第Ⅱ代風力空氣壓縮機設計Design of two generation air compressor學生姓名所在學院所在專業(yè)申請學位指導教師副 指 導 教 師答辯時間目 錄目 錄設計總說明 I1 設計背景及意義 .I2 作品的介紹： .I3 作品的亮點： II4 對作品未來的展望 IIINTRODUCTION .II1 風機設計原理： .11.1 設計原理圖： 11.2 系統(tǒng)工作原理： 11.3 作品整體結構設計圖： 22 葉片設計： .23 傳動參數(shù)的擬定及相關參數(shù)的確定： .43.1 傳動簡圖： 43.2 傳動比的確定： 43.3 各軸的轉速： 53.4 各軸的輸入功率： 53.5 各軸的輸入轉矩： 53.6 傳動參數(shù)數(shù)據(jù)表： 64 設計兩對傳動齒輪： .64.1 選精度等級、材料及齒數(shù)，齒型 64.1.1 確定齒輪類型． .6目 錄4.1.2 材料選擇． .64.1.3 精度選擇： .64.1.4 參數(shù)選擇： .64.2 按齒面接觸強度設計 74.2.1 設計公式 .74.2.2 調(diào)整齒輪的分度圓直徑 .84.3 按齒根彎曲強度設計 104.3.1 試算模數(shù) .104.3.2 調(diào)整模數(shù) .124.4 幾何尺寸計算 134.4.1 計算兩對齒輪分度圓直徑 .134.4.2 計算分錐角 .134.5 計算齒輪寬度 144.6 結構設計及繪制兩對齒輪的零件圖（從略） 144.7 主要涉及結論 145 軸的設計 .145.1 Ⅰ軸的設計 145.1.1 初算軸徑 .145.1.2 按扭矩估算最小軸徑 .145.1.3 結構設計 .155.1.4 軸的疲勞強度校核 .165.2 Ⅱ、Ⅲ軸的設計 166 聯(lián)軸器的選擇 .16目 錄7 滾動軸承的選擇與計算 .177.1 選型 177.2 基本參數(shù) 177.3 軸承的計算 187.3.1 求比值 187.3.2 計算軸承壽命 .197.4 Ⅱ、Ⅲ軸上的軸承設計 208 Ⅰ軸安全剎車設計 .209 鍵的選擇與校核 .219.1 鍵的設計 219.1.1 選型 .219.1.2 鍵連接強度計算 .229.2 設計結論 2210 對風裝置（及尾舵）和尾桿 .2211 技術參數(shù)匯總 .2312 軸Ⅰ的重心計算： .2513 整個風能轉化機構的重心計算 .2514 底板的設計 .2615 豎直支架的設計 .2616 浮筒選擇 .2817 技術參數(shù)匯總 .2818 整體結構的穩(wěn)定性分析 .2819 設計總結 .29目 錄鳴 謝 31參考文獻 32設計總說明I設計總說明1 設計背景及意義風機，已經(jīng)是許多國家新能源開發(fā)的重點之一項目。我國當然也不例外，并且在我國風機研究和發(fā)展還不成熟，再加上其他優(yōu)越的條件，使得風機在我國還有很大的研究和發(fā)展價值。天時：我國沿海海面多為季風性氣候,風力穩(wěn)定，每天海面上的風力都在 4 級及以上，約為 8m/s 以上，風力資源豐富。地利：中國擁有綿長的海岸線，大小島嶼多，海洋能資源儲備量巨大，環(huán)境條件好?？捎糜跐O業(yè)養(yǎng)殖，節(jié)約電能，從而減少對環(huán)境的污染。人和：目前我國現(xiàn)在正處于社會主義建設的新階段，人民對于建設偉大祖國的熱情高漲，國家對于新能源的開發(fā)利用的支持力度也日益加大。在新世紀召開的第一次全國科學技術大會上，總書記胡錦濤提出這樣一個擲地有聲的口號：堅持走中國特色自主創(chuàng)新道路，為建設創(chuàng)新型國家而努力奮斗。在 2012 年上海召開的國際風能展覽會上，中國科技部正在力推 10 兆瓦（MW，1 兆瓦=1000 千瓦）級海上風電機組整機和零部件設計關鍵技術研發(fā)，以期在“十二五”末實現(xiàn)海上超大型風電機組的樣機運行。近些年來，國家對綠色能源的研制和開發(fā)已經(jīng)提到工作日程上來。這就說明國家對風能、太陽能等綠色能源開發(fā)的大力支持和高度重視。對于國外的最新情況，歐洲目前是世界風電發(fā)展的先行和技術標準的制定者，丹麥、德國、西班牙的實力尤其強大。