本科論文目錄20507摘要 126275Abstract 25777引言 354141緒論 4295601.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究目的和意義 4314231.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)在國內(nèi)外現(xiàn)狀及分析 4114941.3主要解決問題 5292921.4風(fēng)力發(fā)電期望 6128262齒輪傳動系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算 855732.1風(fēng)能相關(guān)計(jì)算公式 8185132.2增速齒輪相關(guān)參數(shù)計(jì)算 1317772.3軸承的壽命計(jì)算 17152242.4鍵的計(jì)算 19130863風(fēng)力發(fā)電機(jī)的方案設(shè)計(jì) 2064433.1軸向選擇 2066493.2風(fēng)輪裝置設(shè)計(jì) 20288923.3增速齒輪箱的設(shè)計(jì) 24188783.4框架的設(shè)計(jì) 29107853.5發(fā)電機(jī)主體設(shè)計(jì) 33319514三維模型渲染 3519059結(jié)論 3727889參考文獻(xiàn) 393557致謝 41本科論文摘要近年來伴隨著環(huán)境問題的日趨嚴(yán)重，廉價(jià)且環(huán)保的清潔能源逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而想要更好的利用清潔能源就要進(jìn)行許多跨領(lǐng)域的合作，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)正是多領(lǐng)域合作催生的產(chǎn)物，與此同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)也應(yīng)孕而生。

本文選取了一種小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為主要研究對象，其主要工作原理是通過風(fēng)輪裝置的旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)由風(fēng)能向電能的轉(zhuǎn)化，從而讓居住在偏遠(yuǎn)山區(qū)或者臨時(shí)搭建房屋的人們同樣能夠方便用電。

本文在進(jìn)行基礎(chǔ)計(jì)算的同時(shí)也考慮到使用者的舒適度，在查閱了人體工程學(xué)相關(guān)資料后對整體尺寸，材料和顏色做了調(diào)整；同時(shí)在槳葉設(shè)計(jì)方面采用了蝴蝶翅膀的仿生形態(tài)，5片槳葉互成角度，具有折疊單元，實(shí)用且不失美感。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；傳動系統(tǒng)；方案設(shè)計(jì)；三維建模AbstractInrecentyears,withtheincreasinglyseriousenvironmentalproblems,thecheapandenvironmentalcleanenergyhasbecomethefocusofattention,andtomakebetteruseofcleanenergyrequiresalotofcross-sectoralcooperation,windpowertechnologyistheproductofmulti-fieldcooperation.Atthesametime,windturbinesarealsoborn.Thisarticleselectsasmallverticalaxiswindturbineasthemainresearchobject.Itsmainworkingprincipleistodrivethegeneratortorotatethroughtherotationofthewindwheeldevicetoachievetheconversionofwindenergyintoelectricalenergy.Sothatpeoplelivinginremotemountainareasortemporaryhousingcanalsobeeasyaccesstoelectricity.

Thisarticlealsotakesintoaccounttheuser'scomfortwhileperformingbasiccalculations.Afterconsultingtheergonomics-relateddata,theoverallsize,materialandcolorareadjusted.Atthesametime,thebionicformofbutterflywingsisusedinthebladedesign.The5bladesareatanangletoeachother,withafoldingunit,practicalandwithoutlosingbeauty.Keywords:WindTurbine；Transmissionsystem；schematicdesign；Three-dimensionalModeling引言早在20世紀(jì)70年代，小型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在我國風(fēng)能資源豐富的內(nèi)蒙古、新疆等地就得到了發(fā)展,最初小型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)被廣泛應(yīng)用在“光明工程”和“送電到鄉(xiāng)”項(xiàng)目中，用于為農(nóng)牧民解決家庭或村落基本的生活用電問題[2]。隨著小型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的完善與發(fā)展，我國小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不僅可以單獨(dú)應(yīng)用，還能與光伏發(fā)電互補(bǔ)應(yīng)用，被廣泛應(yīng)用于離網(wǎng)供電系統(tǒng)[2]。近年來，我國小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備出口量穩(wěn)步增長，小型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和可再生能源離網(wǎng)互補(bǔ)技術(shù)已躍居國際領(lǐng)先地位[2]。