风力发电机偏航齿轮箱、变桨齿轮箱结构分析及优化设计（结题报告）.doc

风力发电机偏航齿轮箱、变桨齿轮箱结构分析及优化设计 PAGE II 目 录 TOC \o 1-4 \h \z \u 1 项目的研究目的 1 2 项目的研究内容 1 3 项目的分析方法 1 4 风力发电机偏航齿轮箱分析及优化 2 4.1 技术要求 2 4.2 传动方案 2 4.3 齿轮强度计算 3 4.3.1 齿轮受力分析 3 4.3.2 齿轮疲劳强度计算结果 6 4.3.3 第四级太阳轮和行星轮静强度计算结果 13 4.4 输出轴计算 14 4.5 输出轴花键计算 17 4.6 箱体有限元分析 18 4.7 第四级行星架有限元分析 21 4.8 改进建议 24 4.9 结构改进后的分析计算 29 4.9.1 输出轴轴承 29 4.9.2 输出轴花键 30 4.9.3 输出轴 30 4.9.4 第四级行星架 33 4.9.5 输出座 37 4.9.6 箱体连接螺栓 42 4.10 结论 43 5 风力发电机变桨齿轮箱分析及优化 45 5.1 技术要求 45 5.2 传动方案 45 5.3 齿轮强度计算 46 5.3.1 齿轮受力分析 46 5.3.2 齿轮疲劳强度计算结果 47 5.3.3 第三级太阳轮和行星轮静强度计算结果 52 5.4 输出轴计算 53 5.5 轴承计算 56 5.5.1 最大输出载荷时轴承寿命计算 56 5.5.2 正常输出载荷时轴承寿命计算 57 5.6 箱体有限元分析 58 5.6.1 箱体有限元模型 58 5.6.2 计算结果 59 5.7 行星架有限元分析 61 5.7.1 行星架有限元模型 61 5.7.2 一级行星架有限元分析 62 5.7.3 二级行星架有限元分析 64 5.7.4 三级行星架有限元分析 67 5.8 改进建议 70 PAGE 21 项目的研究目的 风力发电机偏航齿轮箱和风力发电变桨齿轮箱是机械厂的两类重要产品，在同其它企业的同类产品对比中发现，上述产品无论在结构上还是加工工艺上，都有改进的必要。但原设计没有相关重要零部件的详细的强度和刚度分析计算报告，使得对产品的结构和加工工艺进行优化缺乏必要的依据。针对上述情况，机械厂委托对两种齿轮箱进行分析计算，达到以下研究目的： 通过对风力发电机偏航齿轮箱和风力发电变桨齿轮箱的关键零部件的强度和刚度分析，为产品的生产和优化提供计算依据； 在原设计方案的基础上，提出两种齿轮箱结构设计的优化方案，从而提升其使用性能，改进加工工艺，降低生产成本。 项目的研究内容 1）风力发电机偏航齿轮箱、变桨齿轮箱的齿轮承载能力计算和分析； 2）针对现有变桨齿轮箱、偏航齿轮箱的结构，建立齿轮箱箱体、行星架及轴等零件的有限元分析模型，并进行三维有限元分析，确定其位移场、应力场； 3）基于有限元分析结果开展优化设计工作，对齿轮箱箱体、行星架及轴等零件进行重分析，提出减小零部件尺寸及重量的可行方案。 4）在进行样机生产试验过程中，对设计进行必要的修改。 项目的分析方法 本项目在实施过程中，将经典的机械设计方法和有限元法相结合，发挥各自的优势，快速准确的对齿轮、行星架、箱体等关键零部件进行分析，从而为结构优化提供计算依据。 风力发电机偏航齿轮箱分析及优化 4.1 技术要求 偏航齿轮箱的设计要求如表4.1所示。 表4.1 偏航齿轮箱技术要求 额定输入功率 最大输入转速 940 r/min 正常输出力矩 19281 N·m 最大输出力矩 50000 N·m 传动比 使用场合系数KA 1.3 使用场合系数Ka（静态） 1.0 接触强度安全系数SH ≥0.85 接触强度安全系数SH（静态min） ≥1.0 弯曲强度安全系数SF ≥1.0 弯曲强度安全系数SF（静态min） ≥1.2 密封件 NAK系列 设计寿命 20 年 运行环境温度 -40℃ ~ +50℃ 噪声（声功率级） ≤85dB（A） 4.2 传动方案 偏航齿轮箱采用4级行星齿轮传动，机构简图如图4.1所示。每级行星传动均有3个行星轮。 图4.1 偏航齿轮箱传动方案 偏航齿轮箱的总传动比 4.3 齿轮强度计算 各齿轮齿数、模数、变位系数、分度圆直径等参数如表4.2所示。 表4.2 各齿轮主要参数 序号 齿数 模数(mm) 变位系数 分度圆直径(mm) 节圆直径(mm) z1 19 2 0.4 38 38.633 z2 41 2 0.1298 82 83.367 z3 101 2 0.6596 202 205.367 z4 19 2 0.4 3