【正文】 luding the chooses of the original spindle blank and material, the heat treatment, the special process of technology, the test of the spindle and the problems in the process, and all of these are further detailed paring to the general spindle. At the end of the paper, the selects of every machine in the process, such as the main machine, the tools, the fixture, and the measuring tools are also introduced , especially the choose of machine is very key, because the type of the machine will directly influence the spindle. Furthermore, the spindle has been done in a factory. Key Words: wind energy， wind generator， spindle of the wind generator， general spindle， blank， material， heat treatment， machine， the tools， the fixture， the measuring tools. 河海大學(xué)本科生畢業(yè)論文 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸加工工藝的研究 4 第一章 緒論 第一節(jié) 風(fēng)能利用的歷史 人類利用風(fēng)能已有數(shù)千年歷史，在蒸汽機(jī)發(fā)明之前 風(fēng)能曾經(jīng)作為重要的動(dòng)力，用于船舶航行、提水飲用和灌溉、排水造田、磨面和據(jù)木等。埃及被認(rèn)為可能 是最先利用風(fēng)能的國家，約在數(shù)千年前，他們就開始用風(fēng)帆來幫助行船，如 圖 11 所示。 圖 11 風(fēng)帆 波斯和中國也是很早開始利用風(fēng)能，主要是使 用垂直軸風(fēng)車， 如圖 12 所示。 圖 12 垂直軸風(fēng)車 在蒸汽機(jī)出現(xiàn)之前，風(fēng)力機(jī)械是動(dòng)力機(jī)械的一大支柱，其后隨著煤、石油、天然氣的大規(guī)模開采和廉河海大學(xué)本科生畢業(yè)論文 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸加工工藝的研究 5 價(jià)電力的獲得，各種曾經(jīng)被廣泛使用的風(fēng)力機(jī)械，由于成本高，效率低，使用不方便等，無法與蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)等相競爭，漸漸被淘汰。例如荷蘭現(xiàn)存幾百座風(fēng)車，被作為文物保護(hù)起來，成為旅游景觀。 第二節(jié) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù) 通常所說的風(fēng)能是空氣流動(dòng)所具有的動(dòng)能。風(fēng)力發(fā)電就是將空氣流動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。大風(fēng)包含著很大的能量。風(fēng)速為 9～ 10m／ S 的五級(jí)風(fēng)吹到物體表面上的力，風(fēng)速為 20m／ S 的九級(jí)風(fēng)吹到每 平米面積上的力約為 50kg，風(fēng)速為 50～ 60m／ S 的臺(tái)風(fēng)這個(gè)力可 200kg。風(fēng)中含有的能量比人類迄今所能控制的能量高得多，風(fēng)力是地球上重要的能源之一。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要包括轉(zhuǎn)子（回轉(zhuǎn)葉片等）、升速裝置、發(fā)電機(jī)、控制裝置、調(diào)速系統(tǒng)以及支撐鐵塔等。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電裝置作為穩(wěn)定電源經(jīng)常供電時(shí)，還必須裝設(shè)蓄能裝置（如蓄電池）。轉(zhuǎn)子上的回轉(zhuǎn)葉片受風(fēng)力沖動(dòng)，將風(fēng)力轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)的機(jī)械力，通過升速裝置驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。