除了規(guī)模型的大型風(fēng)力發(fā)電場，離網(wǎng)型的小型風(fēng)力發(fā)電也是我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。為全面推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，部分仍存在缺電、無電居民的地區(qū)加快了發(fā)展小型風(fēng)力發(fā)電的步伐，政府加大了解決邊遠(yuǎn)地區(qū)群眾用電難問題的投資力度,有力推動了小型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展[5]。小型風(fēng)力發(fā)電具有適用的氣候條件廣泛、適宜安裝的地域廣闊等特點(diǎn)[5]。發(fā)展小型風(fēng)力發(fā)電場，省去了鋪設(shè)電纜、挖掘地基和長時(shí)間建設(shè)等投資費(fèi)用，尤其在廣大無電地區(qū)以及通信、工業(yè)控制等領(lǐng)域，相對于常規(guī)電力市場優(yōu)勢明顯[5]。我國風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電行業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊，預(yù)計(jì)未來很長一段時(shí)間都將保持快速發(fā)展。隨著我國風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的國產(chǎn)化，以及風(fēng)/光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)等新型技術(shù)的日漸成熟，小型風(fēng)力發(fā)電的成本有望再降,經(jīng)濟(jì)效益和社會效益不斷提升,小型風(fēng)力發(fā)電市場潛力巨大[7]。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相關(guān)設(shè)備制造和新技術(shù)研發(fā)得到重視和發(fā)展，風(fēng)/光互補(bǔ)路燈、風(fēng)能海水淡化等領(lǐng)域成為新的應(yīng)用熱點(diǎn)，市場前景看好[7]。

當(dāng)然，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)還有一些難以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)問題，本文將對傳統(tǒng)的垂直軸進(jìn)行總結(jié)和歸納，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新與優(yōu)化。希望在未來的某一天，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠在市場占有一席之地。1緒論1.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究目的和意義為了滿足工業(yè)生產(chǎn)和日常生活，世界各國對能源的需求與日俱增，再加上煤、石油、天然氣等常規(guī)能源的逐漸枯竭，人們開始尋找各類可再生能源的蹤跡。其中，風(fēng)能因其獲取途徑簡單且經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特點(diǎn)深受人們的青睞。

我國是一個(gè)人口眾多、資源相對匱乏的國家，在這個(gè)能源稀缺的時(shí)代，大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是解決此問題的不二之選。此舉可以優(yōu)化中國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，減少對進(jìn)口石油能源的依賴，無論對經(jīng)濟(jì)發(fā)展還是環(huán)境保護(hù)都具有十分重要的戰(zhàn)略意義。圖1.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)在國內(nèi)外現(xiàn)狀及分析1987年，對于世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)而言是一個(gè)重要的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，這一年美國研制的功率為3.2兆瓦的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在夏威夷群島上安家；同年，加拿大研制的功率為4.0兆瓦的立軸達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在魁北克省拔地而起。一些歐洲國家也不甘示弱，相繼研制出單機(jī)功率在100千瓦以上的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界發(fā)電機(jī)總發(fā)電量在1997年年底為746萬千瓦，在2000年年底為1845萬千瓦，在2002年年底更是達(dá)到了3112萬千瓦，平均年增長率在30%以上；按照這種發(fā)展速度，預(yù)計(jì)到今年年底，總發(fā)電量將超過1億千瓦。圖1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中國對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的探索相對較晚，但是在借鑒他國經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了積極的自主創(chuàng)新，發(fā)展較為迅速。目前我國的重點(diǎn)研究對象主要有二，一是1千瓦及以下獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，二是100千瓦及以上并網(wǎng)運(yùn)行的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

