齿轮箱设计报告(07.8.1)

齿轮箱设计报告

编制：杨飞

编号：DR005

日期：2007年8月2日

1 概述 (4)

2 齿轮箱设计 (5)

2.1齿轮箱设计的基本要求 (5)

2.2齿轮箱设计的计算项目 (5)

2.3齿轮箱主要零部件设计 (6)

2.3.1 齿轮 (6)

2.3.1.1齿轮计算 (6)

2.3.1.2齿轮的修形 (7)

2.3.1.3齿轮材料及热处理 (7)

2.3.1.4齿轮的精度 (7)

2.3.1.5齿面粗糙度 (7)

2.3.1.6齿轮的变位系数 (8)

2.3.2 轴承 (8)

2.3.2.1轴承选型 (8)

2.3.2.2轴承静承载能力 (10)

2.3.2.3轴承寿命计算 (11)

2.3.2.4轴承的最大接触应力 (12)

2.3.3 润滑、冷却和加热系统 (12)

2.3.3.1散热器 (12)

2.3.3.2加热器 (14)

2.3.3.3过滤装置 (14)

2.3.4轴 (14)

2.3.5箱体、行星架和扭力臂 (14)

2.3.6轴封 (15)

2.3.7 润滑油 (15)

2.3.7.1润滑油选型 (15)

2.3.7.2润滑油容量 (15)

2.3.7.3润滑油测试 (15)

2.3.7.4润滑油清洁度 (16)

3 国内外主要供应商分析 (16)

3.1齿轮箱设计 (16)

3.2 制造技术 (16)

3.3 试验测试技术 (17)

4 齿轮箱样机试验 (17)

4.1 样机试验规范 (18)

4.1.1 试验前的准备工作 (18)

4.1.2 空载试验 (18)

4.1.3 加载试验 (18)

4.1.4 强化试验 (20)

4.1.5 故障处理 (21)

4.1.6 拆检 (22)

5 包装与运输 (22)

6 油漆及防腐保护 (23)

6.1 油漆 (23)

6.2防腐保护 (23)

7 安装 (24)

8 维护及运行 (24)

9 参考文献目录 (25)

1.概述

齿轮箱是风机中的关键部件，它位于叶轮和发电机之间，将叶轮受风力作用旋转而产生的动力传递给发电机发电，同时将叶轮输入的较低转速增速为满足发电机所需的转速。因此，风力发电齿轮箱是一种受无规律变向载荷的风力作用及强阵风冲击的变载荷条件下工作的低速、重载、增速齿轮传动装置。风力发电机组一般安装在荒郊、野外、山口、海边等风能较大且周围无遮挡物之处，齿轮箱安装在机组塔架之上狭小的机舱内，距地面几十米甚至一百多米高。常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，自然环境恶劣，交通不便，修复十分困难，而且故障期一般出现在发电的高峰期，齿轮箱一旦出现故障，将严重影响风场的经济效益，因此，对齿轮箱的可靠性和工作寿命提出了很高的要求。

随着风机技术的发展，对齿轮箱的要求也越来越高，对齿轮箱的技术要求主要有以下几点：1.高可靠性，故障率低 2.体积小，重量轻 3.振动小，噪音低 4.传动效率高5.使用维护方便6.价格适中。

2. 齿轮箱设计

2.1齿轮箱设计的基本要求

齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。为此要建立整个机组的动态仿真模型，对起动、运行、空转、停机、正常起动和紧急制动等各种工况进行模拟，针对不同的机型得出相应的动态功率曲线，利用专用的设计软件进行分析计算，求出零件的设计载荷，并以此为依据进行设计。

齿轮箱的设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构优化并且重量轻。其中，由于尺寸和重量与可靠性往往是一对不可调和的矛盾，因此风电齿轮箱的设计制造往往陷入两难的境地。总体设计阶段应在满足可靠性和工作寿命要求的前提下，以最小的体积、最小重量为目标进行传动方案的比较和优化；结构设计应以满足传递功率和空间限制为前提，尽量考虑结构简单、运行可靠、维修方便。

另外，根据机组要求，采用CAD优化设计，选用合理的设计参数，排定最佳传动方案，选择稳定可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料，配备完整充分的润滑、冷却系统和监控装置等等，是设计齿轮箱的必要前提条件。

2.2齿轮箱设计的计算项目

风力发电机组载荷谱是齿轮箱设计计算的基础。载荷谱可通过实测得到，也可通过BLADED等专业软件分析得到。AGMA（美国齿轮协会）标准强调齿轮和轴承等零部件的计算应以载荷谱为基础，但目前国内的齿轮箱制造商还不能根据载荷谱进行齿轮箱设计，进行齿轮箱计算时，按发电机额定功率除以发电机和齿轮箱的机械效率来确定计算功率，齿轮强度计算的使用系数K A取1.3。

按DIN 3990，齿轮计算以下项目：

1）齿面接触强度校核计算（静载荷安全系数和疲劳载荷安全系数）

2）齿面弯曲强度校核计算（静载荷安全系数和疲劳载荷安全系数）

3）胶合承载能力计算

按DIN ISO 281，轴承计算以下项目：

1）基本额定寿命和修正额定寿命

2）额定极限载荷（静载荷安全系数）

另外，要求验算的项目还有：

•轴与齿轮连接

•键槽

•胀紧套连接

•轴

•行星架，按照ASME NB3216

•齿轮箱壳体

•扭力臂

•胀紧套

•螺纹连接

•热平衡计算

2.3齿轮箱主要零部件设计

2.3.1齿轮

2.3.1.1齿轮计算

根据齿轮箱的名义功率、名义转速、传动比、等效载荷、以及齿轮箱外形尺寸的要求，初步选定各级齿轮的模数、齿数、压力角和齿宽等重要参数后，就可以对齿轮进行校核计算。

对齿轮进行校核时，计算载荷Ftc=KFt。对于齿面接触强度计算，载荷系数K=K A K V K Ha K Hβ

1）使用系数K A

使用系数K A ，是等效载荷和名义载荷的比值。其中等效载荷要求根据载荷谱得到。

2）动载系数K V

动载系数K V用以考虑齿轮副在啮合过程中因啮合误差和运转速度而引起的内部附加载荷系数，K V极大地影响齿轮的寿命，AGMA标准规定，除非有多体仿真的动态分析，否则K V至少取1.05。

3）齿间载荷分配系数K Ha

齿间载荷分配系数K Ha用以考虑同时啮合时各对齿轮间载荷分配不均匀的系数，它取决于齿轮的啮合刚度、基圆齿距误差、修缘量等因素。

4）齿向载荷分布系数K Hβ

齿向载荷分布系数K H

β用以考虑齿轮沿接触线产生载荷分布不均匀现象的影响，K H

β极大地影响齿轮的寿命。齿向载荷分布受弹性变形、制造精度、热形变的影响。根据AGMA6006及GL规范，齿向载荷分布系数K H

β必须通过数字分析（先进的接触分析法）来确定，应用接触分析法分别确定疲劳载荷和极限载

荷的K H

β，AGMA标准规定齿向载荷分布系数K-Hβ不小于1.15。

按照ISO6336的要求，齿轮的寿命计算可靠性取99%，抗微点蚀安全系数最小SH=1.25，抗弯曲安全系数最小取SF=1.56。