舒宜宝 毕业设计开题报告.doc

潇湘学院 2013 届毕业设计（论文）开题报告题 目 MW级风电机组主传动增速齿轮箱设计作者姓名舒宜宝学号所学专业机械设计制造及其自动化1、 研究的意义，同类研究工作国内外现状、存在问题（列出主要参考文献）在不断持续的能源紧张中，不少人想到了新能源利用。利用洁净的能源（可再生能源）是人类社会文明进步的表现、是科学技术的发展、是环保理念的体现。洁净能源指太阳能、风能、潮汐能、生物能等，这都是可再生取之不尽的能源，特别是风能技术最为成熟，经济可行性较高，是一种较理想的发展能源。风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。 我国风能资源总量约42亿千瓦，技术可开发量约3亿千瓦。目前东南沿海是最大风能资源区，风能密度为200W/M2300W/M2，大于6m/s的风速时间全年3000h以上就可取得较大经济效益。 21世纪是可再生能源的世纪，由于风能非常丰富、价格非常便宜、能源不会枯竭，又可以在很大范围内取得，非常干净、没有污染，不会对气候造成影响，因而风力发电具有极大的推广价值。在中国，风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。这些地区缺少煤炭及其他常规能源，并且冬春季节风速高，雨水少；夏季风速小，降雨多，风能和水能具有非常好的季节补偿。另外，在中国内陆地区，由于特殊的地理条件，有些地区具有丰富的风能资源，适合发展风电，比如江西省都阳湖地区以及湖北省通山地区。目前我国的风能利用方面与国际水平还在一定差距，但是发展很快，无论在发展规模上还是发展水平上，都有很大提高。据资料显示，2004年全国在建项目的装机容量约150万千瓦，其中正在施工的约42万千瓦，可研批复的68万千瓦，项目建议书批复的45万千瓦，包括五个10万千瓦特许权项目。 风电和水电具有不同步发生规律，风力发电高峰处于秋季与冬季，水利发电高峰期处于春季和夏季，风电和水电具有季节性特性，可实现季节性互补；风力发电是环保型可再生能源，可改善电源结构，替代一部分火电容量，节约煤炭，减少污染，保护环境。 据初步测算，目前风电场造价成本约为80009000元/KW，机组（设备）占75%左右，基础设施占20%，其它占5%。风能利用小时数在27003200小时，其风电成本约0.450.6元/千瓦时。 风电的潜力体现于风能资源的丰富性。据初步统计、中国陆地10米和海面15米可供开发的风力资源在几亿千瓦以上，相当于可开发水能资源（3.9亿千瓦）的2.5倍。而50米风力资源还会增大一倍。根据现有技术，地面 50100米的风力资源都可开发利用。2003年，我国发电装机容量为3.85亿千瓦，专家认为，中国单靠风力发电就能将现有的电力生产翻一番。此外，风电技术正日臻成熟。随着科学技术的发展，风电技术已经相当成熟。更大型、性能更好的机组的已开发并投人生产试运行，可利用的风速要求还会降低。再者，风电工程的建设工期短，见效快。火电、水电的建设工期需要用年来计算，而在有风场数据的前提下，风电项目只需要以周、月来计算。风场建设在短时间内即可完成，能够解决我国电力短缺的燃眉之急。 另外，风电的发展对于遏制温室效应具有重大的意义。据统计，风力发电每生产100万千瓦时的电量，便能减少600吨二氧化碳的排放。因此，大力发展风能可以大幅度削减造成温室效应的二氧化碳，缓解气候变暖的状况，并能有效地遏制沙尘暴灾害，抑制荒漠化的发展。 除此之外，风电还可以满足边远农村的独立供电。目前，“大机组、大电网、高电压”的模式难以有效解决西部地区分散性的电力需求。开发风力发电这样的分散供电系统，可以较好地满足这些地区发展对能源的要求，可以说，我国目前没有联上电网的农村是风力发电的巨大市场。最后，风场也成旅游项目。风电场还能带动当地经济发展。内蒙古风电场就是很好的例子。它虽然不大，但场面很壮观，已发展成为旅游区。 根据风力发电机的运行特征, 风力发电机可分为恒速风力发电机、有限变速风力发电机和变速风力发电机.1.1 恒速风力发电机 恒速风力发电机, 采用了笼型异步发电机, 发电机通过变压器直接接入电网. 因为笼型异步发电机只能工作在额定转速之上很窄的范围内, 所以通常称之为恒速风力发电机。有限变速风力发电机。1.2 有限变速风力发电机 发电机采用绕线式异步发电机. 绕线式异步发电机转子外接可变电阻, 其工作原理是通过电力电子装置调整转子回路的电阻, 从而调节发电机的转差率, 使发电机的转差率可增大至10% , 实现有限变速运行, 提高输出功率。1.3 变速风力发电机 采用双馈发电方式, 突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念, 使原动机转速不受发电机输出频率限制, 而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响, 变机电系统之间的刚性连接为柔性连接。 