V某垂直軸風(fēng)機(jī)核心部件的選型和校核計(jì)算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u1131某垂直軸風(fēng)機(jī)核心部件的選型和校核計(jì)算案例 1284161.1紅燈籠葉片力學(xué)分析和強(qiáng)度校核 123891.2發(fā)電機(jī)選型 397341.3軸承選型 5243431.3.1軸承選擇概要 5204571.3.2滾動(dòng)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(xué)分析和強(qiáng)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(dǎo)出工程圖標(biāo)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，受到垂直于來流風(fēng)速平面風(fēng)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(shè)風(fēng)載為P1，離心力為P2，查閱計(jì)算手冊(cè)得到風(fēng)載的計(jì)算公式=4\*GB2⑷如下： P1=式中：ρ——為空氣密度，單位kg/mv——來流風(fēng)速，單位m/s;g——重力加速度，單位m/SH——風(fēng)翼葉片高度，單位m。空氣密度取ρ=1.300，來流風(fēng)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(shí)針旋轉(zhuǎn)的受力分析如圖1.2所示，經(jīng)公式=4\*GB2⑷計(jì)算得到風(fēng)載P1=5.59N。圖1.2葉片受力分析圖查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知葉片離心力的計(jì)算公式如下： P2=m發(fā)電機(jī)的質(zhì)量為4.5kg，單個(gè)葉片的質(zhì)量為1kg，風(fēng)力機(jī)的主體總重力為250N。單個(gè)葉片質(zhì)量取m=1kg，風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速n=600r/min，紅燈籠葉片半徑r=0.45m。那么經(jīng)計(jì)算得出單個(gè)葉片的離心力P2由于在本設(shè)計(jì)中學(xué)生缺乏對(duì)流體力學(xué)的學(xué)習(xí)，故不作流體力學(xué)的復(fù)雜分析研究。我們可以把紅燈籠風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片簡(jiǎn)化分析，因?yàn)槿~片只受到風(fēng)載和離心力的作用，所以可以用簡(jiǎn)支梁的力學(xué)分析替代復(fù)雜流體力學(xué)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(fēng)載和離心力）可以看作均布載荷作用載簡(jiǎn)支梁上，應(yīng)用AutoCAD軟件繪制簡(jiǎn)支梁的受載圖，如圖1.3所示。圖1.3繪制紅燈籠葉片力學(xué)簡(jiǎn)圖經(jīng)過查閱計(jì)算手冊(cè)，簡(jiǎn)支構(gòu)件最大彎矩的計(jì)算公式如下： Mmax=簡(jiǎn)支梁的應(yīng)力計(jì)算公式如下： σ=Mmax ω1= I=y2綜上所得風(fēng)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(yīng)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(yīng)力為2011N，合應(yīng)力的作用遠(yuǎn)小于最大應(yīng)力，故這足以證明紅燈籠葉片的抗彎強(qiáng)度滿足使用標(biāo)準(zhǔn)。圖1.4葉片受力變形圖1.2發(fā)電機(jī)選型紅燈籠風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率取決于發(fā)電機(jī)的選型是否合理，而發(fā)電機(jī)作為整個(gè)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(qiáng)度大的發(fā)電機(jī)顯得格外重要。通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)比發(fā)電機(jī)廠牌提供的數(shù)據(jù)，最終選擇由江蘇乃爾風(fēng)電技術(shù)開發(fā)有限公司自主研制設(shè)計(jì)生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)屬于三相交流永磁發(fā)電機(jī)，采用專利技術(shù)，特殊定子和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，啟動(dòng)阻力矩小，并且散熱性好，同時(shí)外殼采用壓鑄鋁合金，耐酸防腐。另外該發(fā)電機(jī)采用雙軸承傳動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)可靠、體積小巧、便于搬運(yùn)安裝，很適合本次課題設(shè)計(jì)的紅燈籠風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用。