我國的風(fēng)力發(fā)電場建設(shè)要追溯到20世紀(jì)80年代，截止2001年年底，我國共建成并投入使用27座風(fēng)電場，風(fēng)力發(fā)電機(jī)保有量達(dá)到812臺，共累計(jì)發(fā)電約40萬千瓦。這一數(shù)字還在逐年遞增，相信在不久的將來，我國將發(fā)展成為風(fēng)力發(fā)電大國。1.3主要解決問題有無良好的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是衡量一個(gè)風(fēng)電場是否符合標(biāo)準(zhǔn)的重要因素，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的好壞直接影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能、效率以及供電質(zhì)量，同時(shí)也間接影響著工作方式和零部件結(jié)構(gòu)。因此，研制出發(fā)電效率高、供電性能好且控制方便的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成為本文的主要解決問題。圖1.3一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)1.4風(fēng)力發(fā)電期望目前，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)正處于不斷發(fā)展的階段，其主要成果體現(xiàn)在單機(jī)發(fā)電量的逐漸增加，現(xiàn)在世界主流的發(fā)電機(jī)租發(fā)電功率最高可達(dá)750千瓦。而隨著葉片長度的不斷增加，傳統(tǒng)的材料開始暴露出各種問題，這無疑催生了許多新型復(fù)合材料和新的技術(shù)。目前已知葉片長度可達(dá)50米，葉片材料采用質(zhì)量較輕、強(qiáng)度較高的碳纖維材質(zhì)。

早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)靈感來源于直升機(jī)的螺旋槳，但是后來經(jīng)過相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:兩者處于不同的空氣動力環(huán)境，所以現(xiàn)在市場上常見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是經(jīng)過相關(guān)改進(jìn)的。近些年，美國的可再生能源實(shí)驗(yàn)室就研發(fā)了一種新型葉片，其風(fēng)能捕捉率要比早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)高20%左右。在大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)中往往采用更高的塔架以提高風(fēng)能利用率。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明:在50米高空捕捉的風(fēng)能要比30米處多20％左右。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，一種變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)孕而生，這種新型發(fā)電機(jī)組取消了沉重的增速齒輪箱，從而達(dá)到了傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)無法企及的高度。這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸直接在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的軸上，其內(nèi)部轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)阻的改變而產(chǎn)生相應(yīng)變化，所以產(chǎn)生交流電的頻率也就隨之變化，產(chǎn)生的交流電經(jīng)過大功率的電子轉(zhuǎn)換器整流成為直流電，最好再逆變成為與國家電網(wǎng)匹配的交流電并源源不斷地輸送給千家萬戶。由此可見風(fēng)力發(fā)電的未來發(fā)展趨勢主要集中在:合理選擇風(fēng)電場的建設(shè)位置，優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體布局，研制風(fēng)能利用率更高的新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及降低設(shè)備的制造成本等方面。圖1.4新型變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組2齒輪傳動系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算2.1風(fēng)能相關(guān)計(jì)算公式風(fēng)能利用系數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)從風(fēng)中獲取能量的能力用風(fēng)能利用系數(shù)CP表示。橫截面積為s(m2)的氣體流動所產(chǎn)生的的動能為:（2-1）式中ρ為空氣密度，單位是為風(fēng)速，單位是m/s如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際功率為P,那么風(fēng)能利用系數(shù)為:（2-2）風(fēng)壓強(qiáng)處在風(fēng)中物體受到的風(fēng)壓Q為:（2-3）式中為空氣阻力系數(shù)，與迎風(fēng)物體形狀有關(guān)，截面一般取2為風(fēng)與截面之間的相對速度風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大效率建立一個(gè)如下圖所示的物理模型，截面a在風(fēng)的作用下自左向右運(yùn)動，假設(shè)截面左側(cè)一段距離的風(fēng)速為Vf，截面所處位置的運(yùn)動速度為V，那么風(fēng)對截面做工的功率可以表示為。式中F為截面受到風(fēng)的作用力，單位是NS為截面的表面積，單位是m2圖2.1截面物理模型所以:（2-4）截面的運(yùn)動速度V為函數(shù)變量的功率變化關(guān)系式，并對V進(jìn)行微分。令，可以得到兩個(gè)解：其中時(shí)沒有物理意義對應(yīng)著函數(shù)的最大值（2-5）從上式可以看出，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率的唯一辦法是提高阻力系數(shù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率常規(guī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)只能獲取部分風(fēng)能，一般用風(fēng)能利用系數(shù)來表示。