齿轮箱加速寿命实验

考虑性能退化的风电齿轮箱加速寿命试验研究陈文华1,2 郑明亮1 潘俊1 李剑敏1 李奇志1 (1. 浙江理工大学机械设计与制造研究所 杭州 310018； 2. 浙江大学机械设计研究所 杭州 310027)摘要：针对风电齿轮箱在设计过程难以有效估算其寿命的问题，提出了一种基于性能加速退化的可靠寿命试验方法。通过研究齿轮箱的失效模式和失效机理，选择扭矩作为加速应力和传动效率作为性能退化参数，建立其加速退化试验方案，在此基础上利用极大似然估计方法和Miner线性累积疲劳损伤理论，得到齿轮箱的可靠寿命分布预测规律。以杭州前进齿轮公司某型号齿轮箱的加速性能退化试验数据为例进行可靠性分析。结果表明：该方法是可行的，能有效缩短试验周期，节约试验成本，为风电齿轮箱寿命试鉴定提供了参考。关键字：齿轮箱；失效机理；加速退化；寿命分布引言风力发电作为环保能源在全球得到了快速健康的发展1。风电齿轮箱作为风力发电系统的重要部件，其性能和可靠性直接决定了整机系统的可靠性。目前大多数齿轮箱制造厂商都采用逐级加载载荷的验证方法来检测齿轮的啮合状况、润滑油路及振动噪声情况2，但由于试验费用和试验设备的限制，工厂对齿轮箱的各种试验一般只进行几十到几百个小时，试验样本也是极少的，而齿轮箱是一种可靠性高的长寿命产品，通常无法获得失效数据，加上对于风电齿轮箱在复杂、恶劣的随机风载环境下的动态服役行为以及其失效机理还未得到较为深入的研究和分析，一直未建立一套科学合理的寿命试验方法和寿命可靠性的评价体系，因此。开展复杂载荷工况下长寿命齿轮箱的可靠寿命鉴定试验对风电产业有着极为重大意义。 基于性能加速退化数据的可靠性分析方法是一种评估长寿命产品可靠性的有效方法，它通过对产品加速退化数据的统计分析，预测产品的可靠度或剩余寿命。本文将基于性能加速退化数据的可靠性分析方法应用于风电齿轮箱的可靠性验证试验中，针对某型号的杭州前进齿轮箱进行研究，分析该种齿轮箱的性能加速退化试验数据，以验证齿轮箱的可靠寿命。1风电齿轮箱的故障模式与失效机理在基于性能退化数据的齿轮箱可靠性分析中，齿轮箱的退化数据主要来自性能退化试验。性能退化试验方案的确定是进行试验数据分析的一个必要前提，它涉及到敏感退化参数的选择、退化量的测量刻、失效判据的确定等一系列内容，为保证试验方案的合理性与可行性，获取的试验数据的正确性和有效性，需要对齿轮箱的失效模式、失效机理等方面进行系统地研究和分析。齿轮箱系统作为整个风机系统的核心部件，受到通过叶片系统传递来的低速强载荷的扰动冲击作用，同时承载齿轮箱的机舱系统在阵风作用下也有较大幅度的摆动，再加上内部的温度、润滑状态的变动、传动系统的结构及装配质量技术误差等，使得齿轮箱成为风力发电系统故障率最高的部件3。一般来说齿轮箱中相对轴承而言，齿轮是相对薄弱构件，齿轮轮齿损伤是目前比例大且影响相对较大的损伤形式（图1）。风电齿轮箱上承受的载荷变化比较大，特别是由极限风速或湍流工况引起的系统过载以及由调距或机械制动等引起的瞬时峰值载荷，尽管瞬时峰值载荷在整个运行周期中作用时间不长，但是却对齿轮特别是齿面损伤有极大影响。轮齿齿面损伤的常见规律可归纳为：“点蚀-剥落-断齿”三部曲，考虑到润滑不良、热处理和安装调试等状况，由于齿面在交变载荷下承受过大的接触剪应力、过多的应力循环次数，因此齿面容易发生胶合、点蚀、齿面剥落、表面压碎等损伤。比较典型的是行星轮系，行星轮在运转过程中总是双向受力，受齿轮精度、强度的影响，容易出现疲劳断齿现象；太阳轮具有结构小、载荷大的特点，其精度保持性低，易诱发失效。损伤是材料表面的不可逆过程,它具有复杂性、阶段性与随机性。损伤的复杂性在于摩擦表面间的应力、热及物理、化学相互作用的过程。它与摩擦运动速度、压力、表面粗糙度、材料性能、摩擦磨损类型、润滑状态、表面涂层、摩擦副结构等因素有关。 