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風力發(fā)電機的增速齒輪箱的設計

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1、精品 摘 要 風電產業(yè)的飛速發(fā)展促成了風電裝備制造業(yè)的繁榮,風電齒輪箱作為風電機組的核心部件,倍受國內外風電相關行業(yè)和研究機構的關注。但由于國內風電齒輪箱的研究起步較晚,技術薄弱,特別是兆瓦級風電齒輪箱,主要依靠引進國外技術。因此,急需對兆瓦級風電齒輪箱進行自主開發(fā)研究,真正掌握風電齒輪箱設計制造技術,以實現(xiàn)風機國產化目標。 本文設計的是兆瓦級風力發(fā)電機組的齒輪箱,通過方案的選取,齒輪參數(shù)計算等對其配套的齒輪箱進行自主設計。 首先,確定齒輪箱的機械結構。選取一級行星派生型傳動方案,通過計算,確定各級傳動的齒輪參數(shù)。對行星齒輪傳動進行受力分析,得出各級齒輪受力結果。依

2、據(jù)標準進行靜強度校核,結果符合安全要求。 其次,基于Pro/E參數(shù)化建模功能,運用漸開線方程及螺旋線生成理論,建立斜齒輪的三維參數(shù)化模型。 然后,對齒輪傳動系統(tǒng)進行了齒面接觸應力計算。先利用常規(guī)算法進行理論分析計算。 關鍵詞:風力發(fā)電,風機齒輪箱,結構設計,建模 Abstract The rapid development of wind power industry lead to the prosperity of wind power equipment manufactu

3、ring 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 tur

4、bine,which mainly relied on the introduction of foreign technology.Therefore,it is urgent need to carry out independent development andresearch on MW wind power gearbox,and truly master the design andmanufacturing technology in order to achieve the goal of localization. This paper takes the wind p

5、ower。The independentdesign of the gearbox matching for the wind turbinehas been carried out by selecting the transmission schemeandcalculating the gear parameters。 Firstly,the mechanical structure of gearbox is determined.The two-stage derivation planetary transmission scheme is selected.The gear

6、 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 m

7、odel 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 Des

8、ign;Parametric Modeling 目 錄 中文摘要……………..…………………………………………..……….….……………….. .I Abstract……………………………...……………..…………………………..……………….II 1 引言……………..……….…………………………………………….….…………………..1 1.1課題來源……………………........................…………….…………….…………..……1 1.2國內外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢........

9、.............…………….…………….………………..2 1.2.1風力發(fā)電國內外發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.2風電齒輪箱的發(fā)展趨勢 1.3課題意義…………………………….…....……….....……………3 1.4論文的主要內容…………………………….…....……….....……….3 2齒輪箱的設計………..….…………………………….…..….………….5 2.1 增速齒輪箱方案設計……………………………………………………………..5 2.2齒輪參數(shù)確定…………………………….…………………………...……………..7 2.2.1行星輪系的齒輪齒…………………………

10、.…………………………...………...7 2.2.2圓柱級齒輪參數(shù) 2.3受力分析與靜強度校核……………………...…………………………...9 2.3.1受力分析 2.3.2低速級外嚙合齒面靜強度計算 2.4本章小結 3傳動軸和箱體的設計 3.1高速軸的設計 3.2低速軸的設計 3.3中間軸的設計 3.4箱體 4齒輪箱的密封、潤滑和冷卻 4.1齒輪箱的密封 4.2齒輪箱的潤滑、冷卻 5齒輪箱的使用及其維護 5.1安裝要求 5.2定期更換潤滑油 5.3齒輪箱常見故障 6基于Pro/E的斜齒輪參數(shù)化造型 6.1Pro/E參數(shù)化建模概述 6.2齒輪參數(shù)化模

11、型建立 6.2.1設置參數(shù)與數(shù)學關系式 6.2.2構造齒廓 6.2.3生成齒輪 6.3模型裝配 6.4總結 結論………….………….……………………..….……...………..….………...25 致謝………………….……………………..…….…………...………………….26 參考文獻.…………….…………………..….…..……………….……………….26 1引 言 1.1課題來源 風是一

12、種潛力很大的新能源,十八世紀初,橫掃英法兩國的一次狂暴大風,吹毀了四百座風力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多條帆船,并有數(shù)千人受到傷害,二十五萬株大樹連根拔起。僅就拔樹一事而論,風在數(shù)秒鐘內就發(fā)出了一千萬馬力(即750萬千瓦;一馬力等于0.75千瓦)的功率!有人估計過,地球上可用來發(fā)電的風力資源約有100億千瓦,幾乎是現(xiàn)在全世界水力發(fā)電量的10倍。目前全世界每年燃燒煤所獲得的能量,只有風力在一年內所提供能量的三分之一。因此,國內外都很重視利用風力來發(fā)電,開發(fā)新能源。 近10年風力發(fā)電增長迅猛,200年以來 ,全球每年風電裝機容量增長速度為 20%~30%。全球風能協(xié)會發(fā)布最新一期全球風電

13、的增長數(shù)據(jù)顯示 , 2008年全球范圍內新增風電裝機容量 2 705萬 kW,使得全球風電裝機容量達到 1 . 20億 kW,較 2007年增長 28 . 8%。 1998~2008年全球風電裝機容量的增長情況。如圖 1所示。 我國的風電發(fā)展主要集中在 2003年以后 ,尤其是在風電特許權的帶動下 , 2006年我國除臺灣外增加風電機組 1 454臺 ,增加裝機容量 133 . 7萬 kW,比過去 20年發(fā)展累積的總量還多 ,僅次于美國、 德國、 西班牙和印度。 2008年又新增風電裝機容量630萬 kW,新增容量位列全球第 2,僅次于美國。截至 2008年底總裝機容量達到 1 215

