5MW风电齿轮增速箱设计 (一级行星轮系)

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，特别是兆瓦级风电齿轮箱，主要依靠引进国外技术。因此，急需对兆瓦级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。

本文设计的是兆瓦级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。选取一级行星派生型传动方案，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。

最后，对齿轮传动系统进行了齿面接触应力计算，结果符合要求。

关键词：风力发电，风机齿轮箱，结构设计，

Abstract

The rapid development of wind power industry lead to the prosperity of wind power equipment manufacturing industry．As the core component of wind turbine，the gearbox is received much concern from related industries and research institution both at home and abroad．However, due to the domestic research of gearbox for wind turbine starts late，technology is weak，especially in the gearbox for MW wind turbine，which mainly relied on the introduction of foreign technology．Therefore，it is urgent need to carry out independent development and research on MW wind power gearbox，and truly master the design and manufacturing technology in order to achieve the goal of localization．

This paper takes the wind power。The independent design of the gearbox matching for the wind turbine has been carried out by selecting the transmission scheme and calculating the gear parameters。

Firstly, the mechanical structure of gearbox is determined．The two-stage derivation planetary transmission scheme is selected．The gear parameters of every stage transmission is calculated．，and the force analysis results is obtained．The static strength check of tooth surface contact is implemented according to related standard．The result shows that it is accord with safety requirements．

Secondly, the helical gear parametric model is established based on involutes curve equation and generation theory of spiral line by using the function of parametric modeling in Pro／E．

Then, the tooth surface contact stress of the gear transmission is calculated．

Key Words：the wind power ，Gearbox for Wind Turbine；Structure Design；Parametric Modeling

目录

Abstract ____________________________________________________ ii 1.引言_______________________________________________________________ - 1 -

1.1课题来源_______________________________________________________ - 1 -

1.2国内外发展现状与趋势___________________________________________ - 2 -

1.2.1风力发电国内外发展现状___________________________________ - 2 -

1.2.2风电齿轮箱的发展趋势_____________________________________ - 4 -

1.2.3存在的问题及展望_________________________________________ - 5 -

1.3课题意义_______________________________________________________ - 5 -

1.4论文的主要内容及设计要求_______________________________________ - 6 -

1.5设计标准_______________________________________________________ - 7 -

2.齿轮箱的设计 _____________________________________________________ - 8 -

2.1 增速齿轮箱方案设计____________________________________________ - 8 -

2.2齿轮参数确定__________________________________________________ - 11 -

2.2.1行星轮系的齿轮参数______________________________________ - 11 -

2.2.2圆柱级齿轮参数__________________________________________ - 15 -

2.3受力分析与静强度校核__________________________________________ - 16 -

2.3.1受力分析________________________________________________ - 16 -

2.3.2低速级外啮合齿面静强度计算______________________________ - 21 -

2.4本章小结______________________________________________________ - 24 -

3.传动轴和箱体的设计_____________________________________________ - 25 -

3.1高速轴的设计__________________________________________________ - 25 -

3.2低速轴的设计__________________________________________________ - 25 -

3.3中间轴的设计__________________________________________________ - 27 -

3.4箱体__________________________________________________________ - 28 - 4齿轮箱及其他部件的设计_________________________________________ - 29 -

4.1齿轮箱的密封__________________________________________________ - 29 -

4.2齿轮箱的润滑、冷却____________________________________________ - 29 -

4.3轴系部件的结构设计____________________________________________ - 30 -

4.4行星架的结构设计______________________________________________ - 31 -

4.5传动齿轮箱箱体设计____________________________________________ - 31 - 5齿轮箱的使用及其维护____________________________________________ - 32 -

5.1安装要求______________________________________________________ - 32 -

5.2定期更换润滑油________________________________________________ - 32 -

5.3齿轮箱常见故障________________________________________________ - 33 -

5.3.1齿轮损伤________________________________________________ - 33 -

5.3.2轴承损坏________________________________________________ - 33 -

5.3.3断轴____________________________________________________ - 34 -

5.3.4油温高__________________________________________________ - 34 - 心得体会 ___________________________________________________________ - 35 - 致谢______________________________________________________________ - 36 - 参考文献 ___________________________________________________________ - 37 -

1.引言

1.1课题来源

风是一种潜力很大的新能源，十八世纪初，横扫英法两国的一次狂暴大风，吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船，并有数千人受到伤害，二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论，风在数秒钟内就发出了一千万马力(即750万千瓦；一马力等于0．75千瓦)的功率!有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。

