V某垂直軸風機核心部件的選型和校核計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u1131某垂直軸風機核心部件的選型和校核計算案例 1284161.1紅燈籠葉片力學分析和強度校核 123891.2發(fā)電機選型 397341.3軸承選型 5243431.3.1軸承選擇概要 5204571.3.2滾動軸承特性 533471.3.3確定軸承類型 5152671.4深溝球軸承校核 61.1紅燈籠葉片力學分析和強度校核利用SolidWorks軟件繪制單只紅燈籠葉片的三維模型，然后選擇零件導出工程圖標記半徑和高度尺寸，工程圖如圖1.1示：圖1.1紅燈籠葉片工程圖紅燈籠風力發(fā)電機的葉片在正常運轉(zhuǎn)時，受到垂直于來流風速平面風載的作用，力的作用是相互的，因此葉片受到反作用力慣性產(chǎn)生離心力沿著半徑背離軸心。設風載為P1，離心力為P2，查閱計算手冊得到風載的計算公式=4\*GB2⑷如下： P1=式中：ρ——為空氣密度，單位kg/mv——來流風速，單位m/s;g——重力加速度，單位m/SH——風翼葉片高度，單位m?？諝饷芏热ˇ?1.300，來流風速取v=12m/s，重力加速度取g=10N/kg。利用AutoCAD軟件繪制紅燈籠葉片的受力分析，葉片逆時針旋轉(zhuǎn)的受力分析如圖1.2所示，經(jīng)公式=4\*GB2⑷計算得到風載P1=5.59N。圖1.2葉片受力分析圖查機械設計手冊可知葉片離心力的計算公式如下： P2=m發(fā)電機的質(zhì)量為4.5kg，單個葉片的質(zhì)量為1kg，風力機的主體總重力為250N。單個葉片質(zhì)量取m=1kg，風輪額定轉(zhuǎn)速n=600r/min，紅燈籠葉片半徑r=0.45m。那么經(jīng)計算得出單個葉片的離心力P2由于在本設計中學生缺乏對流體力學的學習，故不作流體力學的復雜分析研究。我們可以把紅燈籠風力發(fā)電機的葉片簡化分析，因為葉片只受到風載和離心力的作用，所以可以用簡支梁的力學分析替代復雜流體力學的分析，研究葉片的最大彎曲程度是否滿足工作要求，其中同一方向的合力（風載和離心力）可以看作均布載荷作用載簡支梁上，應用AutoCAD軟件繪制簡支梁的受載圖，如圖1.3所示。圖1.3繪制紅燈籠葉片力學簡圖經(jīng)過查閱計算手冊，簡支構(gòu)件最大彎矩的計算公式如下： Mmax=簡支梁的應力計算公式如下： σ=Mmax ω1= I=y2綜上所得風載P1=5.59N，離心力P2=1775N，代入聯(lián)合上述（6-9）公式中得到最大彎曲應力σ=3030N/m通過如圖1.4紅燈籠葉片撓度變形圖可以看出，葉片折斷需要的最大應力為2011N，合應力的作用遠小于最大應力，故這足以證明紅燈籠葉片的抗彎強度滿足使用標準。圖1.4葉片受力變形圖1.2發(fā)電機選型紅燈籠風力發(fā)電機的發(fā)電效率取決于發(fā)電機的選型是否合理，而發(fā)電機作為整個發(fā)電系統(tǒng)的心臟，在其中更是扮演著不可或缺的角色，一旦少了它發(fā)電就不可能完成，因此選擇一款功率合適、性能穩(wěn)定、發(fā)電效率高、強度大的發(fā)電機顯得格外重要。通過網(wǎng)絡對比發(fā)電機廠牌提供的數(shù)據(jù)，最終選擇由江蘇乃爾風電技術(shù)開發(fā)有限公司自主研制設計生產(chǎn)的發(fā)電機，該發(fā)電機屬于三相交流永磁發(fā)電機，采用專利技術(shù)，特殊定子和轉(zhuǎn)子設計，啟動阻力矩小，并且散熱性好，同時外殼采用壓鑄鋁合金，耐酸防腐。另外該發(fā)電機采用雙軸承傳動，傳動平穩(wěn)可靠、體積小巧、便于搬運安裝，很適合本次課題設計的紅燈籠風力發(fā)電機的使用。