14、.3萬 kW,同比增長 106% ,總裝機容量超過了印度 ,位列全球第4,同時躋身世界風電裝機容量超千萬千瓦的風電大國行列。圖 2反映了 2000年以來我國風電裝機容量的增長。 風力發(fā)電系統(tǒng)主要由風輪、齒輪箱、發(fā)電機、功率變換器、變壓器等部分構成 ,其中 ,發(fā)電機承擔將風能轉換為電能的任務 ,是風力發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件。隨著風力發(fā)電整體技術的發(fā)展 ,風力發(fā)電機由早期的直流發(fā)電機、 籠型異步發(fā)電機等演變?yōu)楫斍暗碾p饋異步發(fā)電機和低速直驅永磁同步發(fā)電機等。同時,風力發(fā)電機自身技術水平的提高 ,又有力地促進了風力發(fā)電整體技術的進步。 例如 ,雙饋異步發(fā)電機及其控制技術的成熟 ,使變速恒頻風力發(fā)電

15、得以實現(xiàn) ,成為當前風力發(fā)電系統(tǒng)的主流。因此 ,風力發(fā)電機與風力發(fā)電系統(tǒng)互為因果 ,相互促進。近年來風力發(fā)電系統(tǒng)的容量不斷增大 ,特別是低速直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的快速發(fā)展 ,有力地促進了風力發(fā)電機的設計、 制造、 控制以及運行維護水平的提高 ,各種新型風力發(fā)電機不斷出現(xiàn)。 本課題就是建立在對引進的兆瓦級風力發(fā)電增速齒輪箱結構技術消化吸收的基礎上,對增速齒輪箱進行結構設計,為研發(fā)自主知識產權的風機增速齒輪箱打下基礎。 1.2國內外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 1.2.1風力發(fā)電國內外發(fā)展現(xiàn)狀 風力發(fā)電的快速增長帶動了風電設備制造業(yè)的發(fā)展, 2007 年度全球風電設備市場總價值達到360 億

16、美元。目前, 世界上先進的風電設備制造企業(yè)主要集中在少數(shù)幾個國家,如丹麥、 德國、 西班牙和美國等, 著名的公司有Ves tas(丹麥)、 GE Wind(美國)、 Gamesa(西班牙)、Enercon (德國)、 Suzlon(印度)等。圖3 為2007 年世界風電機組市場份額圖。2007 年, 丹麥的Vestas 公司占全球市場份額的 22.8%, 前3 位公司占有了市場份額的一半多。值得一提的是, 我國的金風科技股份有限公司也占據(jù)了2007 年世界風電市場的4. 2%。 風電的快速增長同樣刺激了我國風電設備制造業(yè)的發(fā)展,并迅速崛起了像金風科技股份有限公司、 華銳風電科技有限公司、

17、 湖南湘電風能有限公司、 浙江運達風力發(fā)電工程有限公司等風電設備制造企業(yè)。這些企業(yè)通過對國外風電技術的吸收再創(chuàng)新, 形成了較大的生產規(guī)模。目前,國內從事風電設備制造的企業(yè)達 50余家,而且配件制造企業(yè)隊伍也在迅速擴大。2007 年我國新增裝機容量中, 內資企業(yè)產品占 55. 9%, 其中金風科技的份額最大, 占新增總裝機容量的 25.1%,占內資企業(yè)產品的44. 9% ;合資企業(yè)產品占新增裝機容量的 1.6%; 外資企業(yè)產品占 42. 5%, 其中西班牙Gamesa的份額最大,占新增裝機容量的39. 9% 。國際上,兆瓦級以上的風電機組已經成為主流機型。如美國:主流機型1. 5MW, 丹麥:

18、主流機型( 2. 0~3. 0)MW。截至2006年,我國風電機組1MW以下的機組占總裝機容量的70%, 1MW~ 2MW之間的風電機型只占26%, 2MW以上機型占4%。根據(jù)國家發(fā)改委規(guī)劃,我國未來的風電新增裝機將以1. 5MW、 2MW機型為主, 1MW以下機型所占比重將逐漸降低。 風力發(fā)電發(fā)展的主要趨勢: ( 1) 機組單機容量增大風電機組單機容量的增大有利于提高風能利用率,降低風場的占地面積, 降低風電場運行維護成本,從而提高風電的市場競爭力。目前, 國際上主流的風電機組已達到( 2~ 3)MW, 由德國Repower 公司研制的最大的5MW 風電機組已投入運行,其旋翼區(qū)直徑達到1

19、26 米??梢灶A見, ( 3~ 5)MW的風電機組在市場中的比例將日益提高。2008 年 2 月在布魯塞爾舉行的風能會議和風能展上, 有與會者甚至提出了2020 年前開發(fā)出20MW風電機組的概念。 ( 2) 海上風電迅速興起海上風能資源豐富, 且受環(huán)境影響小,海上風電場將成為一個迅速發(fā)展的市場。目前丹麥、 德國、 英國、瑞典和荷蘭等國家海上風電發(fā)展較快。歐洲風能協(xié)會(EWEA)預測, 2020年,歐洲海上風電總裝機容量將達到70 000MW。雖然海上風電前景廣闊,但目前還有技術等方面的因素制約著它的發(fā)展。一方面, 海上風電機組均為陸上風電機組改造而成, 而復雜的海上自然條件使得風電機組的故障

20、率居高不下, 如世界最大的海上風電場丹麥Vestas 霍恩礁風電場, 80 臺海上風電機組故障率超過70%。另一方面, 電網(wǎng)將難以承受大規(guī)模海上風電場所提供的巨大電能。因此, 海上風電的大發(fā)展仍需要解決機組及上網(wǎng)配套設施等方面的問題。 ( 3) 變速恒頻技術快速推廣目前市場上恒速運行的風電機組一般采用雙繞組結構的異步發(fā)電機, 雙速運行。在高風速段, 發(fā)電機運行在較高轉速上;在低風速段,發(fā)電機運行在較低轉速上。其優(yōu)點是控制簡單, 可靠性高;缺點是由于轉速基本恒定,而風速經常變化,因此機組經常處于風能利用系數(shù)較低的狀態(tài),風能無法得到充分利用。隨著風電技術的進步,風電機組開發(fā)制造廠商開始使用變速恒