所以借助我國良好的外交環(huán)境，我們可以以他們?yōu)閹?，引進技術，加快步伐縮小與他們的差距，服務于本國國民經(jīng)濟的增長需求。意義：我們的經(jīng)濟在不斷快速增長，步伐不斷邁向海洋。與此同時，由于海上能源輸送不方便等問題，制約海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展的諸多因素也凸顯出來。我們的項目就是在這樣的背景下開展的，嘗試致力于解決海上能源問題?？偠灾?，對于才剛剛起步的中國海上風電，我們有廣闊的發(fā)展空間；對于清潔無污染的海上風能資源，我們有光明的發(fā)展前景。設計總說明II2 作品的介紹：我的項目稱作《多用途浮式風機》 ，動力源為風能，傳動裝置為葉輪，聯(lián)軸器、增速箱及氣泵，執(zhí)行件為儲氣罐（儲能裝置） ，目的是將海上豐富的風能資源進行有效收集并利用。面向對象為海上養(yǎng)殖戶與鉆井平臺等相對孤立與大陸物料傳送不便的地方，可以為他們的日常作業(yè)提供必要的動力。通過結構的設計，可以實現(xiàn)海上自動垂直對風，同時對于抗擊風浪也有很好的平穩(wěn)性。3 作品的亮點：（1） 、先進性：通過獨特且簡單的結構設計使風機能夠適應海上平臺不平穩(wěn)的的情況，一定海況范圍內(nèi)（5 級海況以內(nèi)）葉輪能在任何一個方向始終保持垂直對風。 （2） 、科學性：a.相比較于海上其它能量：海流能、潮汐能、太陽能等，風能利用是一門研究比較成熟的技術，工程投資成本相對較少，回報率高； b.整體結構傳動鏈短，能源利用率高；c.整個結構的平穩(wěn)性及零件的強度剛度條件都經(jīng)過嚴格的力學校核，科學合理；（3） 、實用性：a.采用可移動平臺，使用靈活，可根據(jù)工作需求多臺聯(lián)機工作；b.結構簡單，且組裝、維修、操作方便；c.零部件材料普通，投入成本低,一般海上養(yǎng)殖戶能夠承受；（4） 、可靠性：采用機械裝置，工作穩(wěn)固可靠；（5） 、技術性：利用 PROE 進行三維仿真,真實逼真。4 對作品未來的展望 由于時間和所學知識有限，我們的作品就做到現(xiàn)在這個程度。對于這個作品的未來，我們有以下幾個想法：設計總說明III（1） 、進一步對平臺進行設計，朝著更平穩(wěn)的方向發(fā)展，增強其抗擊風浪的能力；（2） 、朝著大功率的方向發(fā)展；（3） 、通過用戶對產(chǎn)品的反饋進行改進，務求物近其用；（4） 、進一步改善對風裝置關鍵詞：（關鍵詞 3 到 5 個，關鍵詞之間用“；”隔開）風輪機；增速器；氣泵ABSTRACTIVINTRODUCTIONMy project called the multipurpose floating wind machine “, the power supply is the wind, driving device for impeller, coupling, a gear box and an air pump, executive a gas tank (energy storage device) to the sea of the rich wind energy resources to effectively collect and use. The object is the relative isolation and transportation inconvenience of the offshore marine breeding household and the drilling platform, and can provide the necessary power for their daily operations Through the structure of the design, we can achieve the offshore automatic vertical to the wind, at the same time for the fight against wind and waves also have a good stationary.By unique and simple structural design of