目錄1. 緒論 .31.1 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況 .31.2 風(fēng)力發(fā)電的背景 .41.2.1 能源危機(jī) .41.2.2 環(huán)境危機(jī) .41.2.3 可再生能源開(kāi)發(fā)利用 .51.2.4 風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用 .51.3 風(fēng)力發(fā)電國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .61.3.1 國(guó)外風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀 .61.3.2 國(guó)內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀 .71.4 國(guó)內(nèi)外風(fēng)電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) .71.4.1 產(chǎn)業(yè)集中是總的趁勢(shì) .81.4.2 水平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)成為主流 .81.4.3 風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量持續(xù)增大 .82. 發(fā)電機(jī)的工作原理及基本結(jié)構(gòu) 92.1 風(fēng)電機(jī)的功能單元的劃分 .92.2 風(fēng)電機(jī)組的工作原理 102.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈的基本結(jié)構(gòu)及三維建模 122.3.1 主軸 122.3.2 齒輪箱 123. 風(fēng)電發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈主要零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 .133.1 確定設(shè)計(jì)目標(biāo) 133.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體設(shè)計(jì)方案 133.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈零件設(shè)計(jì)方案 154. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器的設(shè)計(jì)計(jì)算 .164.1 傳動(dòng)方案的確定 .174.2 增速器基本設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)步驟 .184.3 傳動(dòng)原理圖 .184.4 增速器各傳動(dòng)部件的材料及力學(xué)性能 .194.5 第一級(jí)行星輪系傳動(dòng)設(shè)計(jì) .204.6 第二級(jí)行星輪系傳動(dòng)設(shè)計(jì) .214.7 第三級(jí)平行軸圓柱直齒輪設(shè)計(jì) .224.8 行星齒輪具體結(jié)構(gòu)的確定 .225 主軸制動(dòng)系統(tǒng)的研究 235.1 制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式選擇 .235.1.1 鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式 245.1.2 盤(pán)式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式 265.1.3 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)的最終選擇 315.2 盤(pán)式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu) .315.2.1 制動(dòng)器主要部件的結(jié)構(gòu) 315.2.2 制動(dòng)器的工作原理及安裝位置 355.3 制動(dòng)器靜載荷接觸分析 .355.3.1 制動(dòng)任務(wù) 355.3.2 計(jì)算最大制動(dòng)力矩和卡鉗夾緊力 366 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) .396.1 高速軸的設(shè)計(jì) 396.2 低速軸的設(shè)計(jì) 396.3 中間軸的設(shè)計(jì) 40總結(jié) .41致謝 .41參考文獻(xiàn) .421摘 要風(fēng)能作為一種可再生能源越來(lái)越受到世界各國(guó)政府的重視。與此同時(shí)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和裝備的研究開(kāi)發(fā)也日益成為科技領(lǐng)域和企業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)課題項(xiàng)目之一。風(fēng)能是一種清潔并且可再生的能源，利用風(fēng)能發(fā)電能夠大量減少其它發(fā)電方式對(duì)環(huán)境的污染。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理是：一定速度前進(jìn)的風(fēng)吹在靜止的風(fēng)力機(jī)葉片上做功并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，先通過(guò)葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，在由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)功率為 1500 千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成。對(duì)其葉片，行星齒輪增速器，塔架等進(jìn)行了詳細(xì)的方案選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；水平軸風(fēng)力機(jī)；葉片；增速器。2AbstractWind energy, as a kind of renewable energy, is paid attention to by governments all around the world. The wind power technology and its equipment research become a hot spot topic for technical circles and enterprise.Wind energy is a clean and renewable energy sources, The use of wind energy to power can reduce a large number of environmental pollution compare with other ways. The principle of wind turbine is: A certain wind speed blowing to the stationary blades of wind turbine-driven generators work and driving generator to power, through the impeller into the wind mechanical energy, then to electrical energy by the generator. In this paper, a power of 1500 KW wind turbine is designed and its horizontal axis wind turbine, Composed by the impeller, generator, yaw devices, control systems, towers and other components. Carry out a detailed design calculations of its leaves, the planetary gear speed increaser, tower, etc.Keyword: wind power; horizontal axis wind turbine; leaves;speed increaser.31. 緒論1．1 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況風(fēng)能是一種開(kāi)發(fā)成本較低、清潔、安全、可再生的能源。因此，風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越受到重視。根據(jù)貝茲理論，風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中吸收的能量不到空氣動(dòng)能的 59.3%，同時(shí)由于受到機(jī)械結(jié)構(gòu)等限制，實(shí)際值更小。因此，如何提高風(fēng)能轉(zhuǎn)化率，獲取更多風(fēng)能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能規(guī)?；?，一直為學(xué)者及業(yè)界所關(guān)注。近年來(lái)，大型風(fēng)電機(jī)組通過(guò)采用變速變槳距控制及最大功率跟蹤 MPPT 等技術(shù)，旨在提高響應(yīng)速度，獲得最大能量（低風(fēng)速是捕獲最大功率，高風(fēng)速時(shí)捕獲額定功率） 。但是，由于一些不確定因素的存在，風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)表現(xiàn)出強(qiáng)非線(xiàn)性特征，風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的能量隨著風(fēng)速和風(fēng)向的連續(xù)波動(dòng)是快速變化的。傳統(tǒng)線(xiàn)性定常控制器因存在較大超調(diào)和損失，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，不適合用來(lái)控制大型變速變槳距風(fēng)電機(jī)組。根據(jù)風(fēng)速大小，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由 4 個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程構(gòu)成，即啟動(dòng)、變速運(yùn)行、變槳距運(yùn)行和剎車(chē)。其中，啟動(dòng)、剎車(chē)過(guò)程使系統(tǒng)能在最短時(shí)間內(nèi)有較快的響應(yīng)速度；變速運(yùn)行調(diào)節(jié)風(fēng)能，減少或消除風(fēng)能產(chǎn)生過(guò)程中的急劇波動(dòng)，捕獲最大能量，減弱暫態(tài)負(fù)荷的影響；變槳距控制通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角維持風(fēng)電機(jī)組輸出額定功率不變。風(fēng)車(chē)按照風(fēng)輪軸的不同，可以分為水平軸風(fēng)車(chē)和垂直軸風(fēng)車(chē)。能量驅(qū)動(dòng)鏈（即風(fēng)輪、主軸、變速箱、發(fā)電機(jī)）呈水平方向的，稱(chēng)為水平軸風(fēng)車(chē)（水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，圖 1-1 能量驅(qū)動(dòng)鏈呈垂直方向的，稱(chēng)為垂直軸風(fēng)車(chē)（垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，圖 2） 。