风力发电机组是将风能转化为电能的机械，风轮是风力发电机组最主要的部件，由桨叶和轮毅组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在气流作用下产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速，驱动发电机转变成电能。齿轮箱作为风电机组中的核心部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。齿轮箱安装在距地面几十米甚至一百多米高的狭小机舱内，其本身的体积和重量对机舱、塔架、基础、机组风载、安装维修费用等都有重要影响，因此减小齿轮箱外形尺寸和重量显得尤为重要。同时，由于维修不便、维修成本高，通常要求齿轮箱的设计寿命为20年，对可靠性的要求也极为苛刻。载荷特点、工作环境以及尺寸、重量、可靠性的要求，决定了风电增速箱是工业齿轮箱中设计制造难度最大的产品之一。目前国内外的大型风电齿轮箱的主要结构型式有三种：、二级平行轴，、三级平行轴，、一级行星加二级平行轴，4、二级行星。在大功率的风电齿轮箱中主要是第种结构型式，即为一级行星加二级平行轴的结构型式。其传动路线是；桨叶传动轴收缩套行星架太阳轮第二级平行轴大齿轮第二级平行轴小齿轮第一级平行轴大齿轮第一级平行轴小齿轮发电机。对于兆瓦级风电齿轮箱，传动比多在100左右，一般有两种传动形式:一级行星十两级平行轴圆柱齿轮传动，两级行星+一级平行轴圆柱齿轮传动。行星传动是典型的低速、重载、变转矩和增速传动。风电增速齿轮箱通过行星架输入风轮叶片传来的转矩，由于行星架结构复杂，承受力矩最大，质量和尺寸也较大，所以它的变形对行星级的内外啮合齿轮传动的质量和可靠性有很大影响。因此，要求行星架要有足够的强度、刚度和较小的尺寸、质量。参考文献：1 卢为平.风力发电基础.化学工业出版社,2011.2 金风.1500kW风力发电机组介绍.金风公司产品资料,2008.3 姚兴佳,宋俊.风力发电机组原理与应用M.机械工业出版社,2009.4 张志英.风能与风力发电技术M.北京化学工业出版社,2010.5 尹炼.全国风力发电场培训教材风力发电M.中国电力出版社,2002.6 倪玮.风力发电系统M.北京：机械工业出版社,2011.2、 研究目标、内容和拟解决的关键问题（根据任务要求进一步具体化）一、 研究目标 设计一种MW级风电机组主传动增速齿轮箱二、研究内容（一）箱体箱体是齿轮箱的重要部件，它承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反力，必须具有足够的刚性去承受力和力矩的作用，防止变形，保证传动质量。（二）行星架行星架是行星机构中结构较为复杂的零件，承受力矩最大，要求足够的强度与刚度，受载变形要小。通常采用整体双壁式结构。（三）齿轮、轴风力发电机组运转环境非常恶劣，受力情况复杂，对齿轮和轴类零件而言，由于其传递动力的作用而要求极为严格的选材和结构设计，一般情况下不推荐采用装配式拼装结构或焊接结构，齿轮毛坯只要在锻造条件允许的范围内，都采用轮辐轮缘整体锻件的形式。（四）轴承由于风电增速箱可靠性要求高，要求采用进口高可靠性及高性能的轴承，原则上轴承设计寿命为13万小时。（五）联接 平键联接 常用于具有过盈配合的齿轮或联轴器与轴的联接。 花键联接 通常这种联接是没有过盈的，因而被联接零件需要轴向固定。 过盈配合联接 过盈配合联接能使轴和齿轮（或联轴节）具有最好的对中性，特别是在经常出现冲击载荷情况下，这种联接能可靠地工作，在风力发电齿轮箱中得到广泛的应用。 胀紧套联接 利用轴、孔与锥形弹性套之间接触面上产生的摩擦力来传递动力，是一种无键联接方式，定心性好，装拆方便，承载能力高，能沿周向和轴向调节轴与轮毂的相对位置，且具有安全保护作用。三、拟解决的关键问题（1）齿轮强度安全系数与可靠性之间的关系； 在齿轮传动系统中如果任意一个重要零件，如齿轮、轴失效，则系统失效。（2）对传动装置及其联接要求； 对齿轮和轴类零件而言，由于其传递动力的作用而要求极为严格的选材和结构设计，由于齿轮与轴之间的联接所限，常制成轴齿轮的形式。（3）轴承寿命计算及影响因素分析； 当轴的转速接近极限转速时，轴承的承载能力和寿命急剧下降，高速工作时的噪声和振动比较大。由于载荷不均匀性而使轮齿经常发生断齿的现象，在许多情况下又是由于轴承的质量。3、 特色与创新之处（1） 采用多级行星结构，结构紧凑、承载能力强。 行星轮齿轮箱比一般齿轮箱增速比高，结构紧凑、体积小。 行星轮的传动比大，传动的速度范围大、变速好。 行星轮有公转、自转、搅拌时无死角。（2） 齿轮齿轴采用优质低碳合金钢，渗碳淬火后磨齿，精度5级（ISO1328）；内齿圈采用优质中碳合金钢，调质，齿面感应淬火后磨齿，精度6级（ISO1328）。