the fan can adapt non stationarity of offshore platform, within a certain range of sea conditions within 5 sea) impeller can in any direction always keep vertical to the wind.Compared with other energy: ocean current energy, tidal energy, solar energy, and so on, wind energy utilization is a relatively mature technology, the investment of wind energy projects is relatively small, the return rate is high.Overall structure of the transmission chain is short, energy utilization is high. The stability of the whole structure and the strength of the parts of the rigidity of the rigidity of the conditions are strictly mechanical check, scientific and reasonable.KEYWORDS: Wind turbine；Speed-increasing gear; Air pump－ 1 －設計題目設計說明書1 風機設計原理：風機是依靠輸入的風能，推動風葉轉動，從而帶動整臺機器運轉起來，最后把高壓氣體儲存起來或直接運用。氣體壓縮和氣體輸送機械是把旋轉的機械轉換為氣體壓力能和動能。風機主要由風葉、增速器、氣泵、儲氣罐、浮筒、支撐架等部件組成。1.1 設計原理圖：－ 2 －1.2 系統(tǒng)工作原理：葉輪在海風的作用下，通過圓周轉動產(chǎn)生功率（設計值為 1kw） ，經(jīng)過軸承、聯(lián)軸器及增速器，將轉速變化到氣泵的滿載轉速（選用值為 1600r/min） ，然后氣泵將壓縮的空氣經(jīng)過空氣軟管儲存在儲氣罐里，隨時等待取用。1.3 作品整體結構設計圖：2 葉片設計： 設計一臺功率為 1kw 的三葉片風輪機，設計風速為 10.8m/s(即五級風) ，空氣的密度為 1.224kg/m2（氣溫為 15℃，氣壓為 1lata。 ） 。由參考文獻《風能與風力發(fā)電技術》圖（4——7）查得：λ opt=4.6 ,Cp=0.36其中，λ——速比，是葉尖速度與風速之比;Cp——風能利用系數(shù)，最大值是 59.3%。由風機的理論設計公式得：功率： ??=12??????2??3??????葉尖速比： λ =????????=2??????60????=??????30????其中， ——空氣密度， ;P——風輪的吸收功率，w;w——風輪角速度，rad/s， ;r——風輪半徑，m。－ 3 －風輪半徑： m轉速: min整個葉片漿的受風面積:由以上的計算可選定風機的葉片半徑 r 為 1.35 m ，材料為玻璃纖維其特點是質量輕，耐腐蝕，易在海面使用。葉片圖（包括輪轂和導流罩）如下：－ 4 －－ 5 －3 傳動參數(shù)的擬定及相關參數(shù)的確定：3.1 傳動簡圖：同原理圖。3.2 傳動比的確定：由前面的計算結果得：n =424r/min 增速箱的輸出轉速為 n=1600r/min故總傳動比為：i 總 =1600/424=3.8 整合得 i 總 =4。對于增速箱的傳動比：i 增 =1/i 總 =1/4=0.25。3.3 各軸的轉速：低速軸Ⅰ的轉速：n Ⅰ =n=424r/min中間軸Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的轉速：n Ⅱ =nⅢ =nⅣ =nⅠ =424r/min 高速軸Ⅴ、Ⅵ的轉速：n Ⅴ =nⅥ = =1690r/min－ 6 －3.4 各軸的輸入功率：根據(jù)《機械設計課程設計》表（3——1） ，取聯(lián)軸器的效率 η 聯(lián) =0.99，球軸承的效率 η 軸承 =0.99，錐齒輪的效率 η 錐 =0.96，增速器的效率 η 增 =0.92。