21、頻技術,并結合變槳距技術的應用開發(fā)出了變槳變速風電機組。與恒速運行的風電機組相比, 變速運行的風電機組具有發(fā)電量大、 對風速變化的適應性好、 生產成本低、 效率高等優(yōu)點。因此,變速運行的風電機組也是未來發(fā)展的趨勢之一。德國Enercon 公司是目前全球生產變速風電機組最多的公司。 ( 4) 全功率變流技術興起近年來,歐洲的Enercon、 Winwind 等公司都開發(fā)和應用了全功率變流的并網(wǎng)技術, 使風輪和發(fā)電機的調速范圍達到了 0~ 150%的額定轉速, 提高了風能的利用范圍,改善了風場上網(wǎng)電能的質量。Enercon 公司還將原來對每個風電機組功率因數(shù)的分散控制加以集中,由并網(wǎng)變電站來統(tǒng)一

22、調控,實現(xiàn)了電網(wǎng)的有源功率因素校正和諧波補償。全功率變流技術將在今后大型風電場建設時得到推廣應用。 ( 5) 直驅和半直驅風電機組直驅式風電機組采用多極電機與葉輪直接連接進行驅動的方式, 免去故障率較高的齒輪箱,在低風速時效率高,且具有低噪聲、 高壽命、 運行維護成本低等優(yōu)點。近年來直驅式風電機組的裝機份額增長較塊, 但由于技術和成本等方面的原因, 在未來較長時間內帶增速齒輪箱的風電機組仍將在市場中占主導地位。半直驅是介于齒輪箱驅動和直接驅動之間的一種驅動方式,它采用一級齒輪箱增速, 結構緊湊, 具有相對較高的轉速和較小的轉矩。與傳統(tǒng)的齒輪箱驅動相比, 半直驅增加了系統(tǒng)的可靠性;而與大直徑的

23、直驅相比,半直驅通過更高效和緊湊的機艙排列減小了系統(tǒng)的體積和重量。 圖4風機的整體結構 1.2.2風電齒輪箱的發(fā)展趨勢 風電產業(yè)的飛速發(fā)展促成了風電裝備制造業(yè)的繁榮,風電齒輪箱作為風電機組中最重要的部件,倍受國內外風電相關行業(yè)和研究機構的關注。 風機增速齒輪箱是風力發(fā)電整機的配套產品,是風力發(fā)電機組中一個重要的機械傳動部件,它的重要功能是將風輪在風力作用下所產生的動力傳遞給發(fā)電機,使其得到相應的轉速進行發(fā)電,它的研究和開發(fā)是風電技術的核心,并正向高效、高可靠性及大功率方向發(fā)展。 風力發(fā)電機組通常安裝在高山、荒野、海灘、海島等野外風口處,經常承受無規(guī)律的變相變負荷的

24、風力作用以及強陣風的沖擊,并且常年經受酷暑嚴寒和極端溫差的作用,故對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機械產品高得多的要求。 風電行業(yè)中發(fā)展最快,最有影響的國家主要有美國、德國等歐美發(fā)達國家,在風電行業(yè)中處于統(tǒng)治地位。歐美發(fā)達國家早已開發(fā)出單機容量達兆瓦級的風力發(fā)電機,并且技術相對成熟,具有比較完善的設計理論和豐富的設計經驗,而且商業(yè)化程度比較高,因此在國際風力發(fā)電領域中處于明顯的優(yōu)勢和主導地位。 國外兆瓦級風電齒輪箱是隨jxL電機組的開發(fā)而發(fā)展起來的,Renk、Flender等風電齒輪箱制造公司在產品開發(fā)過程中采用三維造型設計、有限元分析、動態(tài)設計等先進技術,并通過模擬和試驗測試對設計方案

25、進行驗證。此外,國外通過理論分析及試驗測試對風電齒輪箱的運行性能進行了系統(tǒng)的研究,為風電齒輪箱的設計提供了可靠的依據(jù)。 盡管國際上齒輪箱設計技術已經比較成熟,但統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,齒輪箱出現(xiàn)故障仍然是故障的最主要原因,約占風機故障總數(shù)的20%左右,由于我國商業(yè)化大型風力發(fā)電產業(yè)起步較晚,技術上較歐美等風能技術發(fā)達國家存在報大差距。我國在九五期間開始走引進生產技術的路子,通過引進和吸收國外成熟的技術,成功研發(fā)出了兆瓦級以下風力發(fā)電機。 1.3課題意義 風力發(fā)電是清潔可再生能源,蘊存量巨大,具有實際開發(fā)利用價值。中國水電資源370 GW,風能資源有250 GW。廣東省水電資源6.6 GW,

26、沿海風能可開發(fā)量(H=40 m)8.41 GW。也就是說,風能與水能總量旗鼓相當。大量風能開發(fā)不可能靠某個部門或行業(yè)的財政補貼就能解決,商業(yè)化不僅是市場的要求,也是風力發(fā)電發(fā)展的自身需要。所以,風力發(fā)電商業(yè)化是必由之路,可行之路。風力發(fā)電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件,其主要功用是將風輪在風力作用下所產生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應的轉速。通常風輪的轉速很低,遠達不到發(fā)電機發(fā)電所要求的轉速,必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實現(xiàn),故也將齒輪箱稱之為增速箱。齒輪箱作為傳遞動力的部件,在運行期間同時承受動、靜載荷。其動載荷部分取決于風輪、發(fā)電機的特性和傳動軸、聯(lián)軸器的質量、剛度、阻尼值以及發(fā)