渗碳淬火后，齿表面硬度达到HRC60+/-2，同时规定随模数大小而变化的硬化层深度要求，具有良好的抗磨损接触强度，齿轮心部则具有相对较低的硬度和较好韧性，能提高抗弯曲强度。渗碳淬火后获得较理想的表面残余应力，它可以使轮齿最大拉应力区的应力减小。 （3）合理配制轴承，既保证轴承寿命又能达到齿轮均载的目的。 齿轮箱的支承中，大量应用滚动轴承，特点是静摩擦力矩和动摩擦力矩都很小，即使载荷和速度在很宽范围内变化时也如此。 4、 拟采取的研究方法、步骤、技术路线（1）2 MW级风电机组主传动增速齿轮箱功能分析；（2）确定设计总体方案； 作为风力发电机组主传动关键部件，齿轮箱位于风轮和发电机之间传递动力提高转速，是一种在无规律变向载荷和瞬间强冲击载荷作用下工作的重载齿轮传动装置。 特别需要指出的是，在狭小的机舱空间内减小部件的外形尺寸和减轻重量十分重要，因此齿轮箱设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并且重量最轻，同时要考虑便于维护的要求。根据机组提供的参数，采用CAD优化设计，排定最佳传动方案，选择稳定可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料，配备完整充分的润滑、冷却系统和监控装置，等等，是设计齿轮箱的必要前提条件。 受风轮转速的限制，齿轮箱输入额定转速一般在20 r/min 左右，而发电机额定转速通常为1，000 1，500 r/min ，故齿轮箱的增速比在 50 100 左右。300kW 2，000kW风电机组齿轮箱，为了使结构紧凑，常常采用行星齿轮传动或行星与平行轴齿轮组合传动。（3）各级传动零件设计；行星架行星架是行星机构中结构较为复杂的零件，承受力矩最大，要求足够的强度与刚度，受载变形要小。通常采用整体双壁式结构。齿轮、轴风力发电机组运转环境非常恶劣，受力情况复杂，对齿轮和轴类零件而言，由于其传递动力的作用而要求极为严格的选材和结构设计，一般情况下不推荐采用装配式拼装结构或焊接结构，齿轮毛坯只要在锻造条件允许的范围内，都采用轮辐轮缘整体锻件的形式。当齿轮顶圆直径在2倍轴径以下时，由于齿轮与轴之间的连接所限，常制成轴齿轮的形式。 轴承 由于风电增速箱可靠性要求高，要求采用进口高可靠性及高性能的轴承，原则上轴承设计寿命为13 万小时。 输入端大轴承采用单列满滚子轴承较为普遍，对于中小功率齿轮箱也有采用双列调心滚子轴承的。 行星轮中间的轴承以采用短圆滚子轴承或双列调心滚子轴承为宜。（4）2 MW级风电机组主传动增速齿轮箱装配草图设计； （5）绘制零件图。 箱体、齿轮、轴等零部件的绘制。5、 拟使用的主要设计、分析软件及仪器设备 CAD优化设计 、Pro/E6、参考文献1 刘忠明,段守敏,王长路.风力发电齿轮箱设计制造技术的发展与展望.机械传动,2006年第30卷第6期.2 董进朝.大型风电齿轮箱关键技术研究.郑州机械研究所硕士学位论文,2007年7月.3 凡增辉.兆瓦级风电齿轮箱设计与研究.北京交通大学机电学院硕士学位论文,2009年6月.4 刘忠明,尚珍,董进朝等.风电增速箱齿轮设计计算若干问题探讨.机械传动,2008年第32卷第6期.5 李俊峰等.2008中国风电发展报告.中国环境科学出版社,2008年10月.6 施鹏飞.关于中国风电发展的思考.电力技术经济,2006年第18卷第4期.7 肖英.风力发电机增速装置的研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文,2006年8月.8 李华敏,李瑰贤等.齿轮机构设计与应用.机械工业出版社,2007年6月.9 王晶晶,吴晓铃.风电齿轮箱的发展及技术分析.机械传动,2008年第32卷第6期.10 张立勇,王长路,刘法根.风力发电及风电齿轮箱概述.机械传动,2008年第32卷第6期.11 张志宏,刘忠明,阳培等.大型风电齿轮箱行星架结构分析及优化.机械设计,2008年9月.12 郭爱贵,范为民,魏静等.太重型风力发电增速齿轮箱有限元分析.机械设计,2009年第33卷第6期.13 陈达,张玮.风能利用和研究综述.节能技术,2007年4月.14 雷涛,廖承渝,袁滨.风电齿轮的重点装备.现代零部件,2008年6月.注：1、开题报告是本科生毕业设计（论文）的一个重要组成部分。学生应根据毕业设计（论文）任务书的要求和文献调研结果，在开始撰写论文之前写出开题报告。2、参考文献按下列格式（A为期刊，B为专著）A：序号、作者（外文姓前名后，名缩写，不加缩写点，3人以上作者只写前3人，后用“等”代替。）、题名、期刊名（外文可缩写，不加缩写点）年份、卷号（期号）：起止页码。B：序号、作者、书名、版次、（初版不写）、出版地、出版单位、出版时间、页码。3、表中各项可加附页。