摘 要

随着地球上煤、石油、天然气等不可再生能源的日益消耗殆尽，带来的环境危机与能源问题的同时也迫使我们需要积极地采取措施去解决这一系列问题。风能，作为绿色环保可持续能源的典型，在自然界中，能源存有总量可观，且风能的利用过程对自然产生忽略不计的影响。因此，开展对有关风力发电设备的研究必不可缺，风电齿轮箱作为风力发电机组中的重要组成部分也是这些研究的核心。而计算机的辅助在整个设计过程以及齿轮箱的三维建模过程中举足轻重。

本次课题研究的内容是有关1.5MW风电齿轮箱齿轮传动设计与三维建模，借助CAD、Pro/E等计算机辅助软件，实现对风电齿轮箱的参数化设计与三维建模，具体内容如下：

1. 调查研究国内外风电齿轮箱设计制造业的发展现状，目前仍存在的难题以及对未来风电产业发展趋势的分析。
2. 参考结合现有先进的齿轮箱的设计方式，对1.5MW风电齿轮箱的具体参数进行设计计算。
3. 利用Pro/E软件对设计出的具体齿轮箱传动结构系统进行三维模型的构建。

关键词： 风电齿轮箱 传动设计 三维建模

ABSTRACT

With the increasing consumption of non-renewable energy resources like coal, oil and natural gas on the earth, the arising environmental crisis and energy problems force us to take active measures to solve this series of problems. Wind energy, as a typical green and sustainable energy. In nature, there is a considerable amount of energy, and the use of wind energy process nearly has no influences . Therefore, we human beings should attach importance to the researches on wind power facilities, and the gearboxes,playing the vital role in the whole system ,also are the centre of these researches. The computer aided design process and the three-dimensional modeling process of the gearbox is of great importance in the whole design process.

The content of this research consists of the design and three - dimensional modeling of gear transmission of 1.5MW wind power gear box . With the aid of computer - aided software such as CAD , Pro / E , the parametric design and three - dimensional modeling of the wind power gearbox are realized . The concrete contents are as follows :

(1) Investigate and do research in the present situation of domestic and international wind power gearbox design manufacturing industry, as well as the problems that still exist at present and the analysis of the future wind power industry development trend.

(2)Carry out the calculation and design of 1.5MW wind power gearbox parameters ,according to the existing advanced gearbox design method .

(3)Use Pro/E software to construct the three dimensional model of the specific gearbox transmission system.

Key words: Wind power gearbox; Transmission design; 3D modeling

目录

摘要...............................................................................................................................I

ABSTRCT.........................................................................................................................II