图1 轮齿损伤断裂失效2风电齿轮箱的性能加速退化试验方案 加速寿命试验即通过加大应力来缩短试验时间。加速寿命试验的类型很多，常用的有3类: 恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验和序进应力加速寿命试验。因恒加试验方法操作简单，数据处理方法也较为成熟，文中选用恒加应力试验方法。2.1加速应力选择 影响齿轮箱寿命的应力有冲击力、扭矩（转速）、温度、润滑条件以及油液的污染等4，由于润滑脂的黏度指数高达350，由于小幅度的提高油液污染对齿轮箱的润滑状况影响较小，大幅度的改变温度又会导致齿轮接触区域的失效机理发生变化。而适当的会增大冲击载荷又会造成轴承滚动体的磨损和离心力增大，造成传动效率的损失加大，因此以上几种均不适合作为加速应力，可以选择输入轴端的扭矩（转速）作为齿轮箱加速寿命试验的加速应力，试验中扭矩由力矩电机加载，操作方便，易于控制，效果明显可行。2.2退化参数选择 随机风载环境下齿轮箱的性能退化是以其传动效率为表征量。损伤积累的过程中增大了齿轮接触副的间隙，造成传动效率的降低。 （1）式中为输出轴端扭矩，为空载运转扭矩，为齿轮的啮合效率，传动比。针对本文所研究的风电齿轮箱，其性能退化试验还可选择剥落系数和噪声特征为检测的性能退化敏感参数5。通过调研发现:剥落系数的计算与测定涉及齿轮的剥落面积，这一般需要通过精密仪器测量，而噪声分贝的测量易受到环境因素的影响，干扰性强，误差大。在长试、寿命保证期试验，以上3个参数都会出现不同程度的退化波动，但最容易观察和准确测量退化敏感参数还是传动功率。2.3加速退化模型 加速寿命试验中的加速模型反映了各种特征量与施加应力水平的关系，可以通过对加速试验数据的分析，对加速模型中的各参数进行估计，然后再由加速模型对正常应力水平下的特征量做出推断。加速退化模型假设6:产品的性能退化不可逆转，并且产品的退化(失效)机理在提高应力过程中并未发生变化。齿轮箱在交变载荷状态下其损伤率的大小主要由粗糙表面微凸体间的接触程度所决定的，而接触程度越大会造成更大的摩擦阻力，而且齿轮箱失效的主要原因是太阳轮内壁与柔性轴承外圈长期处于混合润滑的状态，基于此构建了基于损伤系数为表征量的混合润滑状态下的黏着损伤模型（阿伦尼斯模型）。 (2)式中激活能，为玻尔兹曼常数，为损失率，为应力（扭矩）。3风电齿轮箱随机载荷工况下的可靠度 本文针对多个试验样品中测量的加速性能退化数据进行分析，采用退化轨迹拟合法来预测齿轮箱的可靠性，具体方法和步骤如下：假设在应力水平(=1,2.d)下，从该型号的齿轮箱产品中随机抽取个样品进行加速退化试验，第个产品在时刻监测其性能参数的退化量，为方便，规定监测时间间隔为同一值。假设退化量随时间退化的轨迹用布朗运动进行拟合： (3)为产品性能在初始时刻的初始值;B(t)为标准布朗运动，B(t)N(0,t);为漂移系数其与应力函数满足（2）式；为扩散系数，在整个加速退化试验中不随应力而改变。取似然函数，其对数似然函数为： （4）通过对式(4)各参数求偏导数，令导数等于零，则可以求得每个参数的极大似然估计值。结合式（2），对利用最小二乘法可以得到和的估计值。设风电齿轮箱所受实际载荷谱为，为幅值，为作用频次，为频度。根据Palmgrem-Miner定则，零件在一系列不同的重复应力水平下所造成疲劳累积损伤度，等于每一应力水平的应力循环次数与材料应力循环次数特性线上该应力水平对应的循环次数的比值之和。设固定转速为，当量应力水平为，则根据： (5)可求出当量应力水平，式中为疲劳曲线指数，可由材料S-N曲线确定，是一常数。