摘 要

能源是经济发展的基本驱动力，随着时代的进步，新能源所占的比例越来越大。世界上可供开发的风能储量十分可观，风电产业由于其环境友好型及可持续发展性，在新能源产业中有着举足轻重的地位。齿轮箱作为风机的重要部件之一，齿轮箱的设计是否合理直接关乎着风机的效率和使用寿命。借助计算机辅助软件，设计出结构更加合理，寿命更长的风电齿轮箱意义重大。

本文的主要内容是在已有风电齿轮箱各零部件的参数上，借助CAD，Pro-E，ABAQUS等软件，进行风电齿轮箱主要零部件的参数化建模及优化设计，主要内容如下：

（1）了解常用的的齿轮箱结构，分析其不同特点及应用。

（2）根据给定参数，采用一级行星 两级圆柱齿轮传动形式，进行1.5MW风电齿轮箱的Pro-E参数化建模。

（3）运用ABAQUS软件，对输出端齿轮对进行优化分析，得出最优设计。

通过对风电齿轮箱齿轮的优化设计，可以改善风电齿轮箱的性能，提高传输的稳定性，进而提高风机的传输效率和使用寿命。

关键词:风电齿轮箱 三维建模 优化设计

Three-dimensional Modeling and Optimization of 1.5MW Wind Gearbox Gear Transmissio

ABSTRACT

Energy is the basic driving force for economic development. With the progress of society, the proportion of new energy is increasing.The wind energy reserves available for development in the world are very impressive. Because of its environment-friendly and sustainable development, the wind power industry plays a decisive role in the new energy industry. The gear box is one of the important components of the fan. The design of the gear box is directly related to the efficiency and service life of the fan. With the help of computer-aided software, the structure is designed to be more reasonable, and the longer wind power gearbox is of greater significance.

The main content of this paper is on the parameters of existing wind turbine gearbox components. With CAD, Pro-E, ABAQUS and other software, parametric modeling and optimal design of the main components of wind turbine gearboxes are carried out. The main contents are as follows:

(1) Understand the common gearbox structure and analyze its different characteristics and applications.

(2) According to the given parameters, the first-order planetary two-stage cylindrical gear transmission is used, Pro-E parametric modeling of a 1.5 MW wind turbine gearbox.

(3) Using ABAQUS software, optimize the analysis of the gears at the output end to obtain the optimal design.

Wind turbine gearbox performance can be improved by optimizing the design of wind turbine gearbox gears and the transmission stability can be improved. In turn, the fan's transmission efficiency and service life are improved.

Keywords: Wind power gear box；3D modeling；Optimized design

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1课题来源 1

1.2国内外风电齿轮箱现状及发展 2

1.2.1国内风电齿轮箱现状 2

1.2.2国外风电齿轮箱现状 2

1.2.3风电齿轮箱发展趋势 2

1.3本人课题内容 3

1.4技术路线 3

第二章 1.5MW风电齿轮箱的结构及参数 5

2.1风电齿轮箱的介绍及分类 5

2.2 1.5MW风电齿轮箱的内部结构介绍 7

2.3 1.5MW风电齿轮箱主要结构参数 9

2.3.1齿轮的设计参数 9

2.3.2 轴的设计参数 9

2.4小结 12

第三章 风电齿轮箱PRO-E建模 13

3.1建模软件Pro-E介绍 13

3.2齿轮的建模 13

3.2.1输入级齿轮建模 13

3.2.2中间级齿轮建模 15

3.2.3输出级齿轮建模 15

3.3轴的建模 16

3.3.1太阳轮齿轮轴的建模 16

3.3.2二级传动中间轴的建模 17

3.3.3输出端齿轮轴的建模 17

3.4齿轮箱的总装配 18

3.5小结 19

第四章 风电齿轮箱输出级齿轮的优化 20

4.1优化方法 20

4.2优化软件ABAQUS介绍 21

4.3零件受力分析及存在问题 21

4.4优化方案设计 23

4.4.1分析材料的影响 23

4.4.2分析螺旋角的影响 23

4.4.3分析齿宽系数的影响 24

4.4.4多因素正交设计优化 25

4.5优化结果及最优方案 29

4.6小结 30

第五章 经济性分析 31

第六章 总结与展望 33

6.1总结 33

6.2展望 33

参考文献 35

致谢 37

第一章 绪论

1.1课题来源

能源对经济的发展起着不可替代的作用，对一个机器设备来说，其在生产过程中所使用的能源就好似流通在人体中的血液，不可缺少。随着人类社会的不断进步，人们所消耗的能源种类和数量也在不断的变化，现代社会的人们已经不满足于对传统能源的依赖，其开始寻找一些对环境友好，有利于社会可持续发展的新式能源^[1]。当前社会，国内的能源主要来自于储量较丰富、技术较成熟的煤炭资源。但是就目前对能源的消耗情况来开，煤炭最多还能支撑70年，到那时，煤的时代将走到尽头。同时，煤炭等化石能源的大量应用引发了酸雨，臭氧层空洞，雾霾等一系列的环境问题。因此，为了经济的发展和环境的改善，我们必须从现在开始寻找和开发可替代的新能源。