轉(zhuǎn)子一般為立式，葉片數(shù)一般為2～ 3 片，葉片的方向與風(fēng)向垂直，轉(zhuǎn)速只有 40～ 50r／ min，而發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高（例如 1500rmin、 50Hz的發(fā)電機(jī)），必須裝設(shè)升速裝置（齒輪、鏈條和皮帶等）?？刂蒲b置包括定向裝置（將轉(zhuǎn)于調(diào)整對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向）、起動(dòng)和停機(jī)裝置、調(diào)整風(fēng)力裝置（調(diào)整葉片角度以調(diào)整接受的風(fēng)力）和保護(hù)裝置（在過高風(fēng)速時(shí)停機(jī)以及發(fā)電機(jī)保護(hù)等）。調(diào)速裝置用來維持發(fā)電機(jī)定速回轉(zhuǎn)。支撐鐵塔用來支撐和提高轉(zhuǎn)于位置，使回轉(zhuǎn)葉片能接受較大風(fēng)速（因風(fēng)速隨高度而升高）。因風(fēng)能具有隨機(jī)性，而電力負(fù)荷則有其本身的規(guī)律，為使供電可靠，大 規(guī)模 風(fēng)電是建設(shè)多臺(tái)大型風(fēng)電機(jī)組形成的風(fēng)電廠與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行；在電網(wǎng)達(dá)不到的邊遠(yuǎn)地區(qū)則采用風(fēng)電機(jī)組與柴油發(fā)電機(jī)組 聯(lián)合運(yùn)行的方式，既可節(jié)油又可保證連續(xù)供電。 第三節(jié) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的特點(diǎn) 風(fēng)能是因空氣流做功而提供給人類的一種可利用的能量。空氣流 動(dòng) 具有的動(dòng)能稱風(fēng)能?？諝饬魉僭礁撸瑒?dòng)能越大。人們可以用風(fēng)車把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作去推動(dòng)發(fā)電機(jī)，以產(chǎn)生電力，方法是透過傳動(dòng)軸，將轉(zhuǎn)子（由以空氣動(dòng)力推動(dòng)的扇葉組成）的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳送至發(fā)電機(jī)。到 2020 年為止，全世界以風(fēng)力產(chǎn)生的電力約有 百萬千瓦，供應(yīng)的電力已超過全世界用量的 1%。風(fēng)能雖然對(duì)大多數(shù)國家而言還不是主要的能源，但在 1999 年到 2020 年之間已經(jīng)成長了四倍以上 。 風(fēng)能優(yōu)點(diǎn) 1． 風(fēng)能為潔凈的能量來源。 2． 風(fēng)能設(shè)施日趨進(jìn)步，大量生產(chǎn)降低成本，在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電成本已低于發(fā)電機(jī)。 3． 風(fēng)能設(shè)施多為不立體化設(shè)施，可保護(hù)陸地和生態(tài)。 4． 風(fēng)力發(fā)電是可再生能源，很環(huán)保。 風(fēng)能缺點(diǎn) 1． 風(fēng)力發(fā)電在生態(tài)上的問題是可能干擾鳥類，如美國堪薩斯州的松雞在風(fēng)車出現(xiàn)之后已漸漸消失。目前的解決方案是離岸發(fā)電，離岸發(fā)電價(jià)格較高但效率也高。 2． 在一些地區(qū)風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性不足 ， 許多地區(qū)的風(fēng)力有間歇性，更糟糕的情況是如臺(tái)灣等地在電力河海大學(xué)本科生畢業(yè)論文 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸加工工藝的研究 6 需求較高的夏季及白日、是風(fēng)力較少的時(shí)間 ， 必須等待壓 縮空氣等儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展。 3． 風(fēng)力發(fā)電需要大量土地興建風(fēng)力發(fā)電場，才可以生產(chǎn)比較多的能源。 4. 進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)發(fā)出龐大的噪音，所以要找一些空曠的地方來興建。 