圖 1-1 水平軸風(fēng)車(chē) 圖 1-2 垂直軸風(fēng)車(chē)4我國(guó)已成為繼歐洲、美國(guó)和印度之后風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的主要市場(chǎng)之一，風(fēng)能資源豐富，可開(kāi)發(fā)量為 1400GW。其中，陸上開(kāi)發(fā)量為 600GW；海上開(kāi)發(fā)量為 800GW。我國(guó)在20 世紀(jì) 50 年代末，使用各種木結(jié)構(gòu)的布篷式風(fēng)車(chē)。20 世紀(jì) 70 年代中期以后，風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用列入“六五”國(guó)家計(jì)劃。20 世紀(jì) 70 年代末到 80 年代初，自主研制、批量生產(chǎn)了 10kW 以下的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，解決了居住分散的農(nóng)牧民和島嶼居民的生產(chǎn)、生活用電，風(fēng)力發(fā)電停留在蒙古包單家獨(dú)戶(hù)使用或?qū)嶒?yàn)室研究階段。1983 年，山東引進(jìn) 3 臺(tái)丹麥 Vestas 55kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)，開(kāi)始了并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的試驗(yàn)和示范；1986 年 5 月，山東榮成建成我國(guó)第一個(gè)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)，其次是達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)。1986～1993 年，全國(guó)共建 12 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)容量為 13.3MW；1994～1999 年，全國(guó)共建有 21 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)容量達(dá)到 249.05MW。其中，1992～1996 年的主力機(jī)型為 200～300kW 機(jī)組，1997～2002 年的主力機(jī)型則為 600kW 機(jī)組。2008 年，我國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到12.21GW，其中并網(wǎng)發(fā)電的裝機(jī)容量為 8.94kW。截止到 2009 年年底，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)總量累計(jì)達(dá)到 16.13GW，累計(jì)裝機(jī)容量為 25805.3MW。1．2 風(fēng)力發(fā)電的背景1.2.1 能源危機(jī)能源是人類(lèi)賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。自從工業(yè)革命以來(lái)，全球的能源消耗飛速增長(zhǎng)，推動(dòng)了工業(yè)化的進(jìn)程，提高了社會(huì)發(fā)展水平和人類(lèi)生活質(zhì)量。全球經(jīng)濟(jì)的急劇增長(zhǎng)對(duì)能源的需求越來(lái)越大，能源危機(jī)制約了人類(lèi)進(jìn)一步發(fā)展。自 20 世紀(jì) 50 年代以后，由于石油危機(jī)的爆發(fā)，對(duì)世界經(jīng)濟(jì)造成巨大影響，國(guó)際輿論開(kāi)始關(guān)注世界能源危機(jī)問(wèn)題。全球能源危機(jī)的主要表現(xiàn)在于，全球能源儲(chǔ)量與開(kāi)采時(shí)間有限?？梢灾涞幕Y源的極限大約為 1180~1510 億噸，自 1995 年世界石油的開(kāi)采量 33.2 億噸計(jì)算，石油儲(chǔ)量大約在 2050 年左右即將枯竭；天然氣儲(chǔ)量估計(jì) 131800~152900m3，年開(kāi)采量維持在2300 m3，將在 57~65 年內(nèi)枯竭；煤的儲(chǔ)量約為 5600 億噸，1995 年煤開(kāi)采量為 33 億噸，可以供應(yīng) 169 年；鈾的年開(kāi)采量目前為每年 6 萬(wàn)噸，據(jù) 1993 年世界能源委員會(huì)的估計(jì)可維持到 21 世紀(jì) 30 年代中期。綜上所述，煤炭、石油、天然氣等不可再生化石能源的總量有限，待開(kāi)發(fā)新的可再生能源。1.2.2 環(huán)境危機(jī)在能源消耗急劇增長(zhǎng)，能源危機(jī)凸顯的同時(shí)，環(huán)境危機(jī)也出現(xiàn)了?，F(xiàn)代社會(huì)對(duì)能源的巨大需求，導(dǎo)致大量的化石能源被燃燒。燃燒不斷產(chǎn)生 CO2和其他溫室氣體，使得原來(lái)沉積在地下的碳元素，被大量釋放到空氣中。據(jù)估計(jì)，按照目前的趨勢(shì)，到 2030年，由各種溫室氣體增加所引起的氣候變化，將相當(dāng)于把大氣中 CO2濃度提高到工業(yè)化5社會(huì)以前 CO2濃度的兩倍。到 2100 年，溫室效應(yīng)強(qiáng)度將相當(dāng)于把大氣中 CO2濃度提高到工業(yè)化社會(huì)以前 CO2濃度的 3 倍，達(dá)到 5000 萬(wàn)年前的 CO2濃度水平。能源消費(fèi)在迅速擴(kuò)大，已經(jīng)達(dá)到了阻礙地球生態(tài)系統(tǒng)自律功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的程度。研究表明：地球變暖不是地球本身自然循環(huán)的變化，而是人類(lèi)活動(dòng)排放的 CO2等溫室氣體效應(yīng)造成的。其過(guò)程與人類(lèi)大量消耗化石能源資源，尤其是燃燒化石燃料發(fā)電大量排放的 CO2密切相關(guān)。到 2015 年，世界溫室氣體的排放量將達(dá)到最高，全球變暖帶來(lái)的影響不僅僅是更多的汗?jié)碁?zāi)害，還有海平面的上升。全球氣候的變化對(duì)農(nóng)業(yè)和生態(tài)造成了嚴(yán)重的影響，時(shí)刻威脅著人類(lèi)的生命和財(cái)產(chǎn)安全。1.2.3 可再生能源開(kāi)發(fā)利用目前，如何解決能源危機(jī)及其引起的環(huán)境危機(jī)成為全球經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展所面臨的待解決的重大課題?？朔茉次C(jī)的出路在于大力發(fā)展新能源，用可再生能源替代化石能源。電能具有轉(zhuǎn)換和傳輸方便的優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展不可替代的二次能源。為緩解或從根本上消除能源危機(jī)帶來(lái)的環(huán)境破壞，綠色電力的生產(chǎn)為世界各國(guó)所關(guān)注。綠色電力來(lái)源于風(fēng)能、小水電、太陽(yáng)能、地?zé)?、生物質(zhì)和其他可再生能源。因?yàn)樗鼈冊(cè)谏a(chǎn)的過(guò)程中不消耗煤、石油、天然氣等燃料，所以不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的排放物。相對(duì)于常規(guī)火力發(fā)電，更有利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。因此，開(kāi)發(fā)綠色電力意義重大。全球市場(chǎng)對(duì)于這樣的零排放技術(shù)有著巨大且持續(xù)增長(zhǎng)的需求。為了避免發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的氣候變化后果，全球的溫室氣體排放必須在 2020 年前后達(dá)到峰值且開(kāi)始下降，而風(fēng)電是目前唯一實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的發(fā)電技術(shù)。1.2.4 風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均，同時(shí)，地球發(fā)生自轉(zhuǎn)，使空氣沿水平方向運(yùn)動(dòng)，空氣流動(dòng)所形成的動(dòng)能稱(chēng)為風(fēng)能。據(jù)估計(jì)到達(dá)地球的太陽(yáng)能只有大約 2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，理論上僅 1%的風(fēng)能就能滿(mǎn)足人類(lèi)能源的需求。全球的風(fēng)能總量約為 2.74×106GW，其中可利用的風(fēng)能總量為 2.74×104GW，比地球上可開(kāi)發(fā)利用的水能總量還要大 10 倍。根據(jù)我國(guó) 900 多個(gè)氣象站陸地上離地 10m 高度資料進(jìn)行估算，全國(guó)平均風(fēng)功率密度為 100W/m2，風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為 3226GW，可開(kāi)發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量為 600GW，海上可開(kāi)發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量為 800GW，共計(jì)約1400GW。50m 或更高處可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量為 2000GW。人類(lèi)利用風(fēng)能的歷史可以追溯到公元前。在蒸汽機(jī)發(fā)明以前，風(fēng)能曾經(jīng)作為重要的動(dòng)力，用于船舶航行、提水飲用和灌溉、排水造田、磨面和鋸木等。埃及被認(rèn)為可能是最先利用風(fēng)能的國(guó)家。12 世紀(jì)，風(fēng)車(chē)從中東傳入歐洲。16 世紀(jì)，荷蘭人利用風(fēng)車(chē)排水。隨著煤、石油、天然氣的大規(guī)模開(kāi)采和廉價(jià)電力的獲得，由于成本高、效率低、6使用不方便等，風(fēng)力發(fā)電機(jī)械無(wú)法與蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)等競(jìng)爭(zhēng)而逐漸被淘汰。在 20 世紀(jì) 70 年代中期以后，我國(guó)將風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用列入“六五”國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，得到迅速發(fā)展。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電從 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始真正起步。20 世紀(jì) 70 年代末 80 年代初，我國(guó)自主開(kāi)發(fā)研制并批量生產(chǎn)了額定容量 10 kW 以下的小型風(fēng)電機(jī)組，解決了居住分散的農(nóng)牧民和島嶼居民的生產(chǎn)生活用電。1986 年 5 月，山東榮成建成了我國(guó)第一個(gè)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)。