设性能退化的临界阈值为C，当量应力为，根据漂移布朗运动的首达时分布服从逆高斯分布7，则正常应力水平下的可靠度函数为： (6) 4实例分析 对杭州前进齿轮公司的1.5MW风电齿轮箱在固定转速环境下的寿命加速退化试验共投入了12个样本，均分成4组应力水平进行定失效阈值的恒定应力试验，试验装置如图2，试验应力水平如下。测量的时间间隔设定为3h，失效阈值为传动效率退化到低于50%，退化测量结果如图3所示。 图 3 不同工况下谐波减速器传动效率-时间试验曲线采用极大似然估计方法对试验数据进行处理，得到加速退化模型的各参数估值，见表1。 表1 统计计算结果 参数 估计值 2.46104 0.5027 0.4981 9.5844文献给出了某1.5 MW风电齿轮箱载荷谱图形，在20 年内累积工作时间为16.1104h，累计循环次数为13.8107。将载荷简化分成5级如表2 表2 齿轮箱设计载荷谱 载荷等级 1 2 3 4 5 输入转速 0.526 0.882 0.894 1.000 1.000 功率 0.106 0.320 0.957 1.000 1.100 频度 0.164 0.291 0.284 0.168 0.093根据Palmgrem-Miner定则，按式（5）计算得到当量应力水平，当量水平下的损伤率=450.7256。设性能参数初始值为1，根据式（6）得可靠度函数为： 图4 齿轮箱可靠度随时间的变化曲线可以看出，在随机交变载荷作用下，齿轮的可靠度随着使用时间的增加呈现逐渐降低的趋势!且前期降低的比较快，后期逐渐趋于平缓，其可靠度降低的速度在逐渐减小，在20a的时候可靠度降至0.2左右，说明齿轮失效的可能性很大，其极限寿命基本满足20年需求。总结语 给出了一种基于性能加速退化试验的齿轮箱寿命估算方法，确定了损伤是影响齿轮泵失效的主要原因; 扭矩作为加速寿命应力和传动效率最为性能退化特征参数的选择能够更容易建立加速退化试验方案，通过极大似然估计方法和Miner线性累积疲劳损伤理论得到齿轮箱在随机交变动载荷下的可靠寿命变化规律，对杭州前进齿轮箱的实际试验结果表明，本文的方法有效且能够缩短试验周期，节约试验经费，对齿轮箱的寿命估算具有一定实际价值。参考文献1 SANCHEZ I. Adaptive combination of forecasts with application to wind energyJ. International Journal of Forecasting, 2008, 24(4): 679-693.2 张峥,陈欣.风力机疲劳问题分析J.华北水利水电学院学报, 2008, 29(3):41-43.3 赵振宙.郑源.陈星莺.海上风电机组主要机械故障机理研究J.水利水电技术.2009,40(9)4 Windpower Engineering.Wear-resistant Bearings for Wind Equipment EB/OL.2011-02-23.http:/www. windpowerenginecring, com/design/me-chanicah bcarmgsi wear一rcsistant一bearings一for一wind一equipment/.5 邢大志.风电齿轮箱内齿圈的强化途径J.金属加工，2009(17):l46 赵建印,孙 权,彭宝华,等.基于加速退化试验数据的可靠性分析J.可靠性分析与研究(质量工程卷), 2005(7): 31 -337 Haitao L, Elsayed A E. Optimization of system reliability robustness using accelerated degradation testing C .MRAMS. 2005:48-54.8 刘忠明,尚珍等.风电齿轮箱齿轮设计计算若干问题探讨J.机械传动, 2008, 32(6):9-12.