近10年风力发电增长迅猛，200年以来，全球每年风电装机容量增长速度为 20%～30%。全球风能协会发布最新一期全球风电的增长数据显示， 2008年全球范围内新增风电装机容量 2 705万 kW，使得全球风电装机容量达到 1 . 20亿 kW，较 2007年增长 28 . 8%。 1998～2008年全球风电装机容量的增长情况。如图 1所示。

图1.1全球风电装机容量

我国的风电发展主要集中在 2003年以后，尤其是在风电特许权的带动下， 2006年我国除台湾外增加风电机组 1 454台，增加装机容量 133 . 7万 kW，比过去 20年发展累积的总量还多，仅次于美国、德国、西班牙和印度。 2008年又新增风电装机容量630万 kW，新增容量位列全球第 2，仅次于美国。截至 2008年底总装机容量达到 1 215 .3万 kW，同比增长 106% ，总装机容量超过了印度，位列全球第4，同时跻身世界风电装机容量超千万千瓦的风电大国行列。图 2反映了 2000年以来我国风电装机容量的增长。

图1.2我国风电装机容量

风力发电系统主要由风轮、齿轮箱、发电机、功率变换器、变压器等部分构成，其中，发电机承担将风能转换为电能的任务，是风力发电系统中的核心部件。随着风力发电整体技术的发展，风力发电机由早期的直流发电机、笼型异步发电机等演变为当前的双馈异步发电机和低速直驱永磁同步发电机等。同时，风力发电机自身技术水平的提高，又有力地促进了风力发电整体技术的进步。例如，双馈异步发电机及其控制技术的成熟，使变速恒频风力发电得以实现，成为当前风力发电系统的主流。因此，风力发电机与风力发电系统互为因果，相互促进。近年来风力发电系统的容量不断增大，特别是低速直驱永磁风力发电系统的快速发展，有力地促进了风力发电机的设计、制造、控制以及运行维护水平的提高，各种新型风力发电机不断出现。

本课题就是建立在对引进的兆瓦级风力发电增速齿轮箱结构技术消化吸收的基础上，对增速齿轮箱进行结构设计，为研发自主知识产权的风机增速齿轮箱打下基础。

1.2国内外发展现状与趋势

1.2.1风力发电国内外发展现状

风力发电的快速增长带动了风电设备制造业的发展， 2007 年度全球风电设备市场总价值达到360 亿美元。目前，世界上先进的风电设备制造企业主要集中在少数几个国家，如丹麦、德国、西班牙和美国等，著名的公司有Ves tas(丹麦)、 GE Wind(美国)、 Gamesa(西班牙)、Enercon (德国)、 Suzlon(印度)等。图3 为2007 年世界风电机组市场份额图。2007 年，丹麦的Vestas 公司占全球市场份额的 22.8%，前3 位公司占有了市场份额的一半多。值得一提的是，我国的金风科技股份有限公司也占据了2007 年世界风电市场的4. 2%。

图1.3 2007年世界风电机组市场份额

风电的快速增长同样刺激了我国风电设备制造业的发展，并迅速崛起了像金风科技股份有限公司、华锐风电科技有限公司、湖南湘电风能有限公司、浙江运达风力发电工程有限公司等风电设备制造企业。这些企业通过对国外风电技术的吸收再创新，形

成了较大的生产规模。目前，国内从事风电设备制造的企业达 50余家，而且配件制造企业队伍也在迅速扩大。2007 年我国新增装机容量中，内资企业产品占 55. 9%，其中金风科技的份额最大，占新增总装机容量的 25.1%，占内资企业产品的44. 9% ;合资企业产品占新增装机容量的 1.6%; 外资企业产品占 42. 5%，其中西班牙Gamesa的份额最大，占新增装机容量的39. 9% 。国际上，兆瓦级以上的风电机组已经成为主流机型。如美国:主流机型1. 5MW，丹麦: 主流机型( 2. 0~3. 0)MW。截至2006年，我国风电机组1MW以下的机组占总装机容量的70%， 1MW~ 2MW之间的风电机型只占26%，2MW以上机型占4%。根据国家发改委规划，我国未来的风电新增装机将以1. 5MW、 2MW 机型为主， 1MW以下机型所占比重将逐渐降低。