20 世紀(jì) 80 年代中期以后，我國(guó)先后從丹麥、比利時(shí)、瑞典、美國(guó)、德國(guó)引進(jìn)一批中、大型風(fēng)電機(jī)組，在、內(nèi)蒙古的風(fēng)口及山東、浙江、福建、廣東的島嶼建立了 8 座示范性風(fēng)電場(chǎng)。1．3 風(fēng)力發(fā)電國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1 國(guó)外風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀風(fēng)電成本不考慮常規(guī)電力環(huán)境成本，根據(jù)目前的風(fēng)電技術(shù)水平，風(fēng)電成本仍高于常規(guī)電力成本，因此許多國(guó)家采取了諸如價(jià)格、市場(chǎng)配額、稅收等各種激勵(lì)政策，從不同的方面引導(dǎo)和支持風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。經(jīng)過(guò) 30 年的努力，隨著市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，風(fēng)電成本大幅度下降，每千瓦時(shí)風(fēng)電成本由 20 世紀(jì) 80 年代初的 20 美分下降到 2007 年的 4~6 美分。在風(fēng)能資源較好的地方，風(fēng)電價(jià)格完全可以和煤電競(jìng)爭(zhēng)，低于燃?xì)怆妰r(jià)。裝機(jī)容量高速增長(zhǎng)根據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會(huì)公布的 2003~2007 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全球風(fēng)電平均增長(zhǎng)率為 24.7%。到 2007 年年底，全球總裝機(jī)容量累計(jì)達(dá)到近 94GW，新增風(fēng)電裝機(jī)容量 20GW，分別在全球 70 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。2007 年全球大約生產(chǎn)了 2000 億度風(fēng)電電力，約占全球電力供應(yīng)的 1%。按照累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量數(shù)據(jù)排名，2007 年全球前十名的國(guó)家依次是德國(guó)、美國(guó)、西班牙、印度、中國(guó)、丹麥、意大利、法國(guó)、英國(guó)和葡萄牙。2008 年全球新裝機(jī)容量超過(guò) 27GW，同比增長(zhǎng) 42%，風(fēng)電裝機(jī)增長(zhǎng)率為 29%，高于過(guò)去 5 年的平均增長(zhǎng)速度。2008 年年底，總裝機(jī)容量達(dá)到了 120.8GW，美國(guó)超過(guò)德國(guó)，躍居全球風(fēng)電裝機(jī)容量首位，同時(shí)也成為第二個(gè)風(fēng)電裝機(jī)容量超過(guò) 20GW 的風(fēng)電大國(guó)。中國(guó)超過(guò)印度，成為亞洲第一、世界第四的風(fēng)電大國(guó)。到 2008 年年底，在世界風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量中，已有包括美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)、西班牙、印度等在內(nèi)的 16 個(gè)國(guó)家超過(guò) 1GW。在歐盟 2007 年新增發(fā)電裝機(jī)容量中，風(fēng)電開(kāi)始超過(guò)天然氣發(fā)電成為第一大新增電源，占新增容量的46%。歐洲 2008 年風(fēng)電新增裝機(jī)容量為 88GW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到了 66GW。美國(guó) 2007年新增的風(fēng)電裝機(jī)也僅次于天然氣發(fā)電，位居第二。2008 年內(nèi)美國(guó)竣工的風(fēng)電項(xiàng)目容量更是占當(dāng)年度美國(guó)所有新增電力裝機(jī)的 42%，新增裝機(jī)容量達(dá)到 8.34GW，同比增長(zhǎng)157%，累計(jì)增長(zhǎng) 49.6%，完成新增投資 170 億美元。風(fēng)電在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)逐步成為重要的替代能源。7發(fā)展規(guī)劃20 世紀(jì) 90 年代初，歐盟提出了大力發(fā)展風(fēng)電，到 2010 年風(fēng)電裝機(jī)容量到 40GW 的目標(biāo)，并要求其成員國(guó)根據(jù)總體發(fā)展規(guī)劃制訂本國(guó)的發(fā)展目標(biāo)與實(shí)施計(jì)劃。2007 年年初，根據(jù)技術(shù)發(fā)展和能源需求的需要，歐盟又進(jìn)一步修訂了發(fā)展計(jì)劃，希望 2010 年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 80GW；到 2020 年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 180GW，發(fā)電量達(dá)到 3600 億kW·h；2030 年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 300GW，發(fā)電量達(dá)到 6000×108kW·h，分別占屆時(shí)歐盟風(fēng)電裝機(jī)容量和發(fā)電量的 35%和 20%。2006 年，美國(guó)可再生能源理事會(huì)提出了將可再生能源的比例由目前的 4%左右，提高到 2025 年的 25%的發(fā)展目標(biāo)。美國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)也提出了未來(lái)依靠風(fēng)電滿(mǎn)足國(guó)內(nèi) 20%電力需求的宏偉目標(biāo)。英國(guó)、法國(guó)、加拿大、澳大利亞、日本和東歐的波蘭等國(guó)也開(kāi)始加速發(fā)展風(fēng)電。1.3.2 國(guó)內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀裝機(jī)容量2004 年年底，全國(guó)的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量約為 764MW。2005 年 2 月《可再生能源法》頒布之后，當(dāng)年風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)容量超過(guò) 60%，總?cè)萘窟_(dá)到了 1260GW。2006 年新增裝機(jī)容量超過(guò) 100%，累計(jì)裝機(jī)容量超過(guò) 2.6GW。2007 年又新增裝機(jī)容量 3.3GW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到 5.9GW，超過(guò)丹麥，成為世界第 5 風(fēng)電大國(guó)。當(dāng)年裝機(jī)容量?jī)H次于美國(guó)和西班牙，超過(guò)德國(guó)和印度，成為世界上最主要的風(fēng)電市場(chǎng)之一。風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量從2003 年年末的 567MW 增加到了 2008 年年末的 12.21GW，增加了 205 倍。2008 年新增裝機(jī)容量超過(guò)印度，成為亞洲第一、世界第四、風(fēng)電裝機(jī)容量超千萬(wàn)千瓦的風(fēng)電大國(guó)。2009 年新增裝機(jī)容量 13.85GW，累計(jì)裝機(jī)容量為 26GW，總裝機(jī)容量躍居世界第 2 位。風(fēng)電設(shè)備制造能力風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)發(fā)展迅猛。2005 年之前，我國(guó)只有少數(shù)幾家風(fēng)電設(shè)備制造商，它們規(guī)模小、技術(shù)落后，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)主要依賴(lài)進(jìn)口風(fēng)電整機(jī)。 《開(kāi)再生能源法》頒布后，風(fēng)電整機(jī)制造企業(yè)已超過(guò) 40 家。除金風(fēng)科技和浙江運(yùn)達(dá)加大投入、迅速擴(kuò)張之外，東方汽輪機(jī)、華銳風(fēng)電、中國(guó)船舶、通用電氣、湖南湘電、上海電氣、廣東明陽(yáng)、維斯塔斯、歌美颯、蘇司蘭、西門(mén)子等一批國(guó)內(nèi)外大型制造業(yè)和投資商紛紛進(jìn)入我國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)市場(chǎng)。風(fēng)電技術(shù)研發(fā)“九五”和“十五”期間，我國(guó)政府組織實(shí)施“乘風(fēng)計(jì)劃”和“國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃” ，以及國(guó)債項(xiàng)目和風(fēng)電特許權(quán)項(xiàng)目，支持建立了首批 6 家風(fēng)電整機(jī)企業(yè)，進(jìn)行風(fēng)電技術(shù)的引進(jìn)和消化吸收，部分企業(yè)掌握了單機(jī)容量 600kW 和 750 kW 定槳距風(fēng)電機(jī)組的總裝技術(shù)和關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，邁出了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的第一步?！笆濉逼陂g，還開(kāi)展了 1000 kW、1500 kW 變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，以及 1200 kW 永磁直8驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)與聯(lián)合攻關(guān)，取得階段性成果。經(jīng)過(guò)“十五”期間的自主研究和技術(shù)引進(jìn)，我國(guó)已基本掌握了以雙饋發(fā)電機(jī)為代表的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的控制技術(shù)，研制成功兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)。我國(guó)風(fēng)電技術(shù)與國(guó)外風(fēng)電技術(shù)的差距正在不斷縮小。1．4 國(guó)內(nèi)外風(fēng)電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)縱觀世界風(fēng)電技術(shù)現(xiàn)實(shí)和前沿技術(shù)的發(fā)展，目前全球風(fēng)電技術(shù)發(fā)展主要呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：1.4.1 產(chǎn)業(yè)集中是總的趁勢(shì)2009 年，世界排名前十位的風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)占據(jù)了全球 78.7％的市場(chǎng)份額，世界排名前十五位的風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)占據(jù)了全球 88.1％的市場(chǎng)份額，丹麥 VESTAS、美國(guó) GE WIND、中國(guó)華銳、德國(guó) ENERCON、中國(guó)金風(fēng)這前 5 家企業(yè)，就占據(jù)了國(guó)內(nèi)外49.8％市場(chǎng)份領(lǐng)。