风能在当前的可再生能源中具有重要的地位，人类对风能的利用由来已久，例如古人借助风吹动船帆，实现船只在顺风状态下的快速行驶，既省时又省力。古代有人制作出了用于灌溉的风车，随着对风能的研究不断深入，人们研究制造出了利用风能进行发电的风机。研究表明，世界上可供开发的风能资源储量十分丰富，因此风电行业的发展空间巨大^[2]。由于风机设备在制造和运行中的环保型，受到国家有关部门的大力支持，风电装机容量不断上升。随着技术水平的提高和市场不断扩大，近年来风力发电增长迅速，风机的效率和性能也获得了改善。

风电齿轮箱作为整个风机的核心部件之一，其在运行中不仅承受轮载较高的输入转矩，而且还将由转矩产生的机械能传递给发电机组。齿轮箱的设计是否合理直接关系到风机的效率和使用寿命。中国地形的条件决定风力发电机必须安装在荒地，岛屿和山脉等地形复杂、条件恶劣的风力发电场。他们面临着各种风力的考验和强大阵风的影响。风机启动和停止的频率很高，影响很大，导致故障发生的频率很高。另外，由于这些地区天气条件恶劣，交通不便。故障通常发生在用电高峰期，这可能会导致难以检测和修复。因此，风电齿轮箱通常需要更高的可靠性和使用寿命。外部环境不能改变，自然的影响不能减少。风电齿轮箱由于在高空作业，安装和维护十分的不便，其由于外界环境变化所造成的故障频率十分的高，风电齿轮箱一旦发生故障，整台风机的运行必将停止，这就影响了电力的输送，降低了风电公司的效益。因此必须对风电齿轮箱进行结构的优化设计，以保证其传递效率和整个风机的运行寿命^[3]。由于是高空，必将考虑到塔架等支撑结构的强度，必须在优化的同时尽量减小整个齿轮箱的重量。

1.2国内外风电齿轮箱现状及发展

1.2.1国内风电齿轮箱现状

风电齿轮箱是风电机组中最容易发生故障的部件，国内对风电齿轮箱的设计寿命通常为20年，因此保证齿轮箱能够达到额定的工作年限要求需要对齿轮箱的研究不断深入^[4]。由于我国独特的地形，我国的风机主要分布在沿海地区和西部的偏远地区，由于这些地方的环境比较恶劣，收到大风，温度等的影响比较高，因此对风电齿轮箱的性能要求也更高。风电齿轮箱的某些关键性技术还有待突破，目前双馈机组依然是国内的主流，这种机组所传输的功率密度比较高，传输的稳定性也比较高。另外，直驱型机组和混合型传动机组的比例也在不断的提高，多种机型的设计和使用获得了同步发展。1MW以上的机组通常采用一级行星 两级圆柱齿轮的传输结构，齿轮的制造精度等级通常比较高。

1.2.2国外风电齿轮箱现状

国外的风电行业相对来说起步比较早，技术也比较成熟，国外通常借助理论分析以及强大的数据库进行风电齿轮箱的研究和生产，国际上生产风电齿轮箱比较著名的公司主要有Renk、Flender 等^[5]。国外MW级风电齿轮箱的技术随着风电机组整体制造技术的不断发展获得了突破性进展。目前，丹麦、英国、德国等国家由于其自身的地理位置，大力发展海上风电事业。据有关统计表明，到2020年，欧洲的海上风电容量将达到70000MW^[6]。现下，风电机组的发展趋势是单机容量不断增大，当今的主流机组主要为2~3MW，且大容量机组的研究也在不断的取得进展。

1.2.3风电齿轮箱发展趋势

我们常见的风电机组主要有恒速型和变速性，恒速型机组由于其运行平稳，成本低等优点而在风力发电机行业中首次被采用，并未被取缔。与恒速风机相比，变速风机具有更为明显的优势，其应用更加广泛。首先，电网频率是解耦的，具有更灵活的控制和优化的操作能力。其次，电力电子转换器作为发电机和电网之间的连接装置。而且，变速风力机的变速操作允许风力机不断地改变其速度以实现最大的空气动力学效率。最后，传动系统使风力机在更广泛的风力变化区域中的空气动力效率保持最大。因此，变速风力发电机是当前市场的主流。

1.3本人课题内容

根据给定的1.5MW风电齿轮箱内部的各零部件的尺寸及型号参数，绘制各零部件及总箱体的CAD图，在此基础上建立齿轮箱主要零部件的Pro-E三维图，并利用ABAQUS对输出端的齿轮进行受力分析，随后进行优化设计。

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