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湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2015屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告 題 目 5MW海上風(fēng)電機(jī)組齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作者姓名 賴文馨 學(xué)號(hào) 1103010401 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： 當(dāng)今社會(huì)隨著經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展，人們對(duì)能源的需求越來(lái)越大，而石油等不可再生能源也面臨枯竭，人們急需尋找替代能源。自然界中具有非常大的風(fēng)能儲(chǔ)存量，由于太陽(yáng)的輻射作用，地球每年大約可獲得的 地球每年大約可獲得 KW·h 的風(fēng)能。其中，邊界層占整個(gè)大氣層的 35%，因而邊界層大氣中可利用的風(fēng)能功率約為 KW，如果人類在近地面層能利用其中的十分之一，則全球可開(kāi)發(fā)風(fēng)能的功率為KW。這個(gè)值相當(dāng)于 2005 年全球發(fā)電能力的 74.7 倍[1]。通過(guò)上述數(shù)據(jù)可知，風(fēng)能是地球上最重要的能源之一，合理的開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能可以解決越來(lái)越嚴(yán)重的能源短缺問(wèn)題。風(fēng)能作為一種清潔的、儲(chǔ)量極為豐富的可再生能源，在未來(lái)的能源市場(chǎng)很有開(kāi)發(fā)潛力，各國(guó)政府相繼投入大量的人力及資金研究生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，力圖設(shè)計(jì)出安全可靠高效的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)中很重要的一部分就是齒輪傳動(dòng)增速箱，如何把齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)好便成了關(guān)鍵問(wèn)題 2、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀： 從20世紀(jì)70年代末以來(lái)，隨著世界各國(guó)對(duì)能源危機(jī)、環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題的日益關(guān)注，一致認(rèn)為大規(guī)模發(fā)展利用風(fēng)力發(fā)電是非常有效的措施之一。19 世紀(jì)末、丹麥最先開(kāi)始探索風(fēng)力發(fā)電、研制出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直到20 世紀(jì)70 年代以前，只有小型充電用風(fēng)力機(jī)達(dá)到實(shí)用階段。1973 年石油危機(jī)后，美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家為尋求替代能源，投入大量經(jīng)費(fèi)，研制現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，開(kāi)創(chuàng)了風(fēng)能利用的新時(shí)期。世界風(fēng)能委員會(huì) 11 日公布的一份報(bào)告指出，到 2010 年，全球風(fēng)能發(fā)電能力將比現(xiàn)在提高一倍，達(dá)到 149.5 吉瓦。根據(jù)世界風(fēng)能委員會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，僅在 2006年，全球風(fēng)力發(fā)電能力就比上年增長(zhǎng)了 25％，達(dá)到了 74 吉瓦。 歐洲一直以來(lái)是風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者，目前在風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域仍處在世界前列，而且在今后幾年其在風(fēng)力發(fā)電實(shí)際運(yùn)用及其國(guó)際市場(chǎng)上還將繼續(xù)保持領(lǐng)先地位，但隨著近年來(lái)世界其他國(guó)家和地區(qū)對(duì)風(fēng)力發(fā)電的重視和發(fā)展，歐洲的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)會(huì)有所下降。據(jù)世界風(fēng)能委員會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2004 年歐洲風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量占全世界風(fēng)電總裝機(jī)容量的 72％，2005 年該比例就下降為 69％，而去年則又跌至 51％，到 2010 年，雖然整個(gè)歐洲的風(fēng)力發(fā)電量將比目前的 48 吉瓦增長(zhǎng)近一倍達(dá)到 82 吉瓦，但其占全球市場(chǎng)的份額則將下滑到 44％。