可以看出：世界風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)形成了由十多家大型風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)控制或壟斷的局面。近幾年，風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)之間的兼并、重組、收購(gòu)愈演愈烈。法國(guó)阿?，m集團(tuán)收購(gòu)-Multibrid；丹麥的 Vestas 公司兼并 NEG。Micon 公司；美國(guó) GE 公司收購(gòu)了德國(guó)安然風(fēng)電公司；Siemes 公司收購(gòu)了丹麥 AN/Bonus 和德國(guó) winergy AG 公司；印度Suzlon 公司控股了 Repower 公司；金風(fēng)科技收購(gòu)了德國(guó) Vensys 公司；湘電股份 1000萬(wàn)歐元收購(gòu)荷蘭達(dá)爾文公司；中復(fù)連眾收購(gòu)了德國(guó) NOI 公司；中航惠騰 2009 年收購(gòu)了荷蘭 CTC 葉片公司；美國(guó) GE 公司與哈電集團(tuán)合資成立了通用哈電風(fēng)能（沈陽(yáng)）公司和哈電通用風(fēng)能（江蘇）公司。此外，各大公司在主要市場(chǎng)集中地都建立了生產(chǎn)基地，一個(gè)大公司相當(dāng)于多個(gè)公司的集成。1.4.2 水平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)成為主流水平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)，因其具有風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)軸較短，在大型風(fēng)電機(jī)組上更顯出經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，使水平軸風(fēng)電機(jī)組成為世界風(fēng)電發(fā)展的主流機(jī)型，并占到 95％以上的市場(chǎng)份額。同期發(fā)展的垂直軸風(fēng)電機(jī)組因轉(zhuǎn)軸過(guò)長(zhǎng)、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率不高，啟動(dòng)、停機(jī)和變槳困難等問(wèn)題，目前市場(chǎng)份額很小、應(yīng)用數(shù)量有限，但由于其全風(fēng)向?qū)︼L(fēng)、變速裝置及發(fā)電機(jī)可以置于風(fēng)輪下方或地面等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，國(guó)際上相關(guān)研究和開(kāi)發(fā)也在不斷進(jìn)行并取得一定進(jìn)展。1.4.3 風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量持續(xù)增大近年來(lái)，世界風(fēng)電市場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量持續(xù)增大，隨著單機(jī)容量不斷增大和利用效率提高，世界上主流機(jī)型已經(jīng)從 2000 年的 500-1000kW 增加到 2009 年的 2-31VM。我國(guó)主流機(jī)型已經(jīng)從 2005 年的 600-1000kW 增加到 2009 年的 850-2000kW， 9控制與安全系統(tǒng)一次能源轉(zhuǎn)換單元 機(jī)械能傳遞單元 發(fā)電單元2009 年我國(guó)陸地風(fēng)電場(chǎng)安裝的最大風(fēng)電機(jī)組為 2MW。近年來(lái)，海上風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)一步加快了大容量風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展，2008 年底世界上已運(yùn)行的最大風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量已達(dá)到 6MW，風(fēng)輪直徑達(dá)到 127m。目前，已經(jīng)開(kāi)始8-10MW 風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造。我國(guó)華銳風(fēng)電的 3MW 海上風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)在上海東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)成功投入運(yùn)行， 5MW 海上風(fēng)電機(jī)組已在 2010 年 10 月底下線(xiàn)。目前，華銳、金風(fēng)、東汽、國(guó)電聯(lián)合、湖南湘電、重慶海裝等公司都在研制 5MW 或 6MW 的大容量風(fēng)電機(jī)組。2. 發(fā)電機(jī)的工作原理及基本結(jié)構(gòu)2．1 風(fēng)電機(jī)的功能單元的劃分風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種復(fù)雜的機(jī)電一體化設(shè)備。從能量轉(zhuǎn)換角度看，此類(lèi)設(shè)備大致包括 2-1 所示的幾個(gè)功能單元。其中，一次能源轉(zhuǎn)換單元的主要功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能；機(jī)械能傳遞單元的主要作用是傳動(dòng)與制動(dòng)；發(fā)電單元將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，同時(shí)提供必要的并網(wǎng)發(fā)電功能；控制與安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)起、停機(jī)和發(fā)電等運(yùn)行過(guò)程的控制，并保證風(fēng)電機(jī)在任何狀態(tài)下的安全性。圖 2-1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本功能構(gòu)成 （1）一次能源轉(zhuǎn)換單元風(fēng)能是風(fēng)力發(fā)電的一次能源，相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換單元是風(fēng)電機(jī)組的核心部分，包括風(fēng)輪、功率控制（調(diào)速）等部件。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換單元的關(guān)鍵部件，一般由良好的空氣動(dòng)力外形的葉片、輪轂和相應(yīng)的功率控制機(jī)構(gòu)組成。一次能源轉(zhuǎn)換單元的主要功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能（轉(zhuǎn)矩） ，再通過(guò)風(fēng)輪軸驅(qū)動(dòng)與之連接的機(jī)械能傳遞單元和發(fā)電單元。（2）機(jī)械能傳遞單元機(jī)械能傳遞單元也可簡(jiǎn)稱(chēng)為風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈，連接風(fēng)電機(jī)組的一次能源轉(zhuǎn)換單10元與發(fā)電單元，使之組成發(fā)電系統(tǒng)。該單元一般包括與風(fēng)輪輪轂相連接的主軸、傳動(dòng)和制動(dòng)機(jī)構(gòu)等。一般大型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速較低，需要根據(jù)發(fā)電單元的要求，通過(guò)傳動(dòng)鏈按一定的速比傳遞風(fēng)輪產(chǎn)生的扭矩，使輸入發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電單元的需要。同時(shí)，機(jī)械能傳遞單元還要設(shè)置可靠的制動(dòng)機(jī)構(gòu)，以保證風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。（3）發(fā)電單元發(fā)電單元一般由發(fā)電機(jī)和必要的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)成。并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電單元可采用異步發(fā)電機(jī)或同步發(fā)電機(jī)，將風(fēng)輪產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電單元配置的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，應(yīng)能夠滿(mǎn)足并網(wǎng)或其他形式發(fā)電的需求。（4）控制與安全系統(tǒng)該系統(tǒng)主要功能可分為風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)兩部分：大型風(fēng)電機(jī)組需要自動(dòng)控制，既能夠在無(wú)人值守的條件下，保證風(fēng)電機(jī)組的正常和安全運(yùn)行；同時(shí)又要保證風(fēng)電機(jī)組在非正常情況發(fā)生時(shí)能可靠的停機(jī)，以預(yù)防或減輕損失。此外，風(fēng)電機(jī)組還需要有上述功能部件或子系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，如機(jī)艙、塔架等；多數(shù)風(fēng)電機(jī)組需要設(shè)置對(duì)風(fēng)（也稱(chēng)偏航）裝置，以保證風(fēng)輪能夠更好的獲取風(fēng)能。2．2 風(fēng)電機(jī)組的工作原理在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，存在著兩種物質(zhì)流。一種是能量流，另一種是信息流。兩者的相互作用，使機(jī)組完成發(fā)電功能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理如圖 2-2 所示。電網(wǎng)變壓器 風(fēng) M 1 ?1 M2 ?2 P3 轉(zhuǎn)速測(cè)量風(fēng)力發(fā)電機(jī) 調(diào)速風(fēng)速、風(fēng)向 功率測(cè)量控制系統(tǒng)偏航系統(tǒng)主傳動(dòng)系統(tǒng) 制動(dòng)裝置 發(fā)電系統(tǒng)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)變槳距系統(tǒng)11圖 2-2 風(fēng)電機(jī)的工作原理1． 能量流當(dāng)風(fēng)以一定的速度吹向風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，在風(fēng)輪上產(chǎn)生的力矩驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。將風(fēng)的動(dòng)能變成風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能，兩者都屬于機(jī)械能。風(fēng)輪的輸出功率為（2-1）11PM?