第四節(jié) 我國目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)的概況 及發(fā)展前景 我國風(fēng)能資源比較豐富，是風(fēng)能利用的大國之一，風(fēng)力提水和風(fēng)帆運(yùn)輸曾有過輝煌歷史。 風(fēng)力提水和風(fēng)帆運(yùn)輸曾有過輝煌歷史，中國 10 米高度層的風(fēng)能總儲(chǔ)量為 32． 26 億千瓦，實(shí)際可開發(fā)量為 2． 53 億千瓦，可開發(fā)的風(fēng)能資源十分豐富。風(fēng)能資源豐富區(qū)主要集中在東南沿海、廣東沿海及其島嶼，占全國總面積的 8％ 。風(fēng)資源較豐富區(qū)主要在東北、華北和西北北部地區(qū)，東南沿海距海岸線 50～ 100km 的內(nèi)陸地區(qū)、海南島西部、臺(tái)灣島南北兩端以及新疆阿拉山地區(qū)，占全國總面積的 18％。風(fēng)能資源可利用區(qū)包括黃河、長江中下游、東北、華北和西北除上述豐富區(qū)以外的地區(qū)、青藏高原東部地區(qū)等，占全國總面積的 50％。中國大部分的貧困偏遠(yuǎn)、電網(wǎng)達(dá)不到、至今還沒有用上電的地區(qū)在這個(gè)區(qū)域之內(nèi)。因此我們可以充分地利用這些地區(qū)的風(fēng)能資源，用風(fēng)力發(fā)電來解決農(nóng)牧漁民的生活和生產(chǎn)用電問題。 近代風(fēng)力發(fā)電在我國起步較晚，前些年主要是建設(shè)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)（ 10kW 以下 ）。 50～ 200W 微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組己定型投入批量牛產(chǎn)，年生產(chǎn)能力達(dá)一萬臺(tái)以上； l～ 20kW 容量的中、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 已經(jīng) 達(dá)到小批量生產(chǎn)階段。目前正在研制 50～ 200kW 大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。據(jù) 1992 年末的統(tǒng)計(jì)，已推廣使用微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組約 12 萬臺(tái)，總裝機(jī)容量約 。并在國際合作和引進(jìn)國外機(jī)組的條件下，已在新疆、內(nèi)蒙古等區(qū)建立了 14 個(gè)風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)場，安裝 大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多臺(tái)。僅新疆 大板 城風(fēng)電場裝機(jī)容量己突破 10MW，其經(jīng)濟(jì)效益越來越明顯 ， 如圖 13 所示 圖 13 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 河海大學(xué)本科生畢業(yè)論文 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸加工工藝的研究 7 第二章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸加工工藝 第一節(jié) 普通 主軸加工工藝 一、 主軸毛坯的制造 常見毛坯種類有以下幾種：鑄件、鍛件、型材、焊接件和其他毛坯。毛坯的選擇原則有四個(gè)因素： 1零件的生產(chǎn)綱領(lǐng) 大量生產(chǎn)的零件應(yīng)選擇精度和生產(chǎn)率高的毛坯制造方法，用于毛坯制造的昂貴費(fèi)用可由材料消耗的減少和機(jī)械加工費(fèi)用的降低來補(bǔ)償。如鑄件采用金屬模機(jī)器造型或精密鑄造；鍛件采用模鍛、精鍛；選用冷拉和冷軋型材。單件小批生產(chǎn)時(shí)應(yīng)選擇精度和生 產(chǎn)率較低的毛坯制造方法。 2零件材料的工藝性 例如材料為鑄鐵或青銅等的零件應(yīng)選擇鑄造毛坯；鋼質(zhì)零件當(dāng)形狀不復(fù)雜，力學(xué)性能要求又不太高時(shí)，可選用型材；重要的鋼質(zhì)零件，為保證其力學(xué)性能，應(yīng)選擇鍛造件毛坯。 3零件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸 形狀復(fù)雜的毛坯，一般采用鑄造方法制造，薄壁零件不宜用砂型鑄造。一般用途的階梯軸，如各段直徑相差不大，可選用圓棒料；如各段直徑相差較大，為減少材料消耗和機(jī)械加工的勞動(dòng)量，則宜采用鍛造毛坯，尺寸大的零件一般選擇自由鍛造，中小型零件可考慮選擇模鍛件。 