這份報(bào)告還對(duì) 2006 年到 2010 年期間全球各地區(qū)風(fēng)力發(fā)電態(tài)勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。報(bào)告說(shuō)，由于美國(guó)連續(xù)采取生產(chǎn)稅抵免等多項(xiàng)風(fēng)能激勵(lì)措施，北美地區(qū)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展仍將保持快速增長(zhǎng)勢(shì)頭。緊隨其后的是風(fēng)力發(fā)電的新興增長(zhǎng)地區(qū)——亞洲，主要是中國(guó)和印度，亞洲將成為全球風(fēng)能發(fā)電年增長(zhǎng)幅度最快的地區(qū)之一，年增長(zhǎng)將達(dá) 28.3％，其風(fēng)力發(fā)電能力將從 2006 年的 10.7 吉兆增長(zhǎng)到 2010 年的 29 吉兆。風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)裝機(jī)容量也從最初的 50KW，發(fā)展到 3.6MW，目前新建風(fēng)場(chǎng)普遍采用 1.5MW 成熟機(jī)型，單機(jī)容量繼續(xù)穩(wěn)步上升已成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)[2]。 我國(guó)三北地區(qū)風(fēng)能功率密度在 200～300W/m2以上，有的可達(dá) 500W/m2以上，如阿拉山口、達(dá)坂城、輝騰錫勒、錫林浩特的灰騰梁等、可利用的小時(shí)數(shù)在 5000小時(shí)以上，有的可達(dá) 7000 小時(shí)以上。東南沿海地區(qū)年有效風(fēng)能功率密度在 200W/m2以上，將風(fēng)能功率密度線平行于海岸線，沿海島嶼風(fēng)能功率密度在 500 W/m2以上如臺(tái)山、平潭、東山、南鹿、大陳、嵊泗、南澳、馬祖、馬公、東沙等?？衫眯r(shí)數(shù)約在 7000-8000 小時(shí)。根據(jù)最新風(fēng)能資源評(píng)價(jià)，我國(guó)陸地可利用風(fēng)能資源 3 億千瓦，加上近岸海域可利用的風(fēng)能資源，共計(jì)約 10 億千瓦，風(fēng)能儲(chǔ)量非常豐富，開(kāi)展風(fēng)力發(fā)電是既經(jīng)濟(jì)又高效的方式[3]。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究始于 20 世紀(jì) 70 年代末 80 年代初，通過(guò)自主研發(fā)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)解決廣大牧區(qū)牧民及一些島嶼上居民的生活生產(chǎn)用電。到 2006 年底，全國(guó)已建成約 90 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，已經(jīng)建成并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)場(chǎng)主要分布在、內(nèi)蒙、廣東、浙江、河北、遼寧等 16 個(gè)省區(qū)，裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到約 260 萬(wàn)千瓦。但與國(guó)際先進(jìn)水平相比，國(guó)產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量較小，關(guān)鍵技術(shù)依賴進(jìn)口，零部件的質(zhì)量還有待提高。我國(guó)2009年新增風(fēng)電裝機(jī)容量13800兆瓦(0.138億千瓦),同比增長(zhǎng)高達(dá)124%，新增市場(chǎng)容量超過(guò)美國(guó)居全球第一；累計(jì)裝機(jī)容量連續(xù)第四年翻番,超越德國(guó)和西班牙，規(guī)模排在美國(guó)的 35159 兆瓦之後，位居世界第二。中國(guó)可再生能源協(xié)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)主任賀德馨在風(fēng)能大會(huì)上亦稱,中國(guó)今年底風(fēng)電裝機(jī)容量有望達(dá)到40000 兆瓦，去年底為 25800 兆瓦。到 2020 年時(shí)中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量有望達(dá)到 3 億千瓦左右，大幅高于官方最新預(yù)期的 2.3 億千瓦。由此可見(jiàn)，未來(lái)我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電發(fā)展前景非常良好，因此如何設(shè)計(jì)制造出安全高效的風(fēng)力發(fā)電機(jī)就成了很重要的研究課題。 1、 研究目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題（根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)一步具體化） 研究目標(biāo)： （1） 對(duì)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： 本增速箱速箱的結(jié)構(gòu)為二級(jí)行星，一級(jí)斜齒輪，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求合理分配各級(jí)傳動(dòng)比，計(jì)算各級(jí)的齒輪參數(shù)，軸承參數(shù)，并進(jìn)行校核。