27、電機的外部工作條件。 開發(fā)新能源是國家能源建設實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要,是促進能源結構調整、減少環(huán)境污染、推進技術進步的重要手段。風力發(fā)電是新能源技術中最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。 (1)由于我國風電產業(yè)起步較晚,缺乏基礎研究積累和人才,我國在風力發(fā)電機組的研發(fā)能力上還有待提高,總體來說主要以引進國外先進技術為主。目前國內引進的技術,有的是國外淘汰的技術,有的圖紙雖然先進,但受限于國內配套廠家的技術、工藝、材料等原因,導致國產化的零部件質量、性能仍有一定差距。所以,在引進國外風機技術的同時,開發(fā)自主知識產權的兆瓦級增速齒輪箱,是加速我國風電產業(yè)的一項重要任務。

28、 (2)增速齒輪的設計和制造技術是整個風力發(fā)電機組的關鍵技術,關系到整個風力發(fā)電機組的命運。因此,要加強齒輪的研究,對齒輪進行結構設計,提高齒輪的嚙合質量,降低噪聲,保證齒輪機械效率,提高齒輪的運行可靠性。 (3)增速齒輪箱以漸開線齒輪為主,人們對標準的漸開線齒輪有了一套比較成熟的設計、強度計算和加工方法。兆瓦級增速齒輪對漸開線齒輪傳動提出了新的要求,在尺寸、重量最小的情況下,可靠地傳遞高速、重載的運動,這就對齒輪分析的計算精度提出了很高要求,高精度齒輪分析是輪齒承載能力、振動、噪聲及修形等研究的基礎。因此,建立準確的分析模型,準確求解受載輪齒的載荷分布對修形規(guī)律的研究具有重要意義。

29、1.4論文的主要內容 論文的主要內容包括是介紹了風力發(fā)電的現(xiàn)狀發(fā)展趨勢,及現(xiàn)在各個國家對風力發(fā)電的重視程度。我國現(xiàn)在風力發(fā)電的總體情況、風力發(fā)電機傳動鏈設計等。風力發(fā)電機傳動鏈主要分為主軸、齒輪箱(增速箱)、機械剎車以及相關組件。齒輪箱作為風機上的零件的重要作用,齒輪箱的發(fā)展。還有就是整篇論文關于齒輪箱的設計過程,及校核等等。還有CAD二維的裝配圖及零件圖和基于SOLID WORKS的齒輪箱的三維圖的繪制,并截取了一些圖片附于論文上。 設計此次的行星輪系的齒輪箱,我們擬部分采用減速器的設計方法,再結合書籍資料完成風力發(fā)電齒輪箱的設計,校核,及優(yōu)化的一系列工作。 關于行星輪系的傳動比,

30、及齒輪的計算,會參照《機械原理》等一些書籍的部分內容進行,還有關于軸的校核,鍵等等,和齒輪箱的使用和維和等等。 主要的參數(shù)如下: 表1 輸入功率 1660KW 發(fā)電機額定功率 1500KW 輸入轉速 18r/min 傳動形式 一級行星兩級定軸 總傳動比 99.5 重量 17t 主軸承 自調心滾子軸承 并明確規(guī)定依據(jù)IS06336進行齒輪計算,按3倍額定功率計算靜強度>1.0。.外齒輪制造精度不低于6級,齒面硬度HRC58--62,外齒輪采用20CrNi2MoA。 2齒輪箱的設計 2.1 增速齒輪箱方案設計 對于兆瓦級風電齒輪箱,傳動比多在100左

31、右,一般有兩種傳動形式:一級行星+兩級平行軸圓柱齒輪傳動,兩級行星+一級平行軸圓柱齒輪傳動。相對于平行軸圓柱齒輪傳動,行星傳動的以下優(yōu)點:傳動效率高,體積小,重量輕,結構簡單,制造方便,傳遞功率范圍大,使功率分流;合理使用了內嚙合;共軸線式的傳動裝置,使軸向尺寸大大縮小而;運動平穩(wěn)、抗沖擊和振動能力較強。在具有上述特點和優(yōu)越性的同時,行星齒輪傳動也存在一些缺點:結構形式比定軸齒輪傳動復雜;對制造質量要求高:由于體積小、散熱面積小導致油溫升高,故要求嚴格的潤滑與冷卻裝置。這兩種行星傳動與平行軸傳動相混合的傳動形式,綜合了兩者的優(yōu)點。 依據(jù)提供的技術數(shù)據(jù),經過方案比較,總傳動比i=98.74,采

32、用一級行星派生型傳動,即一級行星傳動+兩級高速軸定軸傳動。為補償不可避免的制造誤差,行星傳動一般采用均載機構,均衡各行星輪傳遞的載荷,提高齒輪的承載能力、嚙合平穩(wěn)性和可靠性,同時可降低對齒輪的精度要求,從而降低制造成本。 對于具有三個行星輪的傳動,常用的均載機構為基本構件浮動。由于太陽輪重量輕,慣性小,作為均載浮動件時浮動靈敏,結構簡單,被廣泛應用于中低速工況下的浮動均載,尤其是具有三個行星輪時,效果最為顯著。設計齒輪箱的轉動比為1:98.74,由于減速比較大,按照此轉動比,齒輪箱的結構形式可設計為:一級行星傳動+兩級平行軸定軸傳動。 圖5采用的結構 行星齒輪傳動由于有多對齒輪同時參

33、與嚙合承受載荷,要實現(xiàn)這一目標行星輪系各齒輪齒數(shù)必須要滿足一定的幾何條件。 (1)保證兩太陽輪和系桿轉軸的軸線重合,即滿足同心條件 。 (2)保證3個均布的行星輪相互間不發(fā)生干涉,即滿足鄰接條件。 (3)設計行星輪時,為使各基本構件所受徑向力平衡,各行星輪在圓周上應均勻分布或對稱分布。為使相鄰兩個行星輪不相互碰撞,必須保證它們齒頂之間在連接線上有一定問隙。 保證在采用多個行星輪時,各行星輪能夠均勻地分布在兩太陽輪之間,即滿足安裝條件c為整數(shù),裝配行星輪時,為使各基本構件所受徑向力平衡,各行星輪在圓周上應均勻分布或對稱分布。 (4)保證輪系能夠實現(xiàn)給定的傳動比,即滿足傳動比條件。當內