此外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在制做過程中，由于加工的偏差和外界因素的影響，無法達(dá)到理想的形狀。風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際獲取的功率與理想功率的比值叫做風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率，用表示。同理傳動機(jī)構(gòu)的效率和發(fā)電機(jī)的效率也存在與上述情況類似的損耗，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的實(shí)際功率可表示為:工作風(fēng)速與輸出功率當(dāng)工作風(fēng)速達(dá)到某一數(shù)值的時(shí)候，出于安全考慮，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將被強(qiáng)制采取剎車措施，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作風(fēng)速為Vfmax，這一風(fēng)速也被稱為最高風(fēng)速，Vfmax是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)參數(shù)。介于最小風(fēng)速Vfmin，和最大風(fēng)速Vfmax之間的風(fēng)速叫做風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)的工作風(fēng)速，在此期間工作風(fēng)速對應(yīng)的功率稱為輸出功率。啟動風(fēng)速和額定風(fēng)速的計(jì)算因?yàn)槊總€(gè)地區(qū)的風(fēng)力資源存在差異，所以在選用風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)要進(jìn)行一定的參數(shù)計(jì)算，其中啟動風(fēng)速和額定風(fēng)速就是衡量風(fēng)力發(fā)電機(jī)是否與當(dāng)?shù)仫L(fēng)力資源相匹配的重要參數(shù)。風(fēng)能就是流動空氣具有的動能。單位時(shí)間通過垂直于空氣流的單位面積的空氣流所具有的動能叫風(fēng)能密度，設(shè)ρ為空氣密度，v為風(fēng)速，則風(fēng)能密度p=0.5ρv3，p隨v的立方增大，其變化會越來越快[10]。故知道風(fēng)速的變化情況是利用風(fēng)能的基礎(chǔ)。風(fēng)速v是隨機(jī)變量，現(xiàn)多認(rèn)為用雙參數(shù)威布爾概率密度函數(shù)擬合風(fēng)速頻率分布比較直觀[10]。威布爾分布函數(shù)如下所示:其中K為形狀參數(shù)，無單位，C為尺度參數(shù)，單位是ms-1。不同地區(qū)，不同時(shí)期K、C的數(shù)值均有所不同，可根據(jù)某地連續(xù)30年的風(fēng)力資料算出該地的K、C數(shù)值，其威布爾分布函數(shù)曲線如圖2.2所示。圖2.2威布爾分布函數(shù)曲線上式滿足威布爾概率累積函數(shù)g（V）為：風(fēng)速V的概率Q（V）為：(2-6)啟動風(fēng)速:風(fēng)力發(fā)電機(jī)按軸向可分為水平軸和垂直軸兩大類，其中每一類又可分為很多不同種類的形式，每種形式又可以細(xì)化為不同規(guī)格的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，只有選擇了適合一個(gè)地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，才能使經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大化。通過研究對比國內(nèi)外100多種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動風(fēng)速可知：啟動風(fēng)速的范圍由2ms-1一直延伸到6ms-1，這一范圍基本能夠滿足我國大多數(shù)地區(qū)對于風(fēng)力發(fā)電的需要。雙參數(shù)威布爾分布函數(shù)曲線峰值對應(yīng)的參數(shù)就是啟動風(fēng)速。對上式求一階導(dǎo)數(shù)且令其等于零，則有:因?yàn)?所以：解得：(2-7)額定風(fēng)速:額定風(fēng)速的選定直接影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作效率及實(shí)用性，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)過程中的重要參數(shù)。己知風(fēng)能密度，對一臺效率為，槳葉半徑為r的風(fēng)力機(jī)，輸出功率W的威布爾分布函數(shù)為:W的峰值對應(yīng)的風(fēng)速應(yīng)是額定風(fēng)速，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲取的風(fēng)能達(dá)到最大值: (2-8)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系可以簡單地如圖2.3來表示(注:圖中縱坐標(biāo)表示輸出功率，單位為:w/m2;橫坐標(biāo)表示風(fēng)能，單位為:m/s)圖2.3功率與風(fēng)速的關(guān)系2.2增速齒輪相關(guān)參數(shù)計(jì)算通過增速齒輪一和齒輪二嚙合計(jì)算：小齒輪40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度280HBS，大齒輪45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度240HBS，二者材料硬度差40HBS。由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]表10-4（P196）選擇齒輪精度為8級。取太陽輪齒數(shù)=12，則行星輪齒數(shù)=i=30，取=30。