=式中 P 1——風(fēng)輪的輸出功率，單位為 W；M1——風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為 N·m；?1——風(fēng)輪的角速度，單位為 1/s.風(fēng)輪的輸出功率通過(guò)主傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞。主傳動(dòng)系統(tǒng)可能使轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，于是有（2-2）2211P== M?h式中 P 2——主傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率，單位為 W；M2——主傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為 N·m；?2——主傳動(dòng)系統(tǒng)的角速度，單位為 1/s；1h——主傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率。主傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳遞給發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)把機(jī)械能變?yōu)殡娔?。發(fā)電機(jī)的輸出功率為（2-3）3 2cosNNPUIPj==h式中 P 3——發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，單位是 W；UN——定子三相繞組上的線(xiàn)電壓，單位是 V；IN——流過(guò)定子繞組線(xiàn)電流，單位是 A；cos ——功率因數(shù)；jh2——發(fā)電系統(tǒng)的總效率。2． 信息流信息流的傳遞是圍繞控制系統(tǒng)進(jìn)行的?？刂葡到y(tǒng)的功能是過(guò)程控制和安全保護(hù)。過(guò)程控制包括起動(dòng)、運(yùn)行、暫停、停止等。在出現(xiàn)惡劣的外部環(huán)境和機(jī)組零部件突然12失效時(shí)應(yīng)該緊急停機(jī)。風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、發(fā)電功率等物理量通過(guò)傳感器變成電信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，它們是控制系統(tǒng)的輸入信息?？刂葡到y(tǒng)隨時(shí)對(duì)輸入信息進(jìn)行加工和比較，及時(shí)的發(fā)出控制指令，這些指令是控制系統(tǒng)的輸出信息。對(duì)于變槳距風(fēng)向，當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出變槳距指令，通過(guò)變槳距系統(tǒng)改變風(fēng)輪葉片的槳距角，從而控制風(fēng)電機(jī)組輸出功率。在起動(dòng)和停止的過(guò)程中，也需要改變?nèi)~片的槳距角。對(duì)于變速型風(fēng)機(jī)，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，控制系統(tǒng)可以根據(jù)風(fēng)的大小發(fā)出改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的指令，以便使風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大限度的捕獲風(fēng)能。當(dāng)風(fēng)輪的軸向和風(fēng)向偏離時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出偏航指令，通過(guò)偏航系統(tǒng)校正風(fēng)輪軸的指向，使風(fēng)輪始終對(duì)準(zhǔn)來(lái)風(fēng)方向。當(dāng)需要停機(jī)時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)指令，除了借助變槳距制動(dòng)外，還可以通過(guò)安裝在傳動(dòng)軸上的制動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。實(shí)際上，在風(fēng)電機(jī)組中，能量流和信息流組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時(shí)，變槳距系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)等也組成了若干閉環(huán)的子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈的基本結(jié)構(gòu)及三維建模2.3.1 主軸主軸也稱(chēng)低速軸。大中型風(fēng)力電機(jī)組由于其葉片長(zhǎng)、重量大，所以為了使槳葉的離心力與葉尖的線(xiàn)速度不至于太大，其轉(zhuǎn)速一般小于 50r/min，因此，主軸承受的扭矩較大。大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸材料可選用 40Cr 或其他高強(qiáng)度的合金鋼，必須經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，保證鋼材在強(qiáng)度、塑性、韌性 3 個(gè)方面都有較好的綜合機(jī)械性能，在設(shè)計(jì)加工圖時(shí)，必須注明這一技術(shù)要求。主軸如圖 2-5 所示圖 2-3 主軸示意圖132.3.2 齒輪箱齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中關(guān)鍵零部件。齒輪箱由齒輪副、箱體和軸承、密封裝置、潤(rùn)滑油凈化和溫控系統(tǒng)等組成，由于風(fēng)力機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速下，為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)匹配，采用增速齒輪箱。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，對(duì)齒輪箱的要求非常嚴(yán)格，不僅體積小、重量輕、效率高，而且要承載能力大、起動(dòng)力矩小、壽命長(zhǎng)。齒輪箱分為兩類(lèi)，即定軸線(xiàn)齒輪傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)。定軸線(xiàn)齒輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，造價(jià)低廉。行星齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)比大、體積小、質(zhì)量小、承載能力大、工作平穩(wěn)和在某些情況下效率高等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，造價(jià)高。 如圖 2-6所示。圖 2-4 齒輪箱整體圖3. 風(fēng)電發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈主要零件的設(shè)計(jì)計(jì)算風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)所涉及的學(xué)科領(lǐng)域和專(zhuān)業(yè)知識(shí)較多，而系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)技術(shù)積累和豐富的設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是保證大型風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)質(zhì)量的必備條件。3．1 確定設(shè)計(jì)目標(biāo)與所有大型裝備的設(shè)計(jì)相似，首先需要明確所設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)目標(biāo)。比如，并網(wǎng)大功率機(jī)組與偏僻地區(qū)的小型單機(jī)設(shè)計(jì)需求明顯不同。因此，針對(duì)設(shè)計(jì)需求，應(yīng)考慮合理的機(jī)組功能構(gòu)成、電機(jī)類(lèi)型、控制方式、運(yùn)輸和安裝方式等影響機(jī)組性能指標(biāo)的主要因素。例如 ， 陸上風(fēng)電場(chǎng)所需的大型機(jī)組通常額定功率范圍為 500-2MW ，便于運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行和維修。近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境（如風(fēng)況、波浪和鹽霧等 ） 、安裝條件等與陸上有很大差別，基礎(chǔ)和運(yùn)輸方式需要重點(diǎn)考慮。此外，檢修、14維護(hù)不便，對(duì)可靠性有更高的要求。3.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體設(shè)計(jì)方案風(fēng)電機(jī)組是比較復(fù)雜的機(jī)電裝備,且要求較好的性?xún)r(jià)比。總體設(shè)計(jì)是平衡這些關(guān)系的重要設(shè)計(jì)過(guò)程 ， 在某種意義上來(lái)說(shuō) ，總體設(shè)計(jì)可以決定整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的成敗 。由于風(fēng)電機(jī)組由多個(gè)功能子系統(tǒng)組成 ，機(jī)組總體設(shè)計(jì)與各部件或子系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)密切相關(guān) ，以針對(duì)風(fēng)輪部件的總體設(shè)計(jì)為例 ，就包括了葉片參數(shù)、氣動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、制造工藝與成本等多方面的設(shè)計(jì)內(nèi)容，而這些設(shè)計(jì)目標(biāo)很難同時(shí)達(dá)到，需要權(quán)衡各方的比重，選擇優(yōu)化的方案。有鑒于低成本與高可靠性是現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組發(fā)展的主要?jiǎng)恿脱芯繜狳c(diǎn) ，如何根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，在這些復(fù)雜因素之間取得平衡關(guān)系，滿(mǎn)足盡可能高的設(shè)備性?xún)r(jià)比要求，是風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。以下簡(jiǎn)要介紹風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)的主要任務(wù)與大致步驟:（1）風(fēng)電機(jī)總體設(shè)計(jì)方案1 ）總體氣動(dòng)布局方案設(shè)計(jì)隨著風(fēng)電機(jī)單機(jī)功率的增大，系統(tǒng)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)逐漸成為風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)重要方面。