34、齒圈不動時有 以上各式中: ——中心太陽輪齒數(shù); ——行星輪齒數(shù); ——內齒圈齒數(shù); K——行星輪個數(shù); ha*——齒頂高系數(shù)。 2.2齒輪參數(shù)確定 2.2.1行星輪系的齒輪參數(shù) 根據(jù)行星輪系的傳動所需要滿足的條件。 兩級定軸的傳動比,則一級行星傳動,角標1表示低速級輸入端, ,每個行星輪的傳遞的功率P=1660.33KW,工作壽命為20年。 參數(shù)計算: 1.選定齒輪類型,精度等級,材料及齒數(shù): 1)選擇直齒圓柱齒輪。 2)齒輪精度等級為5級精度。 3)材料選擇為20CrMnMo,熱處理應為淬火。 4)初選小齒輪齒數(shù)為.67,取37

35、。 , ∴A= /=3.8 E = A =5.472 查得 =5.5 2.按齒面接觸強度設計 1)確定公式內各計算數(shù)值 2)計算 圓周速度V=2.037m/s 計算齒寬b及模數(shù)m。b=394.12. m=22.39. h=50.376 計算載荷系數(shù)=11.38537 據(jù)實際的載荷系數(shù),分度圓的直徑得:d1=264.75mm 2.根據(jù)經驗選取螺旋角壓力角 ∴ (1)配齒計算 取/= C , 適當調整=5.08696 5.08696/ 3 = 39, ∴=23 , = c

36、-=94 =0.5(-)=35.5 采用不等角變位,取=35, 則 j==1.01724 查圖可得適用的預計嚙合角23≤≤26 20≤≤24 預選=24.5 (2)按接觸強度初算a-c傳動的中心距與模數(shù) = 太陽輪和行星輪材料選用滲碳淬火,齒面硬度HRC58-62,選取 齒寬系數(shù), 齒數(shù)比 ∴ 模數(shù)=13.82, 取=14 未變位時 =409.5 按預取嚙合角=24.5可得a—c傳動中心距變動系數(shù) =0.40952 則中心距

37、 a’=a+ =415.23 a取a’=416 計算a-c傳動的實際中心距變動系數(shù)Y和嚙合角 ∴=24.73 (3)計算a—c傳動的變位系數(shù)(4)計算a.C傳動的變位系數(shù) =0.4712 =59.52 查圖校核,在與線之間,為綜合性能較好區(qū),可用。 查圖分配變位系數(shù)藝=0.22,=O.2512 (4)計算c-b傳動的中心距變動系數(shù)及嚙合角 c-b傳動未變位時的中心距 =416.5658 ∴=22.49 (5)計算c-b傳動的變位系數(shù) =-0.04558 (6)重合度計算

38、 =1.4336 =1.0506 其中 ∴ 行星輪系的參數(shù)為 分度圓直徑 齒寬 內齒輪R精度等級為6級。 2.2.2圓柱級齒輪參數(shù) 1.高速軸上的齒輪的設計 輸入功率,小齒輪轉速為1399.013r/min,傳動比i=3.9183,工作壽命20年。 (1)選定齒輪類型,精度等級,材料及齒數(shù): 1)選擇斜齒圓柱齒輪。 2)齒輪精度等級為5級精度。 3)材料選擇為20CrMnMo,熱處理應為淬火。 4)初選小齒輪齒數(shù)為。 5)初選螺旋角。 (2)按齒面接觸強度設計 1)確定公式內各計算數(shù)值 2)

39、計算 圓周速度V=16.47m/s 計算齒寬b及模數(shù)m。b=179.872. m=8.73. h=19.64 計算縱向重合度=1.586 計算載荷系數(shù)=1.433 據(jù)實際的載荷系數(shù),分度圓的直徑得:d1=264.75mm 2.中間軸上的齒輪設計 輸入功率=1594.589KW,小齒輪的轉速為357.046r/min。傳動比i=4.5224,傳遞的轉矩=N.mm,使用壽命為20年。 (1)選定齒輪類型,精度等級,材料及齒輪 1)選擇斜齒圓柱齒輪。 2)齒輪精度等級為5級精度。 3)材料選擇為20CrMnMo,熱處理應為淬火。 4)

40、初選小齒輪齒數(shù)為。 5)初選螺旋角 (2)按齒面接觸強度設計 1)確定公式內各計算數(shù)值 2)計算 圓周速度V=6.432m/s 計算齒寬b及模數(shù)m。b=275.22. m=14.73. h=33.145 計算縱向重合度=1.0317 計算載荷系數(shù)=1.4121 據(jù)實際的載荷系數(shù),分度圓的直徑得:d1=407.628mm 高速軸上的一對齒輪系參數(shù)為: 中間軸上的一對齒輪的參數(shù)為: 2.3受力分析與靜強度校核 2.3.1受力分析 行星齒輪傳動的主要受力構件有中心輪、行星輪、行星架、軸及軸承等。為進行齒輪的

41、強度計算,需要對行星輪以及太陽輪進行受力分析。當行星輪數(shù)目為3。假定各套行星輪載荷均勻,只需分析其中任一套行星輪與中心輪的組合即可。通常略去摩擦力和重力的影響,各構件在輸入轉矩的作用下平衡,構件間的作用力等于反作用力。 圖6行星齒輪受力分析 行星架輸入功率為,太陽輪輸出功率為,增速傳動比為i,太陽輪節(jié)圓直徑為dl,根據(jù)斜齒圓柱齒輪傳動受力分析公式,齒輪所受切向力、徑向力、軸向力分別為: 式中:—法面壓力角; —分度圓螺旋角。 得到各個齒輪的受力結果如表2所示。 表2 2.3.2低速級外嚙合齒面靜強度計算 依據(jù)要求,按3倍額定功率計算靜強度