按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)：由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]公式10-11（P203）進(jìn)行試算：（2-9）其中試選小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩：由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]表10-7（P206），選取齒寬系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]圖10-20（P203），選取區(qū)域系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]表10-5（P202），得材料的彈性影響系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]圖10-25（P211），按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限計(jì)算的壽命系數(shù)（以工作壽命10年，每年工作300天，每天8小時(shí)設(shè)計(jì)）：太陽輪應(yīng)力循環(huán)系數(shù)：行星輪應(yīng)力循環(huán)系數(shù)：由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]圖10-23（P208）查得按接觸疲勞疲勞壽命系數(shù)，，取失效概率為，安全系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]式10-14（P207）得取和中的較小者作為該齒輪的接觸疲勞許用應(yīng)力，即計(jì)算齒輪分度圓直徑（2-10）計(jì)算圓周速度：模數(shù)：齒寬：取=1.45,，齒寬應(yīng)為整數(shù)b=400mm。齒高：h=2.25mt=2.25x22.91=51.55mm高寬比：計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù)V=1.72m/s，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]圖10-8（P194），得動載系數(shù)。由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]表10-3（P195），得直齒輪。由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]表10-2（P192），得。由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]表10-4（P196），得7級精度，小齒輪相對支撐非對稱布置時(shí)。由齒寬與齒高比2.136及,查《機(jī)械設(shè)計(jì)》中圖10-13（P197）得。所以載荷系數(shù)為按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]公式10-12（P204）得計(jì)算模數(shù)：齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核：試算模數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]式10-7（P200）（2-11）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]得小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]圖10-22（P208）取彎曲疲勞壽命系數(shù),；計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力，取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]中公式10-14(P207)得計(jì)算載荷系數(shù)：由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]圖10-17（P200）取齒形系數(shù)：,由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]圖10-18（P201）取應(yīng)力修正系數(shù)：,故，小齒輪大齒輪，大齒輪的值大故載荷系數(shù)計(jì)算齒輪模數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》公式10-13（P204)得（2-12）查閱模數(shù)表并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=25,按接觸疲勞強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=300算出小齒輪齒數(shù)：行星齒輪齒數(shù)：故增速齒輪一的模數(shù)為27、齒數(shù)為26，增速齒輪二的小齒輪模數(shù)為27、齒數(shù)為12；同理可計(jì)算得出增速齒輪二的大齒輪模數(shù)為25、齒數(shù)為30，增速齒輪三的模數(shù)為25、齒數(shù)為12。通過增速齒輪二和齒輪三嚙合計(jì)算：圓周速度:齒寬:齒高h(yuǎn):h=2.25mt=2.25x25=56.25mm高寬比:計(jì)算分度圓直徑:計(jì)算中心距:計(jì)算齒輪寬度:所以取太陽輪齒輪齒寬：=400mm行星齒輪齒寬：=300mm經(jīng)整理，齒輪傳動部分的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2.1所示：表2.1齒輪傳動設(shè)計(jì)參數(shù)表參數(shù)齒數(shù)Z模數(shù)m/(mm)分度圓直徑d/(mm)齒寬b/(mm)傳動比太陽齒輪12253004002.5行星齒輪30257503002.52.3軸承的壽命計(jì)算軸承的選擇軸承選擇深溝球軸承，軸承型號為6208。