選出合理的軸承類型，并對(duì)增速箱尺寸進(jìn)行計(jì)算，以及將各個(gè)部分裝配起來(lái)。 進(jìn)程： 第一階段：開(kāi)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(kāi)題報(bào)告。 第二階段：設(shè)計(jì)階段 3月21日-3月28 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 3月29日至4月15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16日至5月 5日，傳動(dòng)系統(tǒng)裝配圖繪制。 第五階段：畢業(yè)答辯 5月6日至 5月25日，設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)的編制、整理、修改、定稿，準(zhǔn)備答辯 解決的關(guān)鍵問(wèn)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(duì)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(wèn)題： （1）準(zhǔn)確對(duì)傳動(dòng)方案的分析； （2）確定齒輪箱的傳動(dòng)比的分配； （3）齒輪尺寸參數(shù)的確定 （4）對(duì)軸承的尺寸進(jìn)行確定； （5）選擇合理的軸承類型； （6）對(duì)箱體和總體結(jié)構(gòu)的確定； （7）對(duì)箱體主要部件載荷的計(jì)算和校核； （8）確定冷卻溫度和潤(rùn)滑系統(tǒng)； （9）對(duì)整個(gè)部件的裝配圖和零件圖的繪制； 這些問(wèn)題都是設(shè)計(jì)該風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將通過(guò)查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料和向老師咨詢的方法來(lái)解決。 2、 特色與創(chuàng)新之處： 我國(guó)的風(fēng)力事業(yè)由于起步晚，特比是兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)齒輪箱，主要生產(chǎn)設(shè)備長(zhǎng)期依賴進(jìn)口。在自主開(kāi)發(fā)風(fēng)力大型容量發(fā)電機(jī)等方面還比較落后，特別是像齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)等技術(shù)領(lǐng)域還存在很大的差異。為此希望減少此差距。 按照現(xiàn)在風(fēng)機(jī)裝機(jī)要求，在考慮重量、體積、運(yùn)行穩(wěn)定性的多種情況下，設(shè)計(jì)合理的齒輪箱和增速比，采用合理的材料提高運(yùn)行的壽命。同時(shí)在設(shè)計(jì)繪制零件圖和裝配圖時(shí)廣泛運(yùn)用CAD/CAM/CAE技術(shù)和Pro/e軟件，以提要傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的精度、可靠性、降低傳動(dòng)系統(tǒng)制造成本，提高傳動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化水平和傳動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)件的使用率。 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，本人將全部應(yīng)用CAD/CAE/CAM技術(shù)和soliworks軟件來(lái)設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)。利用CAD軟件繪制二維裝配圖和零件圖，利用soliworks軟件繪制三維裝配圖和零件圖；大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間以及畫(huà)圖時(shí)間，并提高了設(shè)計(jì)精度還有減小誤差。 3、 擬采取的研究方法、步驟、技術(shù)路線 (1)查閱資料，熟悉國(guó)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(shì)。 (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(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 4、 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） soliworks軟件（繪制三維裝配圖和零件圖） 儀器設(shè)備： 本課題主要是對(duì)大容量風(fēng)電機(jī)組齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，所采用的設(shè)備儀器是普通計(jì)算機(jī)。 5、 參考文獻(xiàn) B： [1] 潘存云， 機(jī)械原理[M]、 長(zhǎng)沙、 中南大學(xué)出版社、 2011 [2]、林景堯、 風(fēng)能設(shè)備使用手冊(cè)、 北京、 機(jī)械工業(yè)出版社、 1992 [3]、芮曉明、 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)． 北京、 機(jī)械工業(yè)出版社 、2010? 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