42、。(因其余嚙合齒輪副的計算步驟、結論與此相似,在此,僅以低速級外嚙合為例。) ①載荷 : 式中:——計算切向載荷,N; d——輪齒分度圓直徑,mm; ——最大轉矩,Nm ②修正載荷系數(shù) 因已按最大載荷計算,取使用系數(shù)=l。 ③計算安全系數(shù): 式中:——靜強度最大齒面應力, ∴,符合要求。 2.4本章小結 依據(jù)技術指標,綜合行星傳動與平行軸傳動的有點,選取兩級行星派生型傳動,采用太陽輪浮動的均載機構,計算確定了齒輪箱各級傳動的參數(shù)。對行星傳動進行受力分析,得出各級傳動齒輪的受力結果。依據(jù)標準,進行靜強度校核,結果符合安全要求。 3傳

43、動軸和箱體的設計 3.1高速軸的設計 (1)最小軸直徑的設計(A=105~115) 功率P=1562.857KW,轉速n=1399.013r/m,A取110。 所以d=114.12mm。又根據(jù)發(fā)電機的功率選擇, 所以d=120mm (2)結構設如下 3.2低速軸的設計 最小軸直徑的設計 所以d=308.14mm。根據(jù)軸承精度選擇, 所以外徑d=320mm,內徑d1=160mm。 3.3中間軸的設計 (1)最小軸直徑的設計 功率P=1594.589KW,轉速n=357.046r/m。 所以d=181.15mm。又根據(jù)調心滾子軸承選擇, 所

44、以d=200mm (2)結構設如下: 3.4箱體 箱體是齒輪箱的重要零件,它承受來自風輪的作用力和齒輪傳動時產生的反力。箱體必須有足夠的剛性去承受力和力矩的作用,防止變形,保證傳動質量。箱體的設計應按照風力發(fā)電機組動力傳動的布局、加工和裝配、檢查以及維護等要求來進行。應注意軸承支撐和機座支撐的不同方向的反力及其相對值,選取合適的支撐結構和壁厚,增設必要的加強筋。筋的位置須與引起箱體變形的作用力的方向相一致。箱體的應力情況十分復雜且分布不均,只有采用現(xiàn)代計算方法,如有限元、斷裂力學等輔以模擬實際工況的光彈實驗,才能較為準確的計算出應力分布情況。利用計算機輔助設計,可以獲得與實際應力

45、十分接近的結果。采用鑄鐵箱體可發(fā)揮其減震性,易于切削加工等特點,適于批量生產。常用的材料有球墨鑄鐵和其他高強度鑄鐵。設計鑄造箱體時應避免壁厚突變,減小壁厚差,以免產生縮孔和疏松等缺陷,用鋁合金或其他輕合金制造的箱體,可使其重量較鑄鐵輕20%-30%,但從另一個角度考慮,輕合金鑄造箱體,降低重量的效果并不顯著。這是因為輕合金鑄件的彈性模量較小,為了提高剛性,設計時常需加大箱體的受力部分的橫截面積,在軸承座處加裝鋼制軸承套,相應部分的尺寸和重量都要加大。目前除了較小的風力發(fā)電機尚用鋁合金箱體外,大型風力發(fā)電機應用輕鋁合金鑄件箱體已不多見。單件小批量生產時,常采用焊接或焊接與鑄造相結合的箱體。為減少

46、機械加工過程中和使用中的變形,防止出現(xiàn)裂紋,無論是鑄造或是焊接箱體均應進行退火,時效處理,以消除內應力。為了便于裝配和定期檢查齒輪的嚙合情況,在箱體上應設有觀察窗。機座旁一般設有連體吊鉤,供起吊整臺齒輪箱用。 4齒輪箱的密封、潤滑和冷卻 4.1齒輪箱的密封 齒輪箱軸伸部位的密封一方面應能防止?jié)櫥屯庑?,同時也能防止雜質進入箱體內。常用的密封分為非接觸式密封和接觸式密封兩種。 1.非接觸式密封。所有的非接觸式密封不會產生磨損,使用時間長。 軸與端蓋孔間的間隙行程的密封,是一種簡單的密封。間隙大小取決于軸的徑向跳動大小和端蓋孔相對于軸承孔的不同軸度。在

47、端蓋孔或軸頸上加工出一些溝槽,一般2~4個,形成所謂的迷宮,溝槽底部開有回油槽,使外泄的油液遇到溝槽改變方向輸回箱體中。也可以在密封的內側設置甩油盤,阻擋飛濺的油液,增強密封效果。 2.接觸式密封。接觸式密封使用的密封件應密封可靠、耐久、摩擦阻力小。容易制造和裝拆,應能隨壓力的升高而提高密封能力和有利于自動補償磨損。常用的旋轉軸用唇形密封有多種方式,可按標準選取。密封部位軸的表面粗糙度R=0.2-0.63.與密封圈接觸的軸表面不允許有螺旋形機加工痕跡。軸端應有小于30的導入角,倒角上不應有銳邊、毛刺和粗糙的機加工殘留物。 本次設計采用了以上的第二種密封方式。 4.2齒輪箱的潤滑、冷卻