軸承的壽命驗(yàn)算由于轉(zhuǎn)速小有較小軸向力，故選用球軸由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》[19]查得6208軸承：=19.8kN=13.5kN計(jì)算兩軸承受到的徑向載荷由軸的受力分析可知，兩軸承所受的徑向載荷分別為由前面計(jì)算得知：FNV1=202.72NFNH1=986.43NFNH2=962.3NFNV2=476.5N計(jì)算兩軸承所受到的軸向力查《機(jī)械設(shè)計(jì)與制造基礎(chǔ)》[15]表15-5得，深溝球軸承的型號為6208，Y=1.6，則由徑向力產(chǎn)生的派生軸向力分別為兩派生軸向力的方向見下圖 故軸左移，2端壓緊，1端放松，則兩軸承的軸向力分別為求軸承的當(dāng)量動載荷由《機(jī)械設(shè)計(jì)與制造基礎(chǔ)》[15]表15-5得，軸承座的型號為6208，e=0.37由《機(jī)械設(shè)計(jì)與制造基礎(chǔ)》[15]表13-6，取載荷系數(shù)，則軸承的當(dāng)量動載荷為因?yàn)樗园碢2計(jì)算軸承的壽命預(yù)期壽命:49756.8h＞43800h，壽命符合要求。2.4鍵的計(jì)算普通平鍵的主要失效形式是鍵，鍵是軸和齒輪、鍵三個(gè)零件中較弱零件的壓潰。由于軸材料是鋼，許用擠壓應(yīng)力由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]表2-4查得：=0.8=0.8*290=232MPa。鍵與軸和減速器鏈接，故可以選擇圓頭平鍵A型。由于軸的直徑為40mm,通過查詢《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]得鍵的尺寸為12x8，因齒輪的寬長為300mm，故鍵的長度為280mm。鍵的工作長度：=-=280-12=268mm.由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[20]式2-35得：==所以符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。3風(fēng)力發(fā)電機(jī)的方案設(shè)計(jì)3.1軸向選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般可分為兩類：水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。如今市面上比較常見的是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，但隨著時(shí)代的發(fā)展、科技的進(jìn)步，越來越多科研人員把研究重點(diǎn)放在垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)身上，為了確定最終的設(shè)計(jì)方向，我們將兩者進(jìn)行簡單的比較，詳情見表3.1：表3.1兩種軸向發(fā)電機(jī)性能對比軸向類型性能對比水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)能利用率風(fēng)能利用率較低風(fēng)能利用率較高啟動風(fēng)速啟動風(fēng)速較高啟動風(fēng)速較低制造成本制造成本較高制造成本較低后期維護(hù)機(jī)架高、維護(hù)費(fèi)用高維護(hù)費(fèi)用相對較低發(fā)電功率是否穩(wěn)定較為穩(wěn)定不穩(wěn)定通過分析比較兩種軸向發(fā)電機(jī)的性能可得：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率要優(yōu)于水平軸，制造成本也比垂直軸要低，因此軸向類型初步擬定為垂直軸。3.2風(fēng)輪裝置設(shè)計(jì)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是葉片與主軸處于同一水平面，且垂直于地面，正是這一特點(diǎn)使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片能夠與空氣充分接觸。與傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，垂直軸取消了高高的支架，所以無論在安裝還是維護(hù)方面，都要比水平軸方便的多；再加之其無需安裝像水平軸那樣的迎風(fēng)裝置，所以科研人員把更多的精力放在了風(fēng)輪裝置的研究上。由此可見，風(fēng)輪裝置的設(shè)計(jì)好壞將最終決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。風(fēng)輪裝置主要是由葉片、主軸和龍骨等零部件組成。葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)必不可少的部件，其外形設(shè)計(jì)直接決定了風(fēng)能利用率和發(fā)電效率。主軸是發(fā)電機(jī)組的主要受力部件，同事也能傳遞橫向的風(fēng)力載荷；若直接將葉片與發(fā)電機(jī)相連會使發(fā)電機(jī)同時(shí)承受彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷，處于交變應(yīng)力狀態(tài)，無論對于發(fā)電機(jī)的壽命還是發(fā)電效率而言都會帶來極大的影響。龍骨的主要作用是連接葉片和主軸，以形成具有一定剛性的“H”型框架結(jié)構(gòu)。有利于整體結(jié)構(gòu)的安全性。材料選擇：設(shè)計(jì)葉片的形狀后，應(yīng)選擇葉片的材料。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常使用以下材料：木質(zhì)葉片：由優(yōu)質(zhì)木材制成，對木材的挑選主要有以下要求:質(zhì)地較硬，宜于切割加工，紋路整齊清晰無疤痕。但是大多數(shù)木材都比較容易吸收水分，從而導(dǎo)致變形，所以在葉片制作成型后需要涂上油漆以達(dá)到保護(hù)效果；縱使如此，木質(zhì)葉片的壽命也遠(yuǎn)遠(yuǎn)要短于其他類型的葉片。由此可見木質(zhì)葉片不適合安裝在室外環(huán)境中。玻璃鋼葉片：表面光滑，硬度高，造型容易。因此，在小型風(fēng)力渦輪機(jī)中，玻璃纖維增強(qiáng)塑料葉片被最廣泛地使用。FRP刀片有兩種類型。一種是木芯包裹的玻璃鋼葉片。該葉片重量輕，成本低并且被廣泛使用，但是使用壽命短，通常約3-5年。第二種是空心的全玻璃FRP刀片。這種刀片很重且很昂貴，但是使用壽命很長，大約4-6年。全玻璃纖維槳葉分為兩種，一種是簡單的葉柄；另一種是簡單的葉柄。另一個(gè)是帶有離心速度控制裝置的葉柄。鐵制葉片：主要用于帶離心調(diào)速裝置的風(fēng)機(jī)，一般用0.5mm厚的鍍鋅鐵板制成，空心，一端用金屬塊密封，另一端用葉輪根部充滿離心速度調(diào)節(jié)裝置。該刀片非常重并且運(yùn)行平穩(wěn)。