則：低速軸Ⅰ：PⅠ =P=1000W中間軸Ⅱ：PⅡ =PⅠ η 軸承 η 錐 =1000×0.99×0.96=950.40W中間軸Ⅲ: PⅢ =PⅡ η 軸承 η 聯(lián) =980.1×0.99×0.99=931.49W中間軸Ⅳ: PⅣ = PⅢ η 錐 =931.49×0.96=894.23W高速軸Ⅴ：PⅤ = PⅣ η 增 =894.23×0.92=822.69W高速軸Ⅵ：PⅥ = PⅤ η 聯(lián) =822.69×0.99=814.46W3.5 各軸的輸入轉矩：低速軸Ⅰ：TⅠ =9.55×106PⅠ /nⅠ =9.55×106×1/424=2.252×104N·mm中間軸Ⅱ：TⅡ =9.55×106PⅡ /nⅡ =9.55×106×0.950/424=2.140×104N·mm中間軸Ⅲ: TⅢ =9.55×106PⅢ /nⅢ =9.55×106×0.931/424=2.097×104N·mm中間軸Ⅳ: － 7 －TⅣ =9.55×106PⅣ /nⅣ =9.55×106×0.894/424=2.014×104N·mm高速軸Ⅴ：TⅤ =9.55×106PⅤ /nⅤ =9.55×106×0.867/1696=4.837×103N·mm高速軸Ⅴ：TⅥ =9.55×106PⅥ /nⅥ =9.55×106×0.859/1696=4.786×103N·mm3.6 傳動參數(shù)數(shù)據(jù)表：軸Ⅰ 軸Ⅱ 軸Ⅲ 軸Ⅳ 軸Ⅴ 軸Ⅴ功率 P/KW 1 0.950 0.931 0.894 0.867 0.859轉矩T/(N·mm)2.252×1042.140×1042.097×1042.014×1044.837×1034.786×103轉速n/(r/min) 424 424 424 424 1696 1696傳動比 1 1 1 0.25 1效率 0.950 0.980 0.960 0.960 0.9904 設計兩對傳動齒輪：4.1 選精度等級、材料及齒數(shù)，齒型4.1.1 確定齒輪類型．因為風機傳動的力矩不大，速度較低，所以兩對齒輪均為直齒錐齒輪4.1.2 材料選擇．因為含 Si 量在 15%~20%的鋼抗腐蝕性能最強，所以根據(jù)《機械設計》表 10-1（注：在齒輪的設計中的數(shù)據(jù)均來自《機械設計》 ，以下在齒輪的設計中省略。 ） ，齒輪材料為,35SiMn（調(diào)質） ，硬度為 250HBS。－ 8 －4.1.3 精度選擇：風機為一般工作機器，速度不高，故選用 7 級精度4.1.4 參數(shù)選擇：初選齒輪齒數(shù) Z1＝24，壓力角 ?20??4.2 按齒面接觸強度設計4.2.1 設計公式按式（10－29）試算，即 3 21 )][()5.0(4HERRtt ZTkd???????4.2.1.1 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值1) 試選 KHt=1.3。2) 由圖 10-20 查得區(qū)域系數(shù) ZH=2.5。3) 選取齒寬系數(shù) 。3.0?R?4) 由表 10-5 查得材料的彈性影響系數(shù) ZE=189.8MP1/2。5) 由圖 10－25d 按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強度極限 。MPaH6201lim??6) 由式 10－13 計算應力循環(huán)次數(shù)91 10374.)10365(14260????hjLnN91237.?－ 9 －7) 由圖 10－22 查得接觸疲勞強度壽命系數(shù)：92.011?HNK8) 計算接觸疲勞強度許用應力取失效概率為１％，安全系數(shù)為 S=1，由式 10－14 得MPaSKHNH 4.5701/6209.][1lim1 ??????MPa4.57][124.2.1.2 試算齒輪分度圓直徑 、 ，由計算公式得td1t23 21 )][()5.0(4HERRtt ZuTkd?????m04.724.5708192/4)3.1(3.1. 