4現(xiàn)有的生產(chǎn)條件 選擇毛坯時(shí)，還要考慮本廠的毛坯制造水平、設(shè)備條件以及外協(xié)的可能性和經(jīng)濟(jì)性等。 二 、 主軸的材料和熱處理 45 鋼是普通機(jī)床主軸的常用材料，淬透性比合金鋼差，淬火后變形較大，加工后尺寸穩(wěn)定性也較差，要求較高的主軸則采用合金鋼材料為宜。選擇合適的材料并在整個(gè)加工過程中安排足夠和合理的熱處理工序，對(duì)于保證主軸的力學(xué)性能、精度要求和改善其切削加工性 能非常重要。 在鍛造生產(chǎn)中，出冷鍛以外，溫鍛、熱鍛均需要將金屬加熱至一定溫度進(jìn)行鍛造。加熱的目的是：提高金屬的塑性，以利于鍛件成型和獲得良好的金屬組織；降低變形抗 力，以便減小鍛壓設(shè)備的能耗。 金屬材料的加熱方法，按所采用熱源的不同，可分為火焰加熱與電加熱兩大類。 1 火焰加熱 火焰加熱是利用燃料（煤、焦炭、重油、柴油、煤氣或天然氣等）在加熱爐內(nèi)燃燒所產(chǎn)生的高溫氣體（火焰），通過對(duì)流、輻射把熱能傳給皮料表面，再由表面向中心熱傳導(dǎo)，是坯料熱至一定的溫度。 2 電加熱 電加熱是利用電能轉(zhuǎn)換為熱能來加熱金屬坯料。電加熱用設(shè)備有電阻爐、鹽浴爐、感應(yīng)加熱裝置和接觸加熱裝置等。 車床主軸的熱處理主要包括以下幾方面： (1)毛坯熱處理。車床主軸的毛坯熱處理一般用正火，其目的是消 除鍛造應(yīng)力，細(xì)化晶粒，并使金屬組織均勻，以利于切削加工。 (2)預(yù)備熱處理。在粗加工之后半精加工之前 安排調(diào)質(zhì)處理，目的是獲得均勻細(xì)密的回火索氏體組織，提高其綜合力學(xué)性能，同時(shí)，細(xì)密的河海大學(xué)本科生畢業(yè)論文 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸加工工藝的研究 8 索氏體金相組織有利于零件精加工后獲得光潔的表面。 (3)最終熱處理。主軸的某些重要表面需經(jīng)高頻淬火。最終熱處理一般安排在半精加工之后，精加工之前，局部淬火產(chǎn)生的變形在最終精加工時(shí)得以糾正。精度要求高的主軸，在淬火回火后還要進(jìn)行定性處理。定性處理的目的是消除加工的內(nèi)應(yīng)力，提高主軸的尺寸穩(wěn)定性，使它能長期保持精度。定性處理是在精加工之后 進(jìn)行的，如低溫人工時(shí)效或水冷處理。熱處理次數(shù)的多少?zèng)Q定于主軸的精度要求、經(jīng)濟(jì)性以及熱處理效果。 CA6140 車床主軸一般經(jīng)過正火、調(diào)質(zhì)和表面局部淬火 3 個(gè)熱處理工序，無需進(jìn)行定性處理。 三 、 加工階段的劃分 (1)粗加工階段。毛坯處理 :毛坯備料、鍛造和正火。粗加工 :銑端面、鉆中心孔和粗車外圓等。這一階段的主要目的是用大的切削用量切除大部分余量，把毛坯加工到接近工件的最終形狀和尺寸，只留下少量的加工余量。通過這階段還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)鍛件裂紋等缺陷，采取相應(yīng)措施 (2)半精加工階段。半精加工前熱處理 :對(duì)于 45 鋼一般采用調(diào) 質(zhì)處理，達(dá)到 220~240 HBS。半精加工 :車工藝錐面 (定位錐孔 )、半精車外圓端面和鉆深孔等。這個(gè)階段的主要目的是為精加工做好準(zhǔn)備，尤其為精加工做基面準(zhǔn)備。對(duì)于一些要求不高的表面，如大端端面各孔，在這個(gè)階段加工到圖樣規(guī)定的要求。 (3)精加工階段。精加工前熱處理 :局部高頻淬火。精加工前各種加工 :粗磨定位錐面、粗磨外圓、銑鍵槽和花鍵槽以及車螺紋等 ~精加工 :精磨外圓和兩處 ~外錐面及莫氏 6 號(hào)內(nèi)錐孔，從而保證主軸最重要表面的精度。這一階段的目的是把各表面都加工到圖樣規(guī)定的要求。粗加工、半精加工、精加工階段的劃分大 體以熱處理為界。由此可見 ，整個(gè)主軸加工的工藝過程就是以主要表面 (支承軸頸、錐孔 )的粗加工、半精加工和精加工為主，適當(dāng)插人其他表面的加工工序而組成的。這就說明，加工階段的劃分起主導(dǎo)作用的是工件精度要求。對(duì)于一般精度的機(jī)床主軸，精磨是最終機(jī)械加工工序。對(duì)精密機(jī)床的主軸，還要增加光整加工階段，以求獲得更高的尺寸精度和更低的表面粗糙度。 (4)因主軸的螺紋對(duì)支承軸頸有一定的同軸度要求，故放在淬火之后的精加工階段進(jìn)行，以免受半精加工所產(chǎn)生的應(yīng)力以及熱處理變形的影響。 (5)主軸是加工要求很高的零件，需安排多次檢驗(yàn)工 序。檢驗(yàn)工序一般安排在各加工階段前后，以及重要工序前后和花費(fèi)工時(shí)較多的工序前后，總檢驗(yàn)則放在最后。必要時(shí)，還應(yīng)安排探傷工序。