由于諸如高慣性，高硬度和尖銳邊緣的原因，在操作過程中，尤其是在安裝和維護(hù)時(shí)，存在某些不安全因素。這種刀片使用壽命長，通常長達(dá)10年左右。鋁合金葉片：這是近年來生產(chǎn)和使用的新型葉片。該刀片由鋁合金制成，是堅(jiān)固的。它的形狀很特別。葉片的前后邊緣是彎曲的，上半部像新月形一樣向后彎曲。機(jī)械強(qiáng)度很高。將刀片水平放置在地面上，兩端用磚砌成，懸掛在中間，單獨(dú)放置，刀片不會連續(xù)彎曲。它的啟動風(fēng)速小，可以在微風(fēng)中發(fā)電。據(jù)估計(jì)其使用壽命超過10年，并且它是一種很有前途的葉子。這種刀片的缺點(diǎn)是操作中存在不安全因素。它具有較重的重量，很強(qiáng)的慣性和鋒利的前緣。它像三把飛刀一樣旋轉(zhuǎn)，這很危險(xiǎn)。在安裝，維護(hù)和操作過程中，請當(dāng)心?？紤]到多個(gè)葉片的特性，本設(shè)計(jì)使用鋁合金葉片作為小型立式風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片。三維造型：首先在前視基準(zhǔn)面繪制兩條弦長為300mm的同向相交圓弧，得到如下草圖：圖3.1槳葉草圖然后沿著Z方向?qū)⒉輬D進(jìn)行拉伸，指定長度1500mm，得到如下凸臺：圖3.2槳葉三維造型在上視基準(zhǔn)面繪制兩個(gè)相隔50mm的全等直角三角形，得到如下草圖：圖3.3槳葉支架草圖已兩個(gè)直角三角形長直角邊為軸創(chuàng)建基準(zhǔn)面1和基準(zhǔn)面2，并在與兩基準(zhǔn)面成30°的方向上創(chuàng)建基準(zhǔn)面3和基準(zhǔn)面4，具體效果如下：圖3.4創(chuàng)建基準(zhǔn)面已三角形斜邊兩個(gè)頂點(diǎn)為圓心，分別在四個(gè)基準(zhǔn)面上會繪制半徑為10mm的圓，使用【放樣】指令，分別選中基準(zhǔn)面1和3、基準(zhǔn)面2和4上的圓進(jìn)行放樣，具體效果如下：圖3.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉扇三維建模圖3.3增速齒輪箱的設(shè)計(jì)因?yàn)轱L(fēng)輪裝置在實(shí)際使用過程中不能與電動機(jī)直接相連，所以需要通過在風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)之間增設(shè)一個(gè)連接兩端的增速齒輪箱來起到傳遞機(jī)械能的作用。同時(shí)為了使風(fēng)輪裝置的制動與剎車更加靈活，又在增速齒輪箱的輸出部位安裝一個(gè)制動裝置，以實(shí)現(xiàn)整體單元共同制動的目的。三維造型：在前視基準(zhǔn)面繪制如下草圖，并在圓心處再繪制一個(gè)半徑大小為60mm的圓，執(zhí)行【拉伸】命令，分別選中兩條輪廓線，拉伸長度為150mm，最后在拉伸得到的齒輪兩側(cè)繪制半徑大小為150mm的圓，并執(zhí)行【拉伸切除】命令，長度為20mm，即可得到增速齒輪1的三維造型。圖3.6增速齒輪1草圖圖3.7增速齒輪1三維造型增速齒輪1相關(guān)參數(shù)：齒輪內(nèi)孔直徑120mm，齒輪外徑600mm，齒輪內(nèi)切直徑300mm，齒長100mm，齒輪厚度150mm，齒輪齒數(shù)26齒。在前視基準(zhǔn)面繪制如下草圖1，執(zhí)行【拉伸】命令，拉伸長度為300mm，得到一個(gè)齒輪，在其中一側(cè)創(chuàng)建基準(zhǔn)面并繪制草圖2，并執(zhí)行【拉伸】命令，拉伸長度為250mm，最后選中小齒輪內(nèi)徑執(zhí)行【拉伸切除】命令，方向指向大齒輪，長度為550mm，即可得到增速齒輪2的三維造型。圖3.8增速齒輪2草圖圖3.9增速齒輪2草圖圖3.10增速齒輪2三維造型增速齒輪2相關(guān)參數(shù)：齒輪內(nèi)孔直徑80mm，大齒輪厚度300mm,大齒輪外徑600mm，齒長100mm；小齒輪厚度，小齒輪外徑350mm，齒長100mm，大齒輪齒數(shù)30齒，小齒輪齒數(shù)12齒。在前視基準(zhǔn)面繪制如下草圖1，執(zhí)行【拉伸】命令，拉伸長度為400mm，得到一個(gè)齒輪，在其中一側(cè)創(chuàng)建基準(zhǔn)面并繪制一個(gè)半徑大小為60mm的圓，并執(zhí)行【拉伸】命令，拉伸長度為400mm，最后在圓柱遠(yuǎn)離齒輪的端面上繪制草圖2，并執(zhí)行【拉伸切除】命令，長度為35mm，即可得到增速齒輪3的三維造型。圖3.11增速齒輪3草圖圖3.12增速齒輪3草圖圖3.13增速齒輪3三維造型增速齒輪3相關(guān)參數(shù)：齒輪外徑120mm，齒輪軸高900mm，齒輪厚度400mm，齒輪齒數(shù)12齒。圖3.14增速齒輪箱三維造型3.4框架的設(shè)計(jì)框架主體分為機(jī)架和底座兩部分，機(jī)架的主要作用是固定轉(zhuǎn)動軸兩端的軸承以及增速齒輪兩端的軸承。考慮到葉扇轉(zhuǎn)動時(shí)會產(chǎn)生劇烈的抖動，所以機(jī)架采用了比較穩(wěn)定的十字交叉結(jié)構(gòu)，這樣一來既堅(jiān)固穩(wěn)定也不影響葉扇與風(fēng)充分接觸，同時(shí)由于增速齒輪箱位于整體結(jié)構(gòu)的中部，為了避免齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與葉扇產(chǎn)生剮蹭，又在轉(zhuǎn)動軸與軸承之間增設(shè)了一組十字梁結(jié)構(gòu)。底座的主要作用是穩(wěn)定機(jī)架及固定電機(jī)，考慮到機(jī)架本身無法很好的固定，所以在其底部設(shè)計(jì)了一個(gè)比較穩(wěn)定的底座，同時(shí)也對電機(jī)起到一定的保護(hù)作用。葉扇、增速齒輪箱、電機(jī)三部分看似緊密相連，其實(shí)每部分相對獨(dú)立，這樣的好處在于后期維護(hù)時(shí)，如需更換某個(gè)部件可以直接拆卸并更換，既節(jié)省人力也節(jié)約成本。三維造型：由于框架的底座需要承載整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重量，所以在設(shè)計(jì)時(shí)對其采用了特殊的結(jié)構(gòu)構(gòu)件——方形管，大小選擇80×80×5；路徑線段分為兩組，第1組選擇邊長為2000mm的正方形草圖，第2組選擇邊長為60mm的正方形草圖，應(yīng)用邊角處理選擇終端對接，即可得到如下的三維模型。