偏航行星减速机优化设计-研究

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1、大连理工大学硕士学位论文1绪论1．1研究背景和意义偏航减速机是风力发电的主要装置，它的研究和开发是风电技术的核心之一。目前主流的偏航减速机器正向轻型、高效、高可靠性方向发展。风电行业中最有影响并且发展最快的国家主要有美国、德国、丹麦、荷兰、西班牙、英国等。欧美国家早己开发出单机容量达兆瓦级的风力发电机并且技术已经相对比较成熟，具有较完善的设计理论和丰富的设计经验而且商业化程度已具相当规模，目前在国际风电处于明显的优势和主导地位。我国风力发电产业起步较晚，从小型风力发电机组开始，并由小及大的发展。我国小型风力发电的技术比较成熟，能够自行研发容量从100W,-VIOkW的风力发电

2、机组，累计持有量已经居于世界第一位。由于我国的商业化大型风力发电产业起步较晚，技术上与欧美等风能技术发达国家存在很大差距。在九五期间走引进生产技术的路子，通过引进和国产化成功开发了600l(W失速调节型风力发电机【lJ。十五期间，我国在国家863计划中安排容量更大兆瓦级风力发电机组的研究和开发课题【2J，但遗憾的是作为世界上的风能大国，由于设计水平的限制。我国目前尚不具备独立开发大型风力机组的能力。风力发电偏航减速机工作在高空环境；偏航减速机作为风力发电系统配套部件一起组装。目前国内750kW增速的偏航减速机安装高度在40．50m，850kW增速的偏航减速机在60一70m，1

3、．5MW增速的偏航减速机在80．100m，国际上3MW增速的偏航减速机安装高度在120．140m。功率增加，偏航减速机安装高度显著增加。与减速机功率增加相对应的还有减速机重量的增加。增速器功率提高，会引发增速器安装高度、增速器重量相应一并提高，极大地增加了安装和以后维护的费用。而增速机的安装高度与叶片的长度以及风能利用有关，一旦确定很难改变，风力发电设备体积庞大，装拆非常不便，因此需要在设计阶段通过优化设计来实现减速机的轻量化。由于风向的不停变化，获得最大的风能利用率，偏航系统也需要不停的根据风向的变化调整对风。由于风力发电机组通常安装在高山、荒野、海滩、海岛等野外风口处，经

4、常承受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，并且常年经受酷暑严寒和极端温差的作用，作为偏航系统的机械传动部件的偏航减速机其工作条件相对比较恶劣。故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。另外由于风机机体内部预留空间的限制，使得偏航减速机的安装空间也很有限。因此要求在满足载荷的条件下，实现偏航减速机的结构简单、轻量、小体积等；对整个设偏航行星减速机优化设计研究备的安装维护都会带来很大的方便。因此可以看基于重量和强度的偏航行星减速机行星传动系统的优化设计，对于偏航减速机来说具有重大的现实意义。1．2国内外研究现状偏航减速机用于风力发电机的偏航控制系统中，用来调

5、整风力发电机主轴的转向以便获得最大的风力来源。偏航减速机是风力发电机控制系统中必不可少的装置之一，对于风力发电机产生的发电量大小具有极其重要的作用。偏航系统一般都是通过电机来驱动偏航减速机来调整机头的转向。因此偏航减速机需要有大速比的减速，针对大速比减速的要求和体积限制目前主流的偏航减速机都采用行星齿轮传动的形式。渐开线行星齿轮传动具有以下优点：(1)结构紧凑、重量轻、体积小。对于行星传动，由于在中心轮的周围均匀地分布着数个行星轮来共同分担载荷，故使得每个齿轮所承受的负荷较小，所以可采用较小的模数。此外，在结构上充分利用了内啮合承载能力大和内齿圈本身的可容体积，从而有利于缩小

6、其外廓尺寸，使其结构紧凑、重量轻，而承载能力却很大。也就是说，行星齿轮传动具有功率分流和动轴线的运行特性，而且各中心轮构成共轴线式的传动，加之合理地应用内啮合，因此其结构非常紧凑。一般来说，在相同载荷下行星齿轮传动的外廓尺寸和重量约为普通齿轮传动的1／2～1／6。(2)传动效率高。由于行星齿轮传动结构的对称性，即它具有数个匀称分布的行星轮，使得作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力能相互平衡，从而有利于达到提高传动效率的作用。在传动类型选择恰当、结构布置合理的情况下，其传动效率可达97％～99％。(3)运转平稳、抗冲击和振动的能力较强。由于采用了数个相同的行星轮，均匀地分布于中心

7、轮的周围，从而可使行星轮与转臂的惯性力相互平衡。同时，也使参与啮合的齿数增多，故行星齿轮传动运行平稳，抵抗冲击和振动的能力较强，’、工作较可靠。根据所查阅的国内外有关行星齿轮减速机的文献，对其的优化研究可以归纳分为如下七个方面：体积优化设计、传动效率优化设计、机构优化设计、重量优化设计、可靠性优化设计、稳健性优化设计和多目标优化设计。成经平【3J、筢元勋14J、M．F．PashkevichandV．VGerashchenko[5J等在各自的文献中，对不同结构的行星齿轮减速机都进行了单一目标体积的优化设计