永磁發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)如下表2所示：表2發(fā)電機(jī)基本參數(shù)型號(hào)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(jī)三相交流永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)高度（mm）70mm發(fā)電機(jī)直徑（mm）150mm絕緣等級(jí)F防護(hù)等級(jí)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(jī)外殼鋁合金外殼通過瀏覽江蘇乃爾風(fēng)電企業(yè)網(wǎng)站，下載三相交流永磁發(fā)電機(jī)的示意圖如圖1.5示：圖1.5三相交流永磁發(fā)電機(jī)依據(jù)該公司提供的發(fā)電機(jī)尺寸，利用CAD軟件繪制三相交流永磁發(fā)電機(jī)工程圖如圖1.6所示：圖1.6三相交流永磁發(fā)電機(jī)工程圖1.3軸承選型1.3.1軸承選擇概要市場(chǎng)對(duì)使用滾動(dòng)軸承的各類機(jī)械裝置和儀器的工作性能要求日趨嚴(yán)格，對(duì)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(duì)其進(jìn)行深入研究。在軸承選型時(shí)，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(jī)的使用要求。此外，還要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合針對(duì)精度、游隙、保持架構(gòu)造、潤(rùn)滑油脂等提出專門的設(shè)計(jì)技術(shù)要求。然而軸承的選擇沒有一個(gè)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(xiàng)是否更具有實(shí)際意義。1.3.2滾動(dòng)軸承特性滾動(dòng)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(shí)承受徑向載荷和軸向載荷。為了提高剛度，即使在負(fù)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(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低其運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦系數(shù)，且要保證其在回轉(zhuǎn)時(shí)的準(zhǔn)確性。我們可以簡(jiǎn)單理解成它是用來固定軸的，使其只能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，而且還能控制它在軸向和徑向之間的移動(dòng)。如果風(fēng)機(jī)的軸上沒有軸承就無法正常工作，因?yàn)檩S承可以向任意方向旋轉(zhuǎn)，而在正常工作時(shí)要求風(fēng)機(jī)的軸，只能做轉(zhuǎn)動(dòng)，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(yán)格篩選最終選擇了日本精工珠式會(huì)社（NSK）生產(chǎn)的滾動(dòng)軸承，該滾動(dòng)軸承屬于單列深溝球軸承。單列滾動(dòng)軸承適合安裝于300W小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。根據(jù)NSK滾動(dòng)軸承技術(shù)手冊(cè)，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(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)分析，風(fēng)翼葉片受來流風(fēng)速作用，帶動(dòng)風(fēng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)輪轂通過軸和深溝球軸承與發(fā)電機(jī)直接相連，風(fēng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(yùn)行振動(dòng)和提高抗風(fēng)能力，故將其當(dāng)一個(gè)軸承進(jìn)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(jī)可知，軸承轉(zhuǎn)速n=600r/min,軸頸直徑d=15mm。由于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受到?jīng)_擊載荷，按照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表13-6，取載荷系數(shù)fp初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷：P=設(shè)軸承預(yù)期計(jì)算壽命：L通過公式可以計(jì)算得到單只軸承的基本額定動(dòng)載荷：C=式中：C——基本額定動(dòng)載荷，單位N；ftn——滾動(dòng)軸承的轉(zhuǎn)速，單位r/min；P——滾動(dòng)軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷，單位N；L?'——軸承預(yù)期壽命，單位對(duì)于球軸承ε=3，對(duì)于滾子軸承ε=103，取溫度系數(shù)計(jì)算得出C=504N。查表得出，16002滾動(dòng)軸承的基本額定動(dòng)載荷：C此軸承的基本額定靜載荷：C驗(yàn)算16002軸承壽命：L經(jīng)計(jì)算得出L所以選擇16002軸承可滿足設(shè)計(jì)要求。圖1.9深溝球軸承尺寸圖表3深溝球軸承型號(hào)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(hào)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