针对目前风电机组齿轮箱维修费用高,齿轮箱维修困难,机舱内现场维修齿轮箱零部件需要的操作人员较多,自动化水平低等问题,对风电机组结构及目前机舱内更换齿轮箱高速轴的工艺进行了分析。以恩德NORDEXS77/1500风力发电机组为研究对象,首先进行了更换装置的整体方案设计,设计了一种机械臂式的齿轮箱高速轴空中更换装置;其次对该机械臂式更换装置采用模块化的设计方法,将整个齿轮箱高速轴更换装置分为底座、回转机构、对中机构、横移机构、夹具、卷拉机构等六个模块,分别对各模块进行设计和选型计算,得到了一种结构紧凑、功能稳定、满足风电机组机舱空间需求的齿轮箱高速轴更换装置;最后,运用Solidworks软件设计出了产品三维模型,装配成虚拟样机,并对样机进行干涉分析。通过ANSYS Workbench对横移机构进行静力学分析,利用ADMAS软件建立高速轴更换装置的虚拟样机模型并对更换装置更换高速轴的过程进行运动学分析,得到该更换装置在机舱内拆卸高速轴时在X、Y、Z三个方向的位移,更换装置执行机构的运动速度、加速度和能量随时间变化曲线,结果表明:更换装置可以满足在机舱实现更换高速轴的需求,稳定性良好。本设计通过对更换装置的静力学分析和运动性能分析,并试制了更换装置的功能性样机,通过试验验证本更换装置可以为风力发电机组齿轮箱维修领域的设计提供依据。