此階段的任務(wù)主要包括對(duì)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)況分析，有針對(duì)性地對(duì)各類(lèi)可行的功能構(gòu)成形式和氣動(dòng)布局方案進(jìn)行比較和選擇，并結(jié)合機(jī)組性能和氣動(dòng)特性的分析和仿真技術(shù)，初步確定整機(jī)的和各主要部件（子系統(tǒng)）的基本形式，并提交有關(guān)的分析計(jì)算報(bào)告。2 ）風(fēng)電機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)設(shè)計(jì)前須首先確定總體參數(shù)，如風(fēng)輪運(yùn)行參數(shù)、葉片參數(shù)、設(shè)計(jì)風(fēng)速、尖速比、翼型分布及其氣動(dòng)性能等，總體參數(shù)設(shè)計(jì)的基本要求是發(fā)電成本最低、機(jī)組載荷最小，發(fā)電量多且滿(mǎn)足電源品質(zhì)要求。3 ）風(fēng)電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)此階段是需要從風(fēng)電機(jī)的總體功能角度出發(fā)，分析各部件、子系統(tǒng)、附件和設(shè)備的布置形式與技術(shù)要求，開(kāi)展對(duì)各部件和子系統(tǒng)的技術(shù)組成、原理分析、結(jié)構(gòu)形式和功能參數(shù)選擇等工作。同時(shí)需要對(duì)整機(jī)的結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件布置、承載形式和傳力路線(xiàn)進(jìn)行分析，選擇合理的設(shè)計(jì)分離面和接口形式，以便明確劃分各部件設(shè)計(jì)界面，保證總體設(shè)計(jì)的質(zhì)量。4）載荷分析與風(fēng)電機(jī)組基本性能的預(yù)評(píng)估在設(shè)計(jì)初期，必須對(duì)載荷作預(yù)評(píng)估，以準(zhǔn)確確定風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能夠承受正常運(yùn)行中的任何載荷，同時(shí)也具備一定的承受極端載荷的能力。最重要的載荷產(chǎn)生于風(fēng)輪及其葉片，且風(fēng)輪上的任何載荷都會(huì)對(duì)其他子系統(tǒng)產(chǎn)生影響。該階段要注意查閱并依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合具體的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況要求，對(duì)所有載荷都應(yīng)予以仔細(xì)分析評(píng)估。155）各部件和子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案根據(jù)整機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案，開(kāi)展包括對(duì)各部件和系統(tǒng)的要求、組成、原理分析、結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)及附件的選擇等設(shè)計(jì)工作。設(shè)計(jì)有關(guān)部件的結(jié)構(gòu)方案模型圖和有關(guān)系統(tǒng)的原理圖，并編寫(xiě)有關(guān)的報(bào)告和技術(shù)說(shuō)明。6）配套附件選擇和確定整機(jī)配套附件和備件等設(shè)備，對(duì)新研制的部件要確定技術(shù)要求和協(xié)作關(guān)系。提交協(xié)作及采購(gòu)清單等有關(guān)文件?？傮w設(shè)計(jì)階段將解決全局性的重大問(wèn)題，必須精心和慎重的進(jìn)行，要盡可能充分利用已有的經(jīng)驗(yàn)，以求總體設(shè)計(jì)階段中的重大決策建立在可靠的理論分析和試驗(yàn)基礎(chǔ)上，避免以后出現(xiàn)不應(yīng)有的重大反復(fù)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的失誤和延期。上述總體設(shè)計(jì)的各階段屬于靜態(tài)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果是：風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)方案圖、總體布置圖和設(shè)計(jì)計(jì)算報(bào)告、風(fēng)電機(jī)性能分析與載荷初步分析報(bào)告、各部件和子系統(tǒng)的初步技術(shù)要求與設(shè)計(jì)示意圖、系統(tǒng)原理圖。（2）風(fēng)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析在初步完成風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步對(duì)風(fēng)電機(jī)組動(dòng)特性進(jìn)行詳細(xì)的分析。動(dòng)特性分析屬于風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究范疇，主要涉及動(dòng)載荷分析、振動(dòng)及結(jié)構(gòu)動(dòng)特性分析等方面的內(nèi)容。1）動(dòng)載荷問(wèn)題作用于風(fēng)輪葉片上的周期性氣動(dòng)和機(jī)械載荷會(huì)引起葉片等構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而此響應(yīng)反饋于外部氣動(dòng)負(fù)荷。因此，這實(shí)質(zhì)上是一種流固耦合響應(yīng)問(wèn)題，對(duì)風(fēng)輪等零部件的疲勞會(huì)產(chǎn)生影響。同時(shí)，葉片等構(gòu)件的動(dòng)負(fù)載將合成為風(fēng)輪的動(dòng)負(fù)載，也是風(fēng)電機(jī)振動(dòng)的主要振源。2）振動(dòng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中，始終存在持續(xù)的周期性的振動(dòng)，風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)及其支撐結(jié)構(gòu)等零部件的設(shè)計(jì)都必須考慮振動(dòng)問(wèn)題。振動(dòng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)的損傷或破壞，影響設(shè)備的可靠性和可用性。3）穩(wěn)定性風(fēng)電機(jī)組載荷存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，可能會(huì)導(dǎo)致各種動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題的產(chǎn)生。在風(fēng)電機(jī)組發(fā)展史上，運(yùn)行中風(fēng)輪與其他機(jī)體耦合的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性問(wèn)題造成了許多嚴(yán)重的后果。風(fēng)輪的動(dòng)力不穩(wěn)定性，包括變距/揮舞不穩(wěn)定性（經(jīng)典顫振） 、變距/擺振不穩(wěn)定性及揮舞/擺振不穩(wěn)定性等。（3）風(fēng)電機(jī)組的可靠性設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組可靠性量化指標(biāo)，通常以其可利用率來(lái)度量。此種量化指標(biāo)屬于廣義可靠性范疇，因其同時(shí)包括了風(fēng)電機(jī)組可靠性和可維修性等方面的內(nèi)容。因此，可利用16率實(shí)際上是一種反應(yīng)風(fēng)電機(jī)組固有可靠性和運(yùn)行管理可靠性的綜合度量指標(biāo)。3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈零件設(shè)計(jì)方案（1）風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈部件結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)根據(jù)確定的總體傳動(dòng)布局、總體技術(shù)參數(shù)、設(shè)計(jì)載荷以及風(fēng)電機(jī)傳動(dòng)鏈組的初步結(jié)構(gòu)方案，開(kāi)展子系統(tǒng)和部件具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。這些子系統(tǒng)或主要的部件有：包括主軸、聯(lián)軸器、齒輪箱、制動(dòng)裝置（2）設(shè)計(jì)準(zhǔn)則風(fēng)電機(jī)組的零部件很多，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，參照合理的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)與校核。其中，有些部件（或構(gòu)件）應(yīng)采用剛度設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核的準(zhǔn)則；有些則應(yīng)首先考慮強(qiáng)度要求，并進(jìn)行必要的剛度分析。（3）零部件強(qiáng)度與剛度分析1）結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則是在極端載荷作用下，保證構(gòu)件的應(yīng)力不超過(guò)材料許用應(yīng)力，避免發(fā)生靜載破壞。對(duì)于載荷的波動(dòng)情況，一般需要通過(guò)增加許用安全系數(shù)加以解決。2）構(gòu)件剛度分析構(gòu)件剛度一般是指其抵抗變形的能力，包括在動(dòng)載荷和靜載荷作用的剛度。實(shí)際上，構(gòu)件的剛度分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)有密切聯(lián)系，應(yīng)根據(jù)主要構(gòu)件的具體工況條件和設(shè)計(jì)要求，考慮合理的剛度指標(biāo)，并結(jié)合強(qiáng)度分析使設(shè)計(jì)達(dá)到優(yōu)化。3）結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)疲勞破壞是影響承受交變載荷構(gòu)件的設(shè)計(jì)壽命的主要失效形式之一。有鑒于風(fēng)電機(jī)組的循環(huán)和隨機(jī)載荷作用條件，許多構(gòu)件容易發(fā)生疲勞失效。因此，需要詳細(xì)分析主要零部件在風(fēng)電機(jī)組壽命期內(nèi)的循環(huán)應(yīng)力值和循環(huán)次數(shù)。4）零部件的工程詳圖設(shè)計(jì)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組總體與部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，可以開(kāi)展風(fēng)電機(jī)組的工程詳圖設(shè)計(jì)根據(jù)主要構(gòu)件的具體工作。設(shè)計(jì)中需要解決設(shè)備總體和零部件的裝配、加工等具體技術(shù)問(wèn)題，提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)技術(shù)文件，形成設(shè)備制造工程的基礎(chǔ)。4.風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器的設(shè)計(jì)計(jì)算傳動(dòng)裝置是大多數(shù)機(jī)器的主要組成部分。