48、 齒輪箱的潤滑十分重要,良好的潤滑能夠對齒輪和軸承祈禱足夠的保護作用。為此,必須高度重視齒輪箱的潤滑問題,嚴格按照規(guī)范保持潤滑系統(tǒng)長期處于最佳狀態(tài)。齒輪箱常采用飛濺潤滑或強制潤滑,一般以強制潤滑為多見。因此,配備可靠的潤滑系統(tǒng)尤為重要。在機組潤滑系統(tǒng)中,齒輪泵從油箱將油液經過濾油器輸送到齒輪箱的潤滑系統(tǒng),對齒輪箱的齒輪和傳動件進行潤滑,管路上裝有各種監(jiān)控裝置,確保齒輪箱在運轉過程中不會出現(xiàn)漏油。保持油液的清潔十分重要,即使是第一次使用新油,也要經過過濾,系統(tǒng)中除了主濾油器之外,最好加裝旁路濾油器輔助濾油器,以確保油液的潔凈。對潤滑油的要求應考慮能夠起齒輪和軸承的保護作用。此外還應具備以下

49、性能:1.減少摩擦和磨損,具有高強的承載能力,防止膠合;2.吸收沖擊和振動;3.防止疲勞點蝕;4.冷卻,防銹,抗腐性。風力發(fā)電齒輪箱屬于閉式齒輪傳動類型,其主要的失效形式是膠合與點蝕,故在選擇潤滑油時,重點是保證有足夠的油膜厚度和邊界膜強度。 潤滑油系統(tǒng)中的散熱器常用風冷式的,由系統(tǒng)中的溫度傳感器控制,在必要時通過電控旁路閥自動打開冷卻回路,使油液先流經散熱器散熱,再進入齒輪箱。 5齒輪箱的使用及其維護 5.1安裝要求 齒輪箱的主動軸與葉片輪轂的聯(lián)接必須可靠緊固。輸出軸若直接與電機聯(lián)接時,應采用合適的聯(lián)軸器,最好的彈性聯(lián)軸器,并串接起來保護作用的安全裝置。齒輪箱軸線上和

50、與之相連接的部件的軸線應保證同心,其誤差不得大于所選用聯(lián)軸器的齒輪箱的允許值,齒輪箱體上也不允許承受附加的扭轉力。齒輪箱安裝后用人工搬動應靈活,無卡滯現(xiàn)象。打開觀察窗蓋檢查箱體內部機件應無銹蝕現(xiàn)象。用涂色法檢驗,齒面接觸斑點應達到技術條件的要求。 5.2定期更換潤滑油 第一次換油應在首次投入運行500h后進行,以后的換油周期為每運行5000-10000h。在運行過程中也要注意箱體內油質的變化情況,定期取樣化驗,若油質發(fā)生變化,氧化生成物過多并超過一定比例時,就應及時更換。齒輪箱應每半年檢修一次,備件應按照正規(guī)圖紙制造,更換新備件后的齒輪箱,其齒輪嚙合情況符合技術條件的規(guī)定,并經過試

51、運轉與載荷試驗后再正式使用。 5.3齒輪箱常見故障 齒輪箱的常見故障有齒輪損傷、軸承損壞、斷軸和滲透油、油溫高等。 6基于Pro/E的斜齒輪參數(shù)化造型 6.1Pro/E參數(shù)化建模概述 實踐中存在著大量復雜卻用途廣泛的零件。比如:斜齒輪,其齒廓部分是漸開線螺旋面,齒根過度曲線部分由于加工方法的不同形狀有異。為滿足有限元分析、機構運動分析、動力學分析等的需要,有時要求精確繪制出漸開線斜齒輪的三維實體模型。齒輪造型精確度將直接影響有限元分析結果的準確性。傳統(tǒng)的齒輪傳動設計方法,設計過程重復,設計周期長、工作效率低。當齒輪

52、的某一參數(shù)改變時,需要對齒輪組重新建模與裝配,因此設計智能化程度低。 參數(shù)化設計是指在設計中,通過修改尺寸來實現(xiàn)對模型修改的設計方法。設計人員除輸入必要的設計參數(shù)外,對設計過程不需要任何干涉,系統(tǒng)自動對設計的參數(shù)的約束條件進行分解和計算并完成設計過程。 Pro/E是美國PTC公司的標志性軟件,問世于1988年。現(xiàn)已稱為全世界最為普遍的3D CAD/CAM軟件,其功能強大,模塊眾多,包括實體設計、零件裝配、功能仿真等。Pro/E軟件的長處及獨特的地方表現(xiàn)在兩個方面:一是它的參數(shù)化特征化定義實體造型的功能,從而給工程師們提供設計上的簡便和靈活性: 另一方面是其獨特的數(shù)據(jù)結構提供在工程上的完全

53、相關性,即在產品開發(fā)過程中任何一個地方的更改都會得到其它相關地方的自動修改用Pro/E進行參數(shù)化設計,主要是用到Pro/E中的程序(Program),這是一種相對非常簡單的程序,它只是用一些簡單的input、if-else等少數(shù)語句,對零件或組件設計過程中系統(tǒng)自動產生的信息進行編輯。使用者可以通過非常簡單的程序語言來控制特征以及尺寸大小,以完成產品設計要求國內外許多學者對漸開線直齒輪的參數(shù)化建模和裝配做了很多深入的研究,但是對于漸開線變位斜齒輪的參數(shù)化建模研究不多。本章依據(jù)漸開線參數(shù)方程以及螺旋線生成原理,在Pro/E中實現(xiàn)了斜齒輪的參數(shù)化建模,得到精確的三維模型。 6.2齒輪參數(shù)化模型

54、建立 齒輪的參數(shù)化模型就是只需輸入斜齒輪的關鍵參數(shù)就可以生成齒輪的三維實體模型。因此,在構造齒輪造型前,需要確定哪些是關鍵的參數(shù),以及齒輪模型各部分輪廓尺寸與這些參數(shù)的關系與方程。 6.2.1設置參數(shù)與數(shù)學關系式 齒輪輪齒部分是齒輪類零件結構復雜的部分,也是齒輪類零件中關鍵的部分。漸開線變位齒輪的幾何尺寸主要取決于以下幾個參數(shù):齒數(shù)、模數(shù)、分度圓壓力角、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)、螺旋角、齒寬、變位系數(shù)。選擇菜單欄中工具>程序,彈出菜單,選擇編輯設計,這時會彈出記事本文件,對記事本文件中的“INPUT”到“ENDINPUT”進行編輯。記事中的MN表示定義的模數(shù)參數(shù)名,NUM