风力发电发展的主要趋势：

( 1) 机组单机容量增大风电机组单机容量的增大有利于提高风能利用率，降低风场的占地面积，降低风电场运行维护成本，从而提高风电的市场竞争力。目前，国际上主流的风电机组已达到( 2~ 3)MW，由德国Repower 公司研制的最大的5MW 风电机组已投入运行，其旋翼区直径达到126 米。可以预见， ( 3~ 5)MW的风电机组在市场中的比例将日益提高。2008 年 2 月在布鲁塞尔举行的风能会议和风能展上，有与会者甚至提出了2020 年前开发出20MW风电机组的概念。

( 2) 海上风电迅速兴起海上风能资源丰富，且受环境影响小，海上风电场将成为一个迅速发展的市场。目前丹麦、德国、英国、瑞典和荷兰等国家海上风电发展较快。欧洲风能协会(EWEA)预测， 2020年，欧洲海上风电总装机容量将达到70 000MW。虽然海上风电前景广阔，但目前还有技术等方面的因素制约着它的发展。一方面，海上风电机组均为陆上风电机组改造而成，而复杂的海上自然条件使得风电机组的故障率居高不下，如世界最大的海上风电场丹麦Vestas 霍恩礁风电场， 80 台海上风电机组故障率超过70%。另一方面，电网将难以承受大规模海上风电场所提供的巨大电能。因此，海上风电的大发展仍需要解决机组及上网配套设施等方面的问题。

( 3) 变速恒频技术快速推广目前市场上恒速运行的风电机组一般采用双绕组结构的异步发电机，双速运行。在高风速段，发电机运行在较高转速上;在低风速段，发电机运行在较低转速上。其优点是控制简单，可靠性高;缺点是由于转速基本恒定，而风速经常变化，因此机组经常处于风能利用系数较低的状态，风能无法得到充分利用。随着风电技术的进步，风电机组开发制造厂商开始使用变速恒频技术，并结合变桨距技术的应用开发出了变桨变速风电机组。与恒速运行的风电机组相比，变速运行的风电机组具有发电量大、对风速变化的适应性好、生产成本低、效率高等优点。因此，变速运行的风电机组也是未来发展的趋势之一。德国Enercon 公司是目前全球生产变速风电机组最多的公司。

( 4) 全功率变流技术兴起近年来，欧洲的Enercon、 Winwind 等公司都开发和应用了全功率变流的并网技术，使风轮和发电机的调速范围达到了 0~ 150%的额定转速，

提高了风能的利用范围，改善了风场上网电能的质量。Enercon 公司还将原来对每个风电机组功率因数的分散控制加以集中，由并网变电站来统一调控，实现了电网的有源功率因素校正和谐波补偿。全功率变流技术将在今后大型风电场建设时得到推广应用。

( 5) 直驱和半直驱风电机组直驱式风电机组采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去故障率较高的齿轮箱，在低风速时效率高，且具有低噪声、高寿命、运行维护成本低等优点。近年来直驱式风电机组的装机份额增长较块，但由于技术和成本等方面的原因，在未来较长时间内带增速齿轮箱的风电机组仍将在市场中占主导地位。半直驱是介于齿轮箱驱动和直接驱动之间的一种驱动方式，它采用一级齿轮箱增速，结构紧凑，具有相对较高的转速和较小的转矩。与传统的齿轮箱驱动相比，半直驱增加了系统的可靠性;而与大直径的直驱相比，半直驱通过更高效和紧凑的机舱排列减小了系统的体积和重量。

图1.4风机的整体结构

1.2.2风电齿轮箱的发展趋势

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中最重要的部件，倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。

风机增速齿轮箱是风力发电整机的配套产品，是风力发电机组中一个重要的机械传动部件，它的重要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，使其得到相应的转速进行发电，它的研究和开发是风电技术的核心，并正向高效、高可靠性及大功率方向发展。

风力发电机组通常安装在高山、荒野、海滩、海岛等野外风口处，经常承受无规律的变相变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，并且常年经受酷暑严寒和极端温差的作用，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械产品高得多的要求。

风电行业中发展最快，最有影响的国家主要有美国、德国等欧美发达国家，在风电

行业中处于统治地位。欧美发达国家早已开发出单机容量达兆瓦级的风力发电机，并且技术相对成熟，具有比较完善的设计理论和丰富的设计经验，而且商业化程度比较高，因此在国际风力发电领域中处于明显的优势和主导地位。

国外兆瓦级风电齿轮箱是随jxL电机组的开发而发展起来的，Renk、Flender等风电齿轮箱制造公司在产品开发过程中采用三维造型设计、有限元分析、动态设计等先进技术，并通过模拟和试验测试对设计方案进行验证。此外，国外通过理论分析及试验测试对风电齿轮箱的运行性能进行了系统的研究，为风电齿轮箱的设计提供了可靠的依据。