傳動(dòng)件及傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)是否合理、 制造和裝配質(zhì)量是否符合要求，將成為決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。傳動(dòng)可以分為機(jī)械傳動(dòng)、流體傳動(dòng)和電傳動(dòng)三類(lèi)。而機(jī)械傳動(dòng)按其工作原理分為嚙合傳動(dòng)與摩擦傳動(dòng)，具體分為鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)四類(lèi)。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)特點(diǎn)和工作環(huán)境17要求，一般均選擇齒輪傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要、應(yīng)用最廣泛的一種傳動(dòng)形式。其主要優(yōu)點(diǎn)是：具有瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定、可靠性高、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)緊湊。齒輪傳動(dòng)分為開(kāi)式、半開(kāi)式和閉式三種傳動(dòng)方式。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作環(huán)境惡劣，一般采用閉式傳動(dòng)以滿(mǎn)足潤(rùn)滑要求。增速器是指安裝在原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)之問(wèn)獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置，用于增加轉(zhuǎn)速應(yīng)相應(yīng)減小轉(zhuǎn)矩。增速器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，它承擔(dān)了調(diào)速、改變運(yùn)動(dòng)形式、動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的傳遞和分配等功能?？紤]到風(fēng)力發(fā)電機(jī)要求傳動(dòng)比大、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高等特點(diǎn)，本文采用兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)加一級(jí)平行軸斜齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式。4.1 傳動(dòng)方案的確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的種類(lèi)很多，按照傳統(tǒng)類(lèi)型可分為圓柱齒輪箱、行星齒輪箱以及它們互相組合起來(lái)的齒輪箱；按照傳動(dòng)的級(jí)數(shù)可分為單級(jí)和多級(jí)齒輪箱；按照傳動(dòng)的布置形式又可分為展開(kāi)式、分流式和同軸式以及混合式等。常用齒輪箱形式及其特點(diǎn)和應(yīng)用見(jiàn)表 3-7。表 4-1 常用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速箱的形式和應(yīng)用傳遞形式 傳動(dòng)簡(jiǎn)圖 推薦傳動(dòng)比 特點(diǎn)及應(yīng)用展開(kāi)式128~60i=結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但齒輪箱對(duì)于軸承的位置不對(duì)稱(chēng)，因此要求軸有較大剛度。高速級(jí)齒輪布置在原理轉(zhuǎn)矩輸入端，這樣，軸在轉(zhuǎn)矩作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形可部分抵消，以減緩沿齒寬載荷分布不均現(xiàn)象，用于載荷比較平緩場(chǎng)合。高速級(jí)一般做成斜齒，低速級(jí)可做成直齒兩級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)分流式128~60i=結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但由于齒輪箱對(duì)于軸承對(duì)稱(chēng)布置，與展開(kāi)式相比載荷沿齒寬分布均勻、軸承受載較均勻，中間軸危險(xiǎn)截面上的轉(zhuǎn)矩只相當(dāng)于軸所傳遞轉(zhuǎn)矩的一半，適用于變載荷的場(chǎng)合。高速級(jí)一般用斜齒，低速級(jí)可用直齒或人字齒18同軸式128~60i=減速器橫向尺寸較小，兩對(duì)齒輪浸入油中深度大致相同，但軸向尺寸和重量較大，且中間軸較長(zhǎng)、剛度差，使沿齒寬載荷分布不均勻，高速軸的承載能力難于充分利用同軸分流式128~60i=每對(duì)嚙合齒輪僅傳遞全部載荷的一半，輸入軸和輸出軸只承受轉(zhuǎn)矩，中間軸只受全部載荷的一半，故與傳遞同樣功率的其他減速器相比，軸頸尺寸可以縮小1500kw 風(fēng)電增速箱由于功率大，大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，通常采用功率分流的行星傳動(dòng)。常見(jiàn)結(jié)構(gòu)有：兩級(jí)平行軸加一級(jí)行星和一級(jí)平行軸加兩級(jí)級(jí)行星傳動(dòng)兩種形式。本文采用的是平行軸與行星輪系混合式齒輪箱。4.2 增速器基本設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)步驟增速器齒輪箱的主要設(shè)計(jì)要求如表 4-2 所示。額定功率 1500kW增速比 52-72輸出轉(zhuǎn)速 1400-1600r/min輸入轉(zhuǎn)速 24-35r/min分度圓壓力角 20°模數(shù) 5-15表 4-2 原始設(shè)計(jì)要求增速器設(shè)計(jì)步驟：(1)根據(jù)傳動(dòng)裝置的使用要求及工作特點(diǎn)確定傳動(dòng)形式為行星齒輪傳動(dòng)。 (2)確定行星傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式和選擇傳動(dòng)方案。(3)根據(jù)選定的電機(jī)的輸入速度和經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)減速后的輸出速度，確定出這個(gè)減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比范圍。輸入轉(zhuǎn)度：27.854rpm增速機(jī)構(gòu)增速后的輸出速度：1544.1rpm 15435278i=根據(jù)減速裝置的用途和工作特點(diǎn)，傳動(dòng)形式定位兩級(jí)定軸傳動(dòng)+單級(jí)行星傳動(dòng)，行星傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式確定為：?jiǎn)渭?jí) 2K-H（NWG）型行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。確保其穩(wěn)定性，行星輪數(shù)目為 3，其傳動(dòng)比范圍為： 。由此，初定傳動(dòng)比分配情況如下：1.~65i19第一級(jí)行星傳動(dòng)： =2.95451i第二級(jí)行星傳動(dòng)： =3.63152第三級(jí)定軸傳動(dòng)： =5.16673i4.3 傳動(dòng)原理圖目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的增速箱主要采用 2K—H(KGW)型行星傳動(dòng)，行星架為輸入端，太陽(yáng)輪為輸入端。其具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)行星架采用焊接結(jié)構(gòu)，工藝簡(jiǎn)單，重量較輕。(2)動(dòng)力由行星輪系系桿輸入，剛性好，符合風(fēng)力發(fā)電機(jī)受力大、轉(zhuǎn)矩大的特點(diǎn)。(3)高速級(jí)和低速級(jí)分別采用行星架浮動(dòng)和太陽(yáng)輪浮動(dòng)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)更加的緊湊，均載效果好?？紤]到 1500kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)大功率，結(jié)構(gòu)緊湊、高可靠性等特點(diǎn)，本文采用的傳動(dòng)形式如圖 4-1圖 4-1 1500kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速箱傳動(dòng)簡(jiǎn)圖增速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分為三級(jí)，第一級(jí)為行星輪系，第一級(jí)行星架為輸入端，由第一級(jí)太陽(yáng)輪傳遞至第二級(jí)行星齒輪平行軸輪系傳動(dòng)；第三級(jí)采直齒輪傳動(dòng)，直接與電機(jī)相聯(lián)。此傳動(dòng)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)低速級(jí)為行星傳動(dòng)，效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳遞功率范圍大，成功實(shí)現(xiàn)了功率分流，軸向尺寸小，采用行星輪浮動(dòng)，均載效果好，實(shí)現(xiàn)了大傳動(dòng)比；(2)高速級(jí)為平行軸圓柱直齒輪傳動(dòng)，合理分配了傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)輸出，降低了振動(dòng)。204.4 增速器各傳動(dòng)部件的材料及力學(xué)性能由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有工作環(huán)境惡劣、受力情況復(fù)雜等特點(diǎn)。因此，與一般傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，除了要滿(mǎn)足機(jī)械強(qiáng)度條件外，還應(yīng)滿(mǎn)足極端溫差條件下的一些機(jī)械特性，如低溫抗脆性、低膨脹收縮率等。對(duì)于傳動(dòng)部件而言，一般情況下不采用分體式結(jié)構(gòu)或者焊接結(jié)構(gòu)，齒輪毛坯盡可能采用輪輻輪緣整體鍛件形式以提高承載能力。齒輪采用優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛造制取毛坯己獲得良好的力學(xué)特性。表 3-9 列出本文所設(shè)計(jì)的增速器各傳動(dòng)部件的材料及力學(xué)性能。表 4-3 各傳動(dòng)部件材料及力學(xué)性能傳動(dòng)件 材料 熱處理接觸強(qiáng)度（MPa）彎曲強(qiáng)度（MPa）加工精度太陽(yáng)輪行星輪20CrMnTi滲碳淬火，齒面硬度56≥60HRC1500 480磨齒 5級(jí)內(nèi)齒圈 42CrMn調(diào)質(zhì)，齒面硬度HBS≥260720 320插齒 6級(jí)直齒輪 20CrMnTi滲碳淬火，齒面硬度 56≥60HRC1500 480磨齒 5級(jí)4.5 第一級(jí)行星輪系傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算齒輪基本參數(shù)根據(jù)初定條件即baHwiZCn′=5.1674aZC′=盡可能取質(zhì)數(shù)， 則24a315.67bbaHaZi=+計(jì)算 ：bZ)1(?????iNbaHaWBC21計(jì)算并初選 ：cZ38)(21????Zab初選 27c=預(yù)計(jì)嚙合角 00accb??