永磁發(fā)電機的主要參數(shù)如下表2所示：表2發(fā)電機基本參數(shù)型號NE-300額定功率（W）300W額定電壓（V）12V/24V額定轉(zhuǎn)速（r/min）600r/凈重（kg）4.5kg永磁發(fā)電機三相交流永磁發(fā)電機發(fā)電機高度（mm）70mm發(fā)電機直徑（mm）150mm絕緣等級F防護等級IP55使用壽命（年）>20年表面處理噴塑永磁材料稀土釹鐵蹦發(fā)電機外殼鋁合金外殼通過瀏覽江蘇乃爾風電企業(yè)網(wǎng)站，下載三相交流永磁發(fā)電機的示意圖如圖1.5示：圖1.5三相交流永磁發(fā)電機依據(jù)該公司提供的發(fā)電機尺寸，利用CAD軟件繪制三相交流永磁發(fā)電機工程圖如圖1.6所示：圖1.6三相交流永磁發(fā)電機工程圖1.3軸承選型1.3.1軸承選擇概要市場對使用滾動軸承的各類機械裝置和儀器的工作性能要求日趨嚴格，對軸承要求的條件和性能也日益多樣化。為了從數(shù)量眾多的結(jié)構(gòu)、尺寸中，選擇最合適的軸承，需要從各種角度對其進行深入研究。在軸承選型時，通?？紤]軸系中軸承的配制是否滿足300W三相交流永磁發(fā)電機的使用要求。此外，還要根據(jù)不同的應用場合針對精度、游隙、保持架構(gòu)造、潤滑油脂等提出專門的設計技術(shù)要求。然而軸承的選擇沒有一個固定的順序和規(guī)律，優(yōu)先考慮軸承使用所需要的條件和性能事項是否更具有實際意義。1.3.2滾動軸承特性滾動軸承具有一下特性：比較易于再高、低溫工況使用。一般能夠同時承受徑向載荷和軸向載荷。為了提高剛度，即使在負游隙也能使用。1.3.3確定軸承類型軸承的主要功能是支撐機械旋轉(zhuǎn)體，降低其運動過程中的摩擦系數(shù)，且要保證其在回轉(zhuǎn)時的準確性。我們可以簡單理解成它是用來固定軸的，使其只能實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，而且還能控制它在軸向和徑向之間的移動。如果風機的軸上沒有軸承就無法正常工作，因為軸承可以向任意方向旋轉(zhuǎn)，而在正常工作時要求風機的軸，只能做轉(zhuǎn)動，因此需要選擇尺寸、性能和結(jié)構(gòu)合適的一款軸承。經(jīng)過多次嚴格篩選最終選擇了日本精工珠式會社（NSK）生產(chǎn)的滾動軸承，該滾動軸承屬于單列深溝球軸承。單列滾動軸承適合安裝于300W小型風力發(fā)電機上。根據(jù)NSK滾動軸承技術(shù)手冊，單列深溝球軸承的如圖1.7和圖1.8所示：圖1.7單列深溝球軸承結(jié)構(gòu)設計圖1.8單列深溝球軸承剖視圖1.4深溝球軸承校核通過運動分析，風翼葉片受來流風速作用，帶動風輪轂轉(zhuǎn)動，風輪轂通過軸和深溝球軸承與發(fā)電機直接相連，風輪轂轉(zhuǎn)動時，軸上深溝球軸承只受到徑向力作用，由于采用雙深溝球軸承來減低運行振動和提高抗風能力，故將其當一個軸承進行受力分析，則取深溝球軸承上的徑向載荷大小為：F由上述300W三相交流永磁發(fā)電機可知，軸承轉(zhuǎn)速n=600r/min,軸頸直徑d=15mm。由于運轉(zhuǎn)時受到?jīng)_擊載荷，按照《機械設計手冊》表13-6，取載荷系數(shù)fp初步計算當量動載荷：P=設軸承預期計算壽命：L通過公式可以計算得到單只軸承的基本額定動載荷：C=式中：C——基本額定動載荷，單位N；ftn——滾動軸承的轉(zhuǎn)速，單位r/min；P——滾動軸承的當量動載荷，單位N；L?'——軸承預期壽命，單位對于球軸承ε=3，對于滾子軸承ε=103，取溫度系數(shù)計算得出C=504N。查表得出，16002滾動軸承的基本額定動載荷：C此軸承的基本額定靜載荷：C驗算16002軸承壽命：L經(jīng)計算得出L所以選擇16002軸承可滿足設計要求。圖1.9深溝球軸承尺寸圖表3深溝球軸承型號基本尺寸/mm安裝尺寸/mm其他尺寸/mm基本額定載荷/kN重量/kg軸承代號dDBdminDmaxrmaxd?D?rminCCW?6000型1524517220.317.621.40.32.101.300.0056180228717.4260.318.324.70.34.302.400.0126190232817.429.60.320.226.80.35.602.800.0231600232917