這做畢業(yè)設(shè)計(jì)期間譚老師給予我很多的幫助，譚老師謙虛謹(jǐn)慎，平易近人的個(gè)人風(fēng)范也更加令我感觸深厚，我將銘記于心。同時(shí)譚老師對(duì)學(xué)術(shù)上的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度是我學(xué)習(xí)的方向，也是進(jìn)步的動(dòng)力。
同時(shí)我還要感謝大學(xué)四年來(lái)各位老師的對(duì)我的諄諄教誨，是你們傳授知識(shí)給我，使得我順利的完成學(xué)業(yè)能夠更好的認(rèn)識(shí)到自己，更好的走進(jìn)社會(huì)生活，你們教給我的知識(shí)也好，生活哲學(xué)也好，面對(duì)人生的態(tài)度也好，都使我受益非淺，也是我人生的一筆巨大財(cái)富。
當(dāng)然我還要感謝我的父母、朋友和同學(xué)，感謝父母對(duì)我全力支持和充分理解，感謝朋友和同學(xué)對(duì)我在生活和學(xué)習(xí)上給予我無(wú)微不至的關(guān)心和幫助，沒(méi)有他們的支持也就沒(méi)有了今天的成績(jī)，在這里我對(duì)他們表示誠(chéng)摯的感謝和真心的祝福。
最后，衷心得感謝在百忙之中評(píng)閱論文和參加答辯的各位老師，謝謝您們！
參 考 文 獻(xiàn)
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[22] 饒振剛