55、BER表示參數(shù)值的類型。“請輸入齒輪的法向模數(shù)”是提示欄。在定義完這些參數(shù)后需要給各個參數(shù)輸入一個初始值。 定義完參數(shù)后,還需要通過這些參數(shù)來定義其它相關尺寸。同樣事本中,在“RELATIONS”“ENDRELATIONS”設置基圓直徑、節(jié)圓直徑等的表達關系式。 6.2.2構造齒廓 直線上一點K的軌跡稱為該圓的漸開線,該圓稱為漸開線的基圓。直線稱為漸開線的發(fā)生線,漸開線的生成原理如圖所示。以基圓圓心為原點,漸開線的起始點A與圓心的連線為x軸,與其垂直的方向為Y軸建立直角坐標系,根據(jù)漸開線形成原理推導出漸開線方程。 圖7

56、 圖8直齒齒輪 生成漸開線以后,創(chuàng)建基準平面,該基準平面過分度圓上一點以及齒輪中心軸,再將其繞軸線旋轉一定角度,以該平面為對稱面,對漸開線進行鏡像即得齒廓另一側的曲線,截取齒頂圓以內的部分即可獲得完整齒廓。 6.2.3生成齒輪 對于斜齒輪的精確建模,除了要生成漸開線,還必須生成螺旋線。依掘螺旋線的生成原理,將斜齒輪基圓柱面展開,螺旋線展開成一條直線,斜直線與軸線的夾角就是基圓柱面上的螺旋角,如圖所示。據(jù)此得出螺旋線的參數(shù)方程。另外,在Pro/E環(huán)境F可以通過軸線的水平面上先繪制一斜直線,與軸線成夾角,然后將其投影到基圓柱面上也可作成螺旋線。 圖8齒輪軸

57、 圖9太陽輪 圖10內齒輪 圖11行星架 6.3模型裝配 依據(jù)相似原理,設計出外齒圈如圖所示。在完成如圖的行星架的設計后,可以在Pro/E的裝配界面中利用中心距等關系及約束定義實現(xiàn)相關模型的裝配。一級行星傳動的裝配如圖所示??偟难b配如圖所示。 圖12圓柱齒輪裝配圖13 圖14行星輪系裝配 圖15總體裝配圖 圖16 圖17 6.4總結 利用Pro/E的參數(shù)化建模功能,設置相關參數(shù),基于漸開線形成原理輸入漸開線參數(shù)方程,生成漸開線齒廓曲線。利用螺旋線生成理論,掃面拉伸端面

58、齒廓形成一個輪齒,最后陣列形成完整齒輪。 結 論 經過了這么長時間的畢業(yè)設計,期間還經歷了很長時間的工作培訓實習,可以說畢業(yè)設計的時間還是耽誤了很多,所以對于我來說,畢業(yè)設計的時間實在是少了很多。開始設計到現(xiàn)在,其實自己體會很深的還是設計的難度,這可以說是自己第一次親自的設計畫圖等一系列的工作,沒有了以前的同學合作共同設計一項任務時的輕松,這個設計還是需要靠自己的勞動。 經過了這么久,自己還是感覺到在大學期間學到的知識是有多么的少,雖然現(xiàn)在后悔已經來不及了,匱乏的基礎知識還是給自己的畢業(yè)設計增加了很多的不

59、必要的難度,可以看出自己在這個設計上的難度是在一直的增加。 可是,當一個個的數(shù)據(jù)自己算出來,一個個的圖自己畫出來的時候,那時候的快了才是自己感覺的,別人是替代不了的。 設計接近尾聲,只能說,一切的經歷真的使自己成長了很多,包括知識和技能上的成長,還是在人品和素質上的提高。這是一個機會,一輩子也就這么一次的機會,這樣的機會很難得,所以大家還是要珍惜,珍惜大學生活珍惜這樣的機會。 致 謝 畢業(yè)設計已經接近尾聲,意味著大學學習生活即將結束,更意味著一個新的生活即將開始。大學生活是美好的,畢業(yè)設計是大學四年中

60、最具有意義的一項實踐性學習活動,不僅給予了我們一次將所學知識綜合運用的機會,使我們能夠再一次加以鞏固,而且它非常貼近實際,正所謂“實踐出真知”。 本次畢業(yè)設計是在蔡老師的悉心指導下完成的。從論文的選題到最后設計的完成,蔡老師都認真指導、耐心幫助和嚴格要求,最終也使我得以完成最后的論文。同時在設計過程中,周圍的同學也給予了我不少的幫助,大家一起研究、學習,在輕松地學習氛圍下學習研究能力得到了一定的提高,也更貼切的體會到了同學之間友好互助的情意。 在論文完稿過程中,參考了有關教科書、資料、手冊和文章的內容,在此向所有參考文獻中的作者致以崇高的敬意和感謝。 最后,特別感謝在我畢業(yè)設計期間所有關

61、心我的人,因為有了他們的給與我的幫助和支持,才使我順利完成畢業(yè)設計,在此表示衷心的感謝。 參考文獻 [1] 秦大同,王子坤.基于動力學和可靠性的風力發(fā)電齒輪傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計[J].重慶大學學報,7(44),2008.7:5-6。 [2] 張巍,淺談風力發(fā)電系統(tǒng)的組成及設計[J].農村電工,2001,3。 [3] 秦大同,王子坤,基于動力學的風力發(fā)電齒輪傳動系統(tǒng)可靠性評估[J].重慶大學學報,2007,12。 [4] 吳義純,丁明. 基于蒙特卡羅仿真的風力發(fā)電系統(tǒng)可靠性評價[j],電力自動化設備,2004,12。 [5] 饒

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