第一章 绪论 5

1.1 课题背景 5

1.2 国内外风电齿轮箱发展状况 6

1.3 计算机辅助设计在齿轮箱设计建模中的应用 7

1.4课题主要研究内容 7

1.5 技术路线 8

第二章 齿轮设计与计算分析 8

2.1 增速比分配及传动结构方案设计 8

2.1.1 增速比分配 8

2.1.2 传动结构方案设计 9

2.2 行星轮参数设计计算 10

2.2.1 行星轮设计方案与参数计算 10

2.2.2 行星轮系各齿轮配齿参数计算 11

2.2.3行星轮系各齿轮强度校核 14

2.3 低、高速端齿轮传动设计与参数计算 19

2.3.1 两级传动比分配 19

2.3.2 两级传动低速端设计计算 19

2.3.3两级传动高速端设计计算 23

2.4 本章小结 28

第三章1.5MW风电齿轮箱齿轮轴设计计算 29

3.1 太阳轮齿轮轴的设计计算 29

3.2 行星轮齿轮轴的设计计算 29

3.3 两级传动中间轴的设计计算 30

3.4 输出轴的设计计算 32

3.5输入轴的设计计算 34

3.6本章小结 34

第四章1.5MW风电齿轮箱的三维建模 35

4.1 Pro/E软件简介 35

4.2 两级传动低速端三维建模 35

4.3 两级传动高速端三维建模 37

4.4 两级传动的三维建模 38

4.5 总体传动设计的三维建模 39

4.6 齿轮箱成本分析 40

4.7 本章小结 40

第六章 总结与展望 41

6.1 总结 41

6.2 展望 41

参考文献 42

致谢 44

第一章 绪论

课题背景

在面对自然资源过度开发以及其带来的环境严重污染的后果影响之下，我们人类必须积极地、主动地采取相对应的措施去解决当前的燃眉之急。在某些领域采取绿色可再生能源来替代传统能源目前来看是一种比较可行的方法。

目前，在全世界范围内，风力发电相关产业发展速度惊人，与风力发电所相关的设备的制造业产业也正蓬勃发展，作为风电系统中一个必不可缺的部件，风机齿轮箱的主要用处是将风轮受到风做功产生的转速提升，并将这个过程的到的动力逐级传递，使得发电机得到一个合适的转速并以此来发电。风电齿轮箱属于机械传动机构，其重要程度可以直接影响到整个风力发电的过程。风力发电齿轮箱与一般的齿轮箱在设计原理上一样，但一般的齿轮箱属于减速传动的装置，而风电齿轮箱是将较低的转速通过齿轮增速到满足发电机发电所需转速的一种设备。近些年来，国内外的许多相关研究都将对风电齿轮箱的研究作为对整个风电技术研究的核心，尤为注重对于传动效率高、传递功率大以及具有高度安全性的增速齿轮箱的研究。在现实中，风力发电设备大都安装在海滩、高原、荒野或者一些常年受到强大风力的地方。在这些地方，风况等自然条件会对风电设备造成强烈而且没有规律的冲击，除此之外，风机设备还需常年承受极端的温度条件。因此，与一般的机械产品相比较，风机设备的质量要求等级更高。

1.2 国内外风电齿轮箱发展状况

在历史上，1891年丹麦建成了世界上第一台用于发电的风机。但当时受限于不成熟的技术条件以及经济方面的原因，风机所发出的电能一直未能成为电网中的电源组成。到了90年代，由于人们对于环境保护意识的觉醒，各国也需要兑现对减少排放CO₂等加剧温室效应气体的承诺，风力发电技术的发展在世界范围内收到了进一步的鼓励。

风力发电产业由于得到了我国相关政府政策的大力支持，风电技术在我国发展迅速，但与西方一些传统的风电强国相比，国内目前的风电技术掌握程度还未成熟，相关企业的生产规模方面，对于技术的掌握等都较为落后。在国内，也有许多学者研究人员也对齿轮箱的传动设计的改进与优化做出贡献：北方联合电力的李明飞工程师对风电齿轮箱的具体分析首次具体到了对行星机构的强度分析以及对齿轮的强度和齿根强度的校核；郑州机械研究所的刘忠明，尚珍等则引进变载荷系数来进行在变载荷情况下对齿轮的强度计算；北京南口轨道交通机械有限公司的高小平工程师阐述了大型风电齿轮箱的设计的关键技术，并系统地介绍了风电齿轮箱的整机以及零部件的分析计算方法和评价标准；兰州理工大学的安宗文教授引入了在随机载荷循环作用下的齿轮传动结构的疲劳寿命的预测模型，列出疲劳寿命与所受应力之间的关系。

1.3 计算机辅助设计在齿轮箱设计建模中的应用

在相关的工程和产品的设计过程中，通常包含有大量复杂的数字运算工作，涉及到信息的存储与依照设计参数制图绘图的工作。在此过程中通常要利用计算机辅助对方案进行大量的数据计算、分析和对比，并以此来决定最优的设计方案；而且计算机的内存或外存都可以完成对这些参数信息的存储，方便我们查阅借用。大多数设计都是从草图开始，计算机可以自动将草图变为工作图，省去了大量设计人员繁琐的工作。

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