圖3.15底座初步三維造型在繪制好底座的一個(gè)支架后，為了確保穩(wěn)定性，又在其與正方形框架接觸的部分加設(shè)了一組角撐板，具體參數(shù)如下圖所示：圖3.16角撐板相關(guān)參數(shù)同時(shí)為了方便現(xiàn)場安裝與固定，又在支架底部加設(shè)了凸臺，并配有M24-六角凹頭螺釘?shù)淖⌒谐令^孔，凸臺草圖如下圖所示：圖3.17凸臺草圖對支架、凸臺以及角撐板執(zhí)行【鏡向】指令，得到關(guān)于右視基準(zhǔn)面對稱的另一支架，鏡向具體參數(shù)如下圖所示：圖3.18鏡向命令相關(guān)參數(shù)將上述操作得到的一組支架再次進(jìn)行【鏡向】操作，得到關(guān)于上視基準(zhǔn)面的另一組支架；至此，底座的4個(gè)支架全部繪制完畢，具體效果圖如下所示：圖3.19底座最終三維造型因?yàn)樯喜繖C(jī)架的建模方式與底座大致相同，故不再贅述；因?yàn)轱L(fēng)輪、增速齒輪箱等裝置需要固定在機(jī)架上，所以在完成相關(guān)三維建模后需要對框架進(jìn)行打孔操作，執(zhí)行【拉伸切除】命令，在機(jī)架上開3個(gè)半徑大小為180mm、4個(gè)半徑大小為120mm的圓孔。底座相關(guān)參數(shù)：長2000mm，寬2000mm，高1000mm。機(jī)架相關(guān)參數(shù)：長2000mm，寬2000mm，高3500mm。圖3.20框架三維造型3.5發(fā)電機(jī)主體設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)輪裝置、增速齒輪箱、制動裝置、發(fā)電機(jī)和塔架等部分組成。本文設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)適用于風(fēng)力資源豐富但電力難以普及的山區(qū)或者臨時(shí)搭建的房屋。這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)也可以與太陽能電池板結(jié)合使用，在陰天下雨或者晴好無風(fēng)的天氣可以相互補(bǔ)充實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)電。理論上在其達(dá)到額定輸出功率時(shí)可以滿足各類電器的電力供應(yīng)。其主要優(yōu)點(diǎn)有：安全性好：結(jié)構(gòu)上采用垂直葉片和三角形雙樞軸設(shè)計(jì)，調(diào)整了應(yīng)力的作用點(diǎn)，使葉片因轉(zhuǎn)速過高導(dǎo)致脫落的問題得以解決。噪音較低：因?yàn)椴捎昧祟愃坪岚虻娜~片造型設(shè)計(jì)，所以除了發(fā)電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的噪音外，其余噪音基本不存在；抗風(fēng)能力強(qiáng)：結(jié)構(gòu)上采用垂直葉片和三角形雙樞軸設(shè)計(jì)使其受風(fēng)壓的影響較小，在山區(qū)或者沿海地區(qū)同樣適用?；剞D(zhuǎn)半徑?。河捎诓捎昧素Q軸設(shè)計(jì)，與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，回轉(zhuǎn)半徑更小，從而為其他部件的安裝節(jié)省了空間。風(fēng)速范圍廣泛：由于增速齒輪箱和制動裝置的存在，其風(fēng)速適用范圍從2.5m/s一直延伸到25m/s，可最大限度地利用風(fēng)能，提高發(fā)電效率。便于維護(hù)：使用不帶轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)，每六個(gè)月對各部件檢查一次即可。4三維模型渲染首先在solidworks2016中打開風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝配體，進(jìn)入【外觀】功能頁面，選擇裝配體框架，應(yīng)用到零部件層，選擇【金屬】→【鋼】→【拋光鋼】選項(xiàng)，將裝配體主體框架渲染成為帶有反光效果的光滑鋼面材質(zhì)，具體操作步驟如圖4.1、4.2所示。圖4.1選取材質(zhì)圖4.2指定部件接著選擇底板應(yīng)用到零部件層，選擇【金屬】→【鋼】→【拋光鋼】選項(xiàng)，具體操作步驟如圖4.3所示。圖4.3底板渲染然后進(jìn)行背景的渲染，在【外觀，布景和貼圖】功能頁面中點(diǎn)擊【布景】選項(xiàng)，依次選擇【基本布景】→【三點(diǎn)減退】，最終效果如下圖所示。圖4.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)三維造型結(jié)論本文首先分析了當(dāng)前的世界發(fā)展趨勢，提出了能源危機(jī)以及如何利用清潔能源。接著通過查閱各類資料，我對風(fēng)能的產(chǎn)生和利用產(chǎn)生了濃厚的興趣，并最終把設(shè)計(jì)方向確定為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動系統(tǒng)。在進(jìn)行市場和社會調(diào)查時(shí)我更深一步了解到垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)和工作原理。根據(jù)分析收集的相關(guān)數(shù)據(jù)提出了幾種可行性方案，通過進(jìn)一步計(jì)算和比對最終確定了本文的設(shè)計(jì)方案。

我國的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)行業(yè)處于起步階段，這就意味著未來充滿無限挑戰(zhàn)和機(jī)遇。隨著科技的進(jìn)步、社會的發(fā)展，各方面的用電量將呈現(xiàn)與日俱增的趨勢，這對于正在起步階段的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說無疑是一個(gè)機(jī)遇。

相信在不久的將來，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)定能在我國乃至世界市場是占有一席之地。本科論文參考文獻(xiàn)范海寬.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:北京大學(xué)出版社,2013.6:15-21

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[3]盧為平.風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)