增速器设计

第2章兆瓦级风力发电系统增速器设计 传动装置是大多数机器的主要组成部分。传动件及传动装置设计是否合理、制造和装配质量是否符合要求，将成为决定产品质量的关键。传动可以分为机械传动、流体传动和电传动三类。而机械传动按其工作原理分为啮合传动与摩擦传动，具体分为链传动、带传动、齿轮传动、蜗杆传动四类。根据风力发电机组传动特点和工作环境要求，一般均选择齿轮传动。 齿轮传动是机械传动中最重要、应用最广泛的一种传动形式。其主要优点是:具有瞬时传动比恒定、可靠性高、寿命长、结构紧凑。齿轮传动分为开式、半开式和闭式三种传动方式。由于风力发电机工作环境恶劣，一般采用闭式传动以满足润滑要求。 增速器是指安装在原动机与工作机之间独立的闭式传动装置，用于增加转速应相应减小转矩。增速器是风力发电机组的重要组成部分，它承担了调速、改变运动形式、动力和运动的传递和分配等功能。考虑到风力发电机要求传动比大、结构紧凑、效率高等特点，本文采用两级行星齿轮传动加一级平行轴斜齿轮传动的结构形式。

2.1传动方案的确定 目前，国内外生产的风力发电机齿轮箱可分为平行轴圆柱齿轮箱、行星齿轮箱以及平行轴与行星轮系混合式齿轮箱几类;按照传动的级数分为单级和多级齿轮箱;按照传动的布置形式可以分为展开式、分流式和同轴式以及混合式。 现在市场上功率为10KW的增速箱一般采用采用NGW型行星传动，由行星架输入，太阳轮输出，主要特点是:(1)行星架和太阳轮的浮动设计，结构简单，较好的实现了均载; (2)采用行星架作为输入轴，符合风力发电机受力大、转矩大的特点。缺点是:功率太小，经济效益差，资源利用率低。 500KW以上的风电增速箱由于功率大，大转矩的特点，通常采用功率分流的行星传动。常见结构有:两级平行轴加一级行星和一级平行轴加两级级行星传动两种形式。本文采用的是平行轴与行星轮系混合式齿轮箱。

传动方式简图 2.1.1增速器基本设计要求及设计步骤 增速器齿轮箱的主要设计要求如表2.1所示。 表2.1原始设计要求 额定功率 1500KW 增速比 52~72 输出转速 1400~1600 r/min 输入转速 24~35r/min 分度圆压力角 20° 模数 15~25 最大齿轮直径 1450mm

增速器设计步骤: (1)根据传动装置的使用要求及工作特点确定传动形式为行星齿轮传动。 (2)确定行星传动的结构形式和选择传动方案。 (3)根据选定的电机的输入速度和经过减速机构减速后的输出速度，确定出这个减速机构的传动比范围。 输入速度:24.78rpm 增速机构增速后的输出速度: 1544.1 rpm i=1544.1/24.78=62.3127 根据减速装置的用途和工作特点，行星传动的结构形式确定为:单级2K-H(NGW型)行

星传动机构。确保其稳定性，行星轮数目为3，其传动比范围为: BaHi=2.1~13.7。由此，初分配行星传动机构中行星轮级数。 根据工作条件需要，行星轮与转动电机之间需要留出足够的位置便于安放电机，并使机构结构紧凑，安装方便，电机与行星轮之间采用斜齿圆柱齿轮连接。行星轮机构初定为2级，每级传动比分配情况如下:

第一级: BaHi=5.2

第二级: BaHi=5.7 2.1.2传动方案及运动原理图 目前，国内生产的增速箱主要采用2K-H ( KGW)型行星传动，行星架为输入端，太阳轮为输入端。其具有如下优点: (1)行星架采用焊接结构，工艺简单，重量较轻。 (2)动力由行星轮系系杆输入，刚性好，符合风力发电机受力大、转矩大的特点。 (3)高速级和低速级分别采用行星架浮动和太阳轮浮动，简化了结构，使得结构更加的紧凑，均载效果好。 缺点:功率太小，不适合大型风力发电场;蓄能装置负担较大。 考虑到兆瓦级风力发电机大功率，结构紧凑、高可靠性等特点，结合中国船级社风力发电机组规范，本文采用的传动形式如图2.2. 增速器传动结构分为三级，前两级为行星轮系，第一级行星架为输入端，由第一级太阳轮传递至第二级行星架，由第二级太阳轮输出;第三级采用斜齿轮平行轴轮系传动，直接与电机相联。此传动方案具有如下优点: (1)低速级为行星传动，效率高，体积小，重量轻，结构简单，传递功率范围大，成功实现了功率分流，轴向尺寸小，采用行星轮浮动，均载效果好，实现了大传动比; (2)高速级为平行轴圆柱斜齿轮传动，合理分配了传动比，实现了平稳输出，降低了振动。 2.2增速器整机设计 2.2.1第一级行星轮系传动设计及校核其装配条件 (1)计算齿轮基本参数 根据初定条件:

baHa

w

iZCn 即 5.23aZC

尽可能取质数，aZ=15 则C=27 15.2bbaHaZiZ 计算bZ: bZ163bwaaaHCnZZi 计算cZ: 1242cbaZZZ 初选: 24cZ 预计啮合角'ac及 'cb: 1bcacZZjZZ

选'20ac '20cb (2)校验行星轮齿装配条件: 1)同心条件 为了保证中心轮和行星架轴线重合，各对啮合齿轮间的中心距必须相等。 而对于角度变位传动，应为

''coscos

acbc

tactbc

ZZZZ

2)装配条件 由于各行星轮必须均布于中心齿轮之间。为此，各齿轮齿数与行星轮个数wn必须满足装配条件，否则，会出现行星齿轮无法装配的情况。 单排2K-H行星传动的装配条件为:两中心轮的齿数之和应为行星轮数目的

整数倍,即 27acwZZCn整数 3)邻接条件 保证相邻两行星轮的齿顶不相碰

即 '1802sinacwadn 根据以上条件，初选模数为18mm，按照技术要求查阅相关手册，确定第一级行星轮系参数如表2.2 表2.2 第一级行星轮系参数 齿数 模数 变位系数 齿顶圆 齿根圆 分度圆 螺旋角

第一级 中心轮 15 18 0.35 318.6 237.6 270 0 行星轮 24 18 -0.35 455.4 374.4 432 0 内齿圈 63 18 -0.35 1149.975 1220.4 1134 0

2.2.2第二级行星轮系传动设计及校核其装配条件 (1)计算齿轮基本参数 根据初定条件 baHa

w

iZCn 即 5.73aZC

尽可能取质数取20aZ 则 38C 15.7bbaHaZiZ 计算bZ: bZ192bwaaaHCnZZi 计算cZ: 1362cbaZZZ 初选: 36cZ 预计啮合角'ac及 'cb: 1bcacZZjZZ

选'20ac '20cb (2)校验行星轮齿装配条件: 1)同心条件 为了保证中心轮和行星架轴线重合，各对啮合齿轮间的中心距必须相等。 而对于角度变位传动，应为

''coscos

acbc

tactbc

ZZZZ

2)装配条件 由于各行星轮必须均布于中心齿轮之间。为此，各齿轮齿数与行星轮个数wn必须满足装配条件，否则，会出现行星齿轮无法装配的情况。 单排2K-H行星传动的装配条件为:两中心轮的齿数之和应为行星轮数目的

整数倍,即 38acwZZCn整数 3)邻接条件 保证相邻两行星轮的齿顶不相碰

即 '1802sinacwadn

齿高变动系数 y: 0yxy 齿顶圆直径acd: *222accacdmZhxy 14362120.3520

522.2mm '1802sin678.96acwadn

满足邻接条件 根据以上条件，初选模数为14mm，按照技术要求查阅相关手册，确定第二级行星轮系具体参数如表2.3 . 表2.3 第二级行星轮系具体参数 齿数 模数 变位系数 齿顶圆 齿根圆 分度圆 螺旋角

第一级 中心轮 20 14 0.35 317.8 254.8 280 0 行星轮 36 14 -0.35 522.2 4592 504 0 内齿圈 92 14 0.35 1230.45 1285.2 1260 0

2.2.3第三级平行轴圆柱斜齿轮设计 齿数分配如下:

170Z 233Z

具体参数如表2.4 . 表2.4第三级平行轴斜齿轮参数 齿数 模数 变位系数 齿顶圆 齿根圆 分度圆 螺旋角

第三级 斜齿轮一 70 5.5 0 412.49 387.74 401.50 '"122310

(右)

斜齿轮二 33 5.5 0 200.50 175.75 189.50 '"122310

(左)

端面模数: 0'"/cos5.5/cos1223105.6311rnmm 分度圆直径: 1401.50d 2189.50d 标准中心距: 290a

2.2.4行星齿轮具体结构的确定 (1)太阳轮的结构 为便于轴与齿轮之间的连接，本文将太阳轮制成齿轮轴的形式，并利用鼓形渐开线花键实现与上一级行星架的连接，可使中心轮在一定范围内轻微摆动，实现均载。如图2.3.