双级行星轮系增速器的受力分析.doc

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双级行星轮系增速器的受力分析 摘要 在风力发电机组的各个部分中,齿轮箱是故障率最高的部件之一,它也是我国风力发电机组设计的主要瓶颈[ ]。目前,国产风力发电机齿轮箱的故障主要集中在齿轮箱工作寿命达不到设计要求。其中齿轮失效是齿轮箱发生故障的主要原因。因此,合理设计齿轮箱传动系统就成为风力发电机制造的关键。 本文以风力发电机为例,通过一种新型多级混合式增速器的结构及传动设计,并对主要零部件进行受力分析、计算与校核。为打破国外垄断,实现我国风力发电机国产化贡献绵薄之力。 双节行星轮系增速器的受力分析 1 第一章 绪论 3 1研究背景 3 1.2 国内外研究现状 5 1.2.1 国外研究现状与发展趋势 5 1.2.2 国内研究现状与发展趋势 6 1.3 研究目的与内容 7 1.3.1 研究目的 7 1.3.2 研究内容 7 第二章 风力发电机组增速器设计 8 MATLAB 37 3.3.2 MATLAB优化工具箱简介 37 3.3.3 非线性约束优化问题 38 4 MATLAB优化实现 39 4.1 确定设计变量及目标函数 39 4.2 确定约束条件 40 参考文献 43 绪论 研究背景 经济、能源与环境的协调发展是实现国家现代化目标的必要条件。为了解决化石能源的不断消耗对经济可持续发展和环境的影响问题,我国和一些主要发达国家在未来能源规划中,都明确提出了可再生能源发展的具体目标。在《国家中长期(2006—2020年)科学和技术发展规划纲要》中,将可再生能源规模化利用列为能源可持续发展中的关键科学问题之一。2005年颁布的《中国可再生能源法》进一步明确了包括风能在内的可再生能源的战略地位,为可再生能源的发展提供了法律保证。 风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源。风能发电与太阳能、地热能、潮汐能、氢能、可燃冰等新能源发电相比,发展迅速,技术成熟,将成为21世纪最主要的绿色动力之一。截止2008年底,全球风力发电机组的总装机容量已超过了1亿kW,我国经过近几年的快速发展,风力发电机组总装机容量也达到1200万kW。根据国家发改委2005年得规划,到2020年,全国风力发电机组总装机容量将达到3000万kW。 我国的风能源资源丰富,陆地加上近海的风力资源有15亿千瓦以上。其中,陆地10米高度以内,风力资源为2.53亿千瓦;陆上塔杆高度100米内,可利用风能约7亿千瓦。海上可开发利用的风能储量约7.5亿千瓦。因此,风能的规模化利用是国家能源可持续发展的重大需求。 虽然我国风力发电事业发展如此迅猛,但其生产设备长期依赖进口,在自主开发风力发电机方面还比较落后,特别是大功率发电机组的核心技术领域更是基本属于空白。国内各大主要风力发电厂的生产机组基本全部是引进国外设备,部分国产机组也是以仿制国外产品为主,核心技术领域仍然是空白,设计水平以及实验水平与国外先进技术相比不可同日而语。而且不同地域的风况存在较大差异,这也造成了仿制风机的“水土不服”,很难达到生产应用要求。所以单纯的仿制并不能解决我国风力发电机设计水平较差的现状,必须以提高我国风力机的设计和研究水平为目标来实现“国产化”,设计出具有自主知识产权的风力发电核心设备,突破我国风电行业发展的“瓶颈”,使风电行业走上一条健康发展之路。 水平轴风力发电机组有多种构成形式,图1-1是一种水平轴风力发电机组的典型结构。此处所谓典型结构,是指目前被多数风力发电机组采用的设计结构,其主体由风轮、偏航系统、传动与制动装置、发电机、机舱和塔架等主要部件构成,同时还需要相应的运行控制、安全保障与电源转换系统。 图1-1 一种水平轴风力发电机组的典型结构 1—主机架 2—偏航驱动机构 3—风轮轴 4—风轮叶片 5—轮毂 6—变浆距机构 7—风轮主轴承8—齿轮箱 9—制动装置 10—高速轴 11—发电机 12—测风装置 13—液压系统 14—电气控制系统 据统计,国内外风力发电机故障率最高的部件当数齿轮箱。就我国而言,风场齿轮箱损坏率高达40~50%,极个别品牌机组齿轮箱跟换率几乎达到100%[ ];国外在对风力发电机各主要部件的故障统计中,齿轮箱的故障百分率也居高不下,如图1-2是国外对风力发电机组主要部件故障百分率的统计结果。据西班牙纳瓦拉水电能源集团公司最近几年对风力机主要部件的故障统计:由齿轮箱、发电机、叶片引起的故障是风力发电机故障的主要原因,其中齿轮箱的故障发生率还在逐年升高,故障百分比已超过60%,是机组中故障发生率最高的部件[ ][ ]。 图1-2 风力发电机主要部件故障百分率 国内外研究现状 国外研究现状与发展趋势 进入21世纪后,随着电力电子技术、控制技术和材料技术的不断进步,风电设备设计与制造技术得到了快速发展。早在2004年,美国

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