￠￠=校驗(yàn)行星輪齒裝配條件：同心條件為了保證中心輪和行星架軸線(xiàn)重合，各對(duì)嚙合齒輪間的中心距必須相等。而對(duì)于角度變位傳動(dòng)，應(yīng)為 ????cosbatctZZ裝配條件由于各行星輪必須均布于中心齒輪之間。為此，各齒輪齒數(shù)與行星輪個(gè)數(shù) 必須滿(mǎn)足裝配條件，否則，會(huì)出現(xiàn)行星齒輪無(wú)法裝配的情況。單排 2K-H 行星傳動(dòng)的裝配條件為：兩中心輪的齒數(shù)之和應(yīng)為行星輪數(shù)目的整數(shù)倍。即 （整數(shù)）acwZCn+=鄰接條件保證相鄰兩行星輪的齒頂不相碰即 dacwa?180sin2根據(jù)以上條件，初選模數(shù)為 10mm，按照技術(shù)要求查閱相關(guān)手冊(cè)，確定第一級(jí)行星輪系具體參數(shù)如表 3-10。表 4-4 第一級(jí)行星輪系參數(shù)齒數(shù) 模數(shù) 變位系數(shù) 齒頂圓 齒根圓 分度圓 螺旋角中心輪 24 10 0 260 215 240 0°第一級(jí)行星輪 38 10 0 400 355 380 0°22內(nèi)齒圈 100 10 0 980 1025 1000 0°4.6 第二級(jí)行星輪系傳動(dòng)設(shè)計(jì)裝配條件與第一級(jí)行星輪系相同。按照技術(shù)要求查閱相關(guān)手冊(cè)，確定第二級(jí)行星輪系的參數(shù)，具體參數(shù)如表 3-11 所示。表 4-5 第二級(jí)行星輪系傳動(dòng)設(shè)計(jì)齒數(shù) 模數(shù) 變位系數(shù) 齒頂圓 齒根圓 分度圓 螺旋角中心輪 24 10 0 360 315 240 0°行星輪 36 10 0 500 455 380 0°第二級(jí)內(nèi)齒圈 120 10 0 1080 1225 1000 0°4.7 第三級(jí)平行軸圓柱直齒輪設(shè)計(jì)齒數(shù)分配如下：=70 =33具體參數(shù)如表 3-12。表 4-6 第三級(jí)平行軸直齒輪參數(shù)齒數(shù) 模數(shù) 變位系數(shù) 齒頂圓 齒根圓 分度圓 螺旋角直齒輪一 65 6 0 302 285 290 0°第三級(jí)直齒輪二 22 6 0 144 117 132 0°標(biāo)準(zhǔn)中心距 a=422mm4.8 行星齒輪具體結(jié)構(gòu)的確定太陽(yáng)輪的結(jié)構(gòu) 為便于軸與齒輪之間的連接，本文將太陽(yáng)輪制成齒輪軸的形式，并利用鼓形漸開(kāi)線(xiàn)花鍵實(shí)現(xiàn)與上一級(jí)行星架的連接，可使中心輪在一定范圍內(nèi)輕微擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)均載。23圖 4-2 太陽(yáng)輪機(jī)構(gòu)太陽(yáng)輪的結(jié)構(gòu)如圖 3-5 所示行星輪的結(jié)構(gòu)由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)比較大，故本文中采取軸承安裝在行星齒輪軸孔內(nèi)的方式，以減小傳動(dòng)的軸向尺寸，并使裝配結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。當(dāng)一般壁厚度 3m（m 為模數(shù)）時(shí)，為改善軸承受力情況，應(yīng)使行星輪孔內(nèi)兩個(gè)軸承之間的距離最大，這樣的裝配形式也可使載荷沿齒寬方向分布均勻。在行星輪孔內(nèi)裝一個(gè)雙列調(diào)心滾子軸承也可以減小載荷沿齒寬分布的不均勻性。由于行星輪載荷較大，本文中采用了安裝兩個(gè)雙列調(diào)心滾子軸承的方式，行星輪結(jié)構(gòu)如圖 3-6。圖 4-3 行星輪結(jié)構(gòu)行星架的結(jié)構(gòu)行星架是行星傳動(dòng)中結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的一個(gè)重要零件。常用行星架有雙臂整體式、雙臂分離式和單臂式三種。毛坯一般采用鑄造、鍛造和焊接等方法。本設(shè)計(jì)中采用了雙臂整體式，毛坯選用鑄鋼材料 ZG340—640，這種結(jié)構(gòu)具有良好剛性。5 主軸制動(dòng)系統(tǒng)的研究5.1 制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式選擇 機(jī)械制動(dòng)在工作中是一種減慢旋轉(zhuǎn)負(fù)載的制動(dòng)裝置。通常使用的機(jī)械制動(dòng)器的分類(lèi)如下。根據(jù)作用方式可以將機(jī)械制動(dòng)分為氣功、液壓、電液、電磁和手動(dòng)等形式。24按工作狀態(tài)制動(dòng)器又可分為常閉式和常開(kāi)式。常開(kāi)式制動(dòng)器只有在施加外力時(shí) 才能改變其松閘狀態(tài)，使其緊閘。與此相反，常閉式制動(dòng)器靠彈簧力的作用經(jīng)常處于緊閘狀態(tài)，運(yùn)行時(shí)，需要再施加外力使制動(dòng)器松閘。為保證安全制動(dòng)，風(fēng)機(jī)機(jī)組一般選常閉式制動(dòng)器。摩擦式制動(dòng)器按其摩擦副的幾何形狀可分為鼓式、盤(pán)式和帶式，以鼓式、盤(pán)式制動(dòng)器應(yīng)用最廣泛。鼓式、盤(pán)式制動(dòng)器的分類(lèi)如下所示。5.1.1 鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式鼓式制動(dòng)器是最早形式的汽車(chē)制動(dòng)器，當(dāng)盤(pán)式制動(dòng)器還沒(méi)有出現(xiàn)前，它已經(jīng)廣泛25用干各類(lèi)汽車(chē)上與風(fēng)力發(fā)電組的主軸上制動(dòng)。鼓式制動(dòng)器又分為內(nèi)張型鼓式制動(dòng)器和外束型鼓式制動(dòng)器兩種結(jié)構(gòu)型式。內(nèi)張型鼓式制動(dòng)器的摩擦元件是一對(duì)帶有圓弧形摩擦蹄片的制動(dòng)蹄，后者則安裝在制動(dòng)底板上，而制動(dòng)底板則緊固在前橋的前梁或后橋橋殼半袖套管的凸緣上，其旋轉(zhuǎn)的摩擦元件為制動(dòng)鼓。車(chē)輪制動(dòng)器的制動(dòng)鼓均固定在輪鼓上。制動(dòng)時(shí)，利用制動(dòng)鼓的圓柱內(nèi)表面與制動(dòng)蹄摩擦路片的外表面作為一對(duì)摩擦表面在制動(dòng)鼓上產(chǎn)生摩擦力矩，故又稱(chēng)為蹄式制動(dòng)器。外束型鼓式制動(dòng)器的固定摩擦元件是帶有摩擦片且剛度較小的制動(dòng)帶，其旋轉(zhuǎn)摩擦元件為制動(dòng)鼓，并利用制動(dòng)鼓的外因柱表面與制動(dòng)帶摩擦片的內(nèi)圓弧面作為一對(duì)摩擦表面，產(chǎn)生摩擦力矩作用于制動(dòng)鼓，故又稱(chēng)為帶式制動(dòng)器。鼓式制動(dòng)器按蹄的類(lèi)型分為如下圖 3-1 所示：圖 5-1 鼓式制動(dòng)器簡(jiǎn)圖（a）領(lǐng)從蹄式（用凸輪張開(kāi)） ；（b）領(lǐng)從蹄式（用制動(dòng)輪缸張開(kāi)） ；（c）雙領(lǐng)蹄式（非雙向，平衡式） ；（d ）雙向雙領(lǐng)蹄式；（e）單向增力式；（f）雙向增力式（1）領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器如圖上圖（a）(b)所示，若圖上方的旋向箭頭代表前進(jìn)時(shí)制動(dòng)鼓的旋轉(zhuǎn)方向(制動(dòng)鼓正向旋轉(zhuǎn))，則蹄 1 為領(lǐng)蹄，蹄 2 為從蹄。汽車(chē)倒車(chē)時(shí)制動(dòng)鼓的旋轉(zhuǎn)方向變?yōu)榉聪蛐D(zhuǎn)，則相應(yīng)地使領(lǐng)蹄與從蹄也就相互對(duì)調(diào)了。這種當(dāng)制動(dòng)鼓正、反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)總具有一個(gè)領(lǐng)蹄和一個(gè)從蹄的內(nèi)張型鼓式制動(dòng)器稱(chēng)為領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器。領(lǐng)蹄所受的摩擦力使26蹄壓得更緊，即摩擦力矩具有“增勢(shì)”作用，故又稱(chēng)為增勢(shì)蹄；而從蹄所受的摩擦力使蹄有離開(kāi)制動(dòng)鼓的趨勢(shì)，即摩擦力矩具有“減勢(shì)”作用，故又稱(chēng)為減勢(shì)蹄。 “增勢(shì)”作用使領(lǐng)蹄所受的法向反力增大，而“減勢(shì)”作用使從蹄所受的法向反力減小。 （2）雙領(lǐng)蹄式制動(dòng)器若在前進(jìn)時(shí)兩制動(dòng)蹄均為領(lǐng)蹄的制動(dòng)器，則稱(chēng)為雙領(lǐng)蹄式制動(dòng)器。顯然，當(dāng)汽車(chē)倒車(chē)時(shí)這種制動(dòng)器的兩制動(dòng)蹄又都變?yōu)閺奶愎仕挚煞Q(chēng)為單向雙領(lǐng)蹄式制動(dòng)器。如圖(c)所示，兩制動(dòng)蹄各用一個(gè)單活塞制動(dòng)輪缸推動(dòng)，兩套制動(dòng)蹄、制動(dòng)輪缸等機(jī)件在制動(dòng)底板上是以制動(dòng)底板中心作對(duì)稱(chēng)布置的，因此，兩蹄對(duì)制動(dòng)鼓作用的合力恰好相互平衡，故屬于平衡式制動(dòng)器。（3）雙向雙領(lǐng)蹄式制動(dòng)器如圖（d）當(dāng)制動(dòng)鼓正向和反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩制動(dòng)助均為領(lǐng)蹄的制動(dòng)器則稱(chēng)為雙向雙領(lǐng)蹄式制動(dòng)器。它也屬于平衡式制動(dòng)器。（4）單向增力式制動(dòng)器如圖（e）單向增力式制動(dòng)器如圖所示兩蹄下端以頂桿相連接，第二制動(dòng)蹄支承在其上端制動(dòng)底板上的支承銷(xiāo)上。由于制動(dòng)時(shí)兩蹄的法向反力不能相互平衡，因此它居于一種非平衡式制動(dòng)器。如圖（f）將單向增力式制動(dòng)器的單活塞式制動(dòng)輪缸換用雙活塞式制動(dòng)輪缸，其上端的支承銷(xiāo)也作為兩蹄共用的，則成為雙向增力式制動(dòng)器。對(duì)雙向增力式制動(dòng)器來(lái)說(shuō)，不論汽車(chē)前進(jìn)制動(dòng)或倒退制動(dòng)，該制動(dòng)器均為增力式制動(dòng)器。5.1.2 盤(pán)式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式鉗 盤(pán) 式 制 動(dòng) 器 又 稱(chēng) 為 碟 式 制 動(dòng) 器 ， 是 因 為 其 形 狀 而 得 名 。 它 由 液 壓 控 制 ， 主 要零 部 件 有 制 動(dòng) 盤(pán) 、 油 缸 、 制 動(dòng) 鉗 、 油 管 等 。 制 動(dòng) 盤(pán) 用 合 金 鋼 制 造 并 固 定 在 輪 軸 上 ，隨 輪 軸 轉(zhuǎn) 動(dòng) 。 油 缸 固 定 在 制 動(dòng) 器 的 底 板 上 固 定 不 動(dòng) 。 制 動(dòng) 鉗 上 的 兩 個(gè) 摩 擦 片 分 別 裝在 制 動(dòng) 盤(pán) 的 兩 側(cè) 。 油 缸 的 活 塞 受 油 管 輸 送 來(lái) 的 液 壓 作 用 ， 推 動(dòng) 摩 擦 片 壓 向 制 動(dòng) 盤(pán) 發(fā)生 摩 擦 制 動(dòng) ， 動(dòng) 作 起 來(lái)