尽管国际上齿轮箱设计技术已经比较成熟，但统计数据表明，齿轮箱出现故障仍然是故障的最主要原因，约占风机故障总数的20％左右，由于我国商业化大型风力发电产业起步较晚，技术上较欧美等风能技术发达国家存在报大差距。我国在九五期间开始走引进生产技术的路子，通过引进和吸收国外成熟的技术，成功研发出了兆瓦级以下风力发电机。

1.2.3存在的问题及展望

尽管我国风电齿轮箱国产化工作近年来取得了长足的进步基本掌握了兆瓦级以下机组的设计制造技术并形成了600kW至800kW风电增速箱的批量生产能力，但目前仍存在以下问题：

1) 国内缺乏基础性的研究工作和基础性的数据对国外技术尚未完全消化自

主创新能力不足。

2) 严重缺乏既掌握低速重载齿轮箱设计制造技术又了解风电技术的人才，缺乏高水平的系统设计人员。

3) 未完全掌握大型风电增速箱的设计制造技术产品以仿制为主可靠性不高,

质量稳定性较差。掌握设计制造技术的企业数量较少无论是产品数量还是产品质量都难以满足市场需要。

4) 缺乏大型试验装置及测试手段。

5) 缺乏行业资源共享，信息互通，共同发展的平台和机制。

1.3课题意义

风力发电是清洁可再生能源，蕴存量巨大，具有实际开发利用价值。中国水电资源370 GW，风能资源有250 GW。广东省水电资源6.6 GW，沿海风能可开发量(H=40 m)8.41 GW。也就是说，风能与水能总量旗鼓相当。大量风能开发不可能靠某个部门或行业的财政补贴就能解决，商业化不仅是市场的要求，也是风力发电发展的自身需要。所以，风力发电商业化是必由之路，可行之路。风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，

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。齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。

开发新能源是国家能源建设实施可持续发展战略的需要，是促进能源结构调整、减少环境污染、推进技术进步的重要手段。风力发电是新能源技术中最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。

(1)由于我国风电产业起步较晚，缺乏基础研究积累和人才，我国在风力发电机组的研发能力上还有待提高，总体来说主要以引进国外先进技术为主。目前国内引进的技术，有的是国外淘汰的技术，有的图纸虽然先进，但受限于国内配套厂家的技术、工艺、材料等原因，导致国产化的零部件质量、性能仍有一定差距。所以，在引进国外风机技术的同时，开发自主知识产权的兆瓦级增速齿轮箱，是加速我国风电产业的一项重要任务。

(2)增速齿轮的设计和制造技术是整个风力发电机组的关键技术，关系到整个风力发电机组的命运。因此，要加强齿轮的研究，对齿轮进行结构设计，提高齿轮的啮合质量，降低噪声，保证齿轮机械效率，提高齿轮的运行可靠性。

(3)增速齿轮箱以渐开线齿轮为主，人们对标准的渐开线齿轮有了一套比较成熟的设计、强度计算和加工方法。兆瓦级增速齿轮对渐开线齿轮传动提出了新的要求，在尺寸、重量最小的情况下，可靠地传递高速、重载的运动，这就对齿轮分析的计算精度提出了很高要求，高精度齿轮分析是轮齿承载能力、振动、噪声及修形等研究的基础。因此，建立准确的分析模型，准确求解受载轮齿的载荷分布对修形规律的研究具有重要意义。

1.4论文的主要内容及设计要求

论文的主要内容包括是介绍了风力发电的现状发展趋势，及现在各个国家对风力发电的重视程度。我国现在风力发电的总体情况、风力发电机传动链设计等。风力发电机传动链主要分为主轴、齿轮箱（增速箱）、机械刹车以及相关组件。齿轮箱作为风机上的零件的重要作用，齿轮箱的发展。还有就是整篇论文关于齿轮箱的设计过程，及校核等等。还有CAD二维的装配图及零件图绘制，并截取了一些图片附于论文上。

设计此次的行星轮系的齿轮箱，我们拟部分采用减速器的设计方法，再结合书籍资料完成风力发电齿轮箱的设计，校核，及优化的一系列工作。

关于行星轮系的传动比，及齿轮的计算，会参照《机械原理》等一些书籍的部分内容进行，还有关于轴的校核，键等等，和齿轮箱的使用和维和等等。