2???????????31 )][()5.0(4HERRtt ZTkd??????? m35.704.5708192/4)3.1(3.10972. 2???????????－ 10 －4.2.2 調(diào)整齒輪的分度圓直徑4.2.2.1 計算實際載荷系數(shù)前的準備。1) 圓周速度 v。=72.04×（1-0.5×0.3）=61.23mm=70.35×（1-0.5×0.3）=59.80mmsmndmt /36.10642.1061 ?????sdmt /.18.593222) 當量齒輪的齒寬系數(shù) 。mm=15.28mmmm=14.92mm4.2.2.2 計算實際載荷系數(shù) 。HK由表 10——2 查得 KA=1。由速度 v1=1.36m/s,v2=1.33,7 級精度，由圖 10——8 查－ 11 －得 Kv1=1.07,Kv2=1.06。直齒錐齒輪精度較低，取齒間載荷分配系數(shù) 。由表10——4 用插值法得 ， 。所以，實際載荷系數(shù)4.2.2.3 計算分度圓直徑及相應的齒輪模數(shù)： mKdHtt 346.89.1024.73311 ???Htt 70.3.5.2032 mzd.4/6.89/m11??53.2/70./224.3 按齒根彎曲強度設計4.3.1 試算模數(shù)模數(shù)公式即， 321t ][)5.0( FSRRFt YuZTKm???????－ 12 －4.3.1.1 確定計算參數(shù)1) 試選 3.1?FtK2) 計算分錐角3) 計算當量齒數(shù)94.35cos211????Zv94.312v4) 查取齒形系數(shù)由表 10－17 查得 47.21?FaY47.2??F5) 查取應力校正系數(shù)由表 10－18 查得 65.1?SaY65.12?S6) 由圖 10－24c 查得，齒輪的彎曲疲勞強度極限， MPaF4201lim??MPaF420lim??7) 由圖 10－22 查得彎曲疲勞強度壽命系數(shù)83.01?FNK83.02?FN－ 13 －8) 計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數(shù) S＝1.7，由式（10－12）得.2054.1830][11 MPaKFENF ????PaF25][129) 計算齒輪的 ][SY???019.256.471??FSaY.12FSaFSaY?4.3.1.2 計算模數(shù)3 121t1 ][)5.0( FSRRFt YuZTKm???????==1.489mm3 22409.1)()3.051(.0??3 2213t2 ][)5.0( FSRRFt YuZTKm???????= m45.109.)24()3.05(3.09724????－ 14 －4.3.2 調(diào)整模數(shù)4.3.2.1 計算實際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準備。1) 圓周速度 v2) 齒寬 bmudR 581.72/)4(376.502/11 ???????bR 403./)2(89./22－ 15 －4.3.2.2 計算實際載荷系數(shù) KFmKmKK KKFtttFtVAFF HFHHvv856.03.1274265.0.10.749226.0,.2606.0410 1,1.2.183223311222111 11?????? ????算 得 的 模 數(shù) 為所 以 ， 按 實 際 載 荷 系 數(shù)所 以 ， 載 荷 系 數(shù) 為由 于 是 直 齒 錐 齒 輪 ， 取 ，插 值 法 得由 表 。所 以 取 齒 間 載 荷 系 數(shù)低由 于 直 齒 錐 齒 輪 精 度 較。查 得由 圖 ?? ??? ?對比計算結果，由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，就近選擇標準模數(shù)，可滿足彎曲強度。但為了同時滿足接觸疲勞強度，須按接觸疲勞強度121算得的分度圓直徑 來計算應有的齒數(shù)。于是有mdd670.8,346.8921??，取1mz 91z，取670.8.2??dz 82?z4.4 幾何尺寸計算4.4.1 計算兩對齒輪分度圓直徑－ 16 －4.4.2 計算分錐角4.5 計算齒輪寬度,圓整后取 ,4.6 結構設計及繪制兩對齒輪的零件圖（從略）4.7 主要涉及結論齒數(shù) ， ，模數(shù) ，壓力角 ，變位系數(shù) ，，分錐角 ， ，齒寬 ， 。兩對齒輪均采用 (調(diào)質)。兩對齒輪均按照 7 級精度設計。5 軸的設計5.1 Ⅰ軸的設計5.1.1 初算軸徑 選材 45 號鋼（調(diào)質）,查《機械設計》表 15——1（注：在軸的設計中的數(shù)據(jù)均來自《機械設計》 ，以下在軸的設計中省略。 ） ，許用彎曲應力 =60MPa，查表 15——3 取 Ao=110，許用扭轉應力 =40MPa。－ 17 －5.1.2 按扭矩估算最小軸徑由于軸多了一個鍵槽，軸徑將增大 7%即： 初選為:dmin=20mm5.1.3 結構設計已知 FA=[8kg(葉片)+1.5kg（輪轂）]×9.8=93.10N由平衡條件：∑M B=0 FA×lAB=FC×lBC∑F=0 F B-FA-FC=0得 FC=FA×lAB/lBC=93.10×144/84=159.60N 得 FB=FA+FC=93.10+159.60=252.70N故最大彎矩：M=F A×lAB=93.10×144N·mm=13406.40N·mm最大扭矩： mNnpTa /2541062????－ 18 －葉片受到的軸向力為 Fa,， 則作用葉輪的空氣質量:kgvrm06.583.124.2??????由動能定理： , 已知 v1=10.8m/s得：由沖量定理： ,得：5.1.4 軸的疲勞強度校核軸的扭轉強度條件：代入數(shù)據(jù)： 軸的彎扭合成強度條件：其中 M=13406.40N·mm, T= 。當扭轉切應力為靜應力時，取折合系數(shù)為 α=0.3。軸的抗彎截面系數(shù) W=0.1d3 。則， ????13227.801.5436????????ca故符合條件。－ 19 －5.2 Ⅱ、Ⅲ軸的設計同Ⅰ軸的設計過程基本相同，主要是在軸的另一端增加一個相同的鍵槽，故軸的強度也是夠用的，不再重復設計。6 聯(lián)軸器的選擇為了能緩沖減振且質量輕，選用梅花形彈性聯(lián)軸器。聯(lián)軸器的計算轉矩 ,查表 14-1，考慮轉矩變化小，故取 KA=1.5，則按照計算轉矩，查標準 GB/T5014-2003 或手冊，選用的聯(lián)軸器型號分別為Ⅱ軸聯(lián)軸器型號：LM2-bGB/T 5272-2002，允許公稱轉矩為 100N·m對于高速軸Ⅴ軸，其軸徑為 15mm，所以其聯(lián)軸器型號：LM1-bGB/T 5272-2002，許公稱轉矩 45N·m相應的參數(shù)為：LM1：d 1=20mm d2=22mm dZ=24mm L=35mm L0=86mm D=50mm m=0.66kg－ 20 －LM2：d 1=20mm d2=22mm dZ=24mm L=38mm L0=95mm D=60mm m=0.93kg7 滾動軸承的選擇與計算外球面軸承優(yōu)先適用于要求設備及零部件簡單的場合。例如用于農(nóng)業(yè)機械、運輸系統(tǒng)或建筑機械上。它具有很好的調(diào)心性能，允許調(diào)心角度最大為±10°。對主機相關件的加工精度要求較低。軸承內(nèi)孔與軸之間可為間隙配合，且安裝、拆卸方便，特別適合有多支軸承、長軸、剛度小易變形的軸。帶頂絲軸承適用于旋轉方向不變的場合。軸承具有可靠的密封裝置，可以有效防止污物侵入軸承，防止軸承內(nèi)潤滑脂外溢。軸承內(nèi)的潤滑脂可保證軸承在一定期間內(nèi)正常工作，必要時還可通過油孔定期添加潤滑油脂，使軸承保持良好潤滑，達到長期使用的效果。7.1 選型類型代號：UCP207。軸承材質為 GCr15 (GB/T18254-2002)，軸承座為鑄鐵。其特點是大部分外球面軸承都是將外徑做成球面，與帶有球狀內(nèi)孔的軸承座安裝在一起，結構形式多樣，通用性和互換性鉸好。同時，此類軸承在設計上還具有一定調(diào)心性，易于安裝，具有雙重結構的密封裝置，可以在惡劣的環(huán)境下工作。軸承座一般是采用鑄造成型。 7.2 基本參數(shù)基本額定動載荷為 19.8KN 靜載荷為 15.2KN。如下圖所示，