齒輪箱加速壽命實驗

1、考慮性能退化的風(fēng)電齒輪箱加速壽命試驗研究陳文華1,2 鄭明亮1 潘俊1 李劍敏1 李奇志1 (1. 浙江理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造研究所 杭州 ； 2. 浙江大學(xué)機(jī)械設(shè)計研究所 杭州 )摘要：針對風(fēng)電齒輪箱在設(shè)計過程難以有效估算其壽命的問題，提出了一種基于性能加速退化的可靠壽命試驗方法。通過研究齒輪箱的失效模式和失效機(jī)理，選擇扭矩作為加速應(yīng)力和傳動效率作為性能退化參數(shù)，建立其加速退化試驗方案，在此基礎(chǔ)上利用極大似然估計方法和Miner線性累積疲勞損傷理論，得到齒輪箱的可靠壽命分布預(yù)測規(guī)律。以杭州前進(jìn)齒輪公司某型號齒輪箱的加速性能退化試驗數(shù)據(jù)為例進(jìn)行可靠性分析。結(jié)果表明：該方法是可行的，能有效縮短試

2、驗周期，節(jié)約試驗成本，為風(fēng)電齒輪箱壽命試鑒定提供了參考。關(guān)鍵字：齒輪箱；失效機(jī)理；加速退化；壽命分布引言風(fēng)力發(fā)電作為環(huán)保能源在全球得到了快速健康的發(fā)展1。風(fēng)電齒輪箱作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要部件，其性能和可靠性直接決定了整機(jī)系統(tǒng)的可靠性。目前大多數(shù)齒輪箱制造廠商都采用逐級加載載荷的驗證方法來檢測齒輪的嚙合狀況、潤滑油路及振動噪聲情況2，但由于試驗費(fèi)用和試驗設(shè)備的限制，工廠對齒輪箱的各種試驗一般只進(jìn)行幾十到幾百個小時，試驗樣本也是極少的，而齒輪箱是一種可靠性高的長壽命產(chǎn)品，通常無法獲得失效數(shù)據(jù)，加上對于風(fēng)電齒輪箱在復(fù)雜、惡劣的隨機(jī)風(fēng)載環(huán)境下的動態(tài)服役行為以及其失效機(jī)理還未得到較為深入的研究和分析，一

3、直未建立一套科學(xué)合理的壽命試驗方法和壽命可靠性的評價體系，因此。開展復(fù)雜載荷工況下長壽命齒輪箱的可靠壽命鑒定試驗對風(fēng)電產(chǎn)業(yè)有著極為重大意義。 基于性能加速退化數(shù)據(jù)的可靠性分析方法是一種評估長壽命產(chǎn)品可靠性的有效方法，它通過對產(chǎn)品加速退化數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，預(yù)測產(chǎn)品的可靠度或剩余壽命。本文將基于性能加速退化數(shù)據(jù)的可靠性分析方法應(yīng)用于風(fēng)電齒輪箱的可靠性驗證試驗中，針對某型號的杭州前進(jìn)齒輪箱進(jìn)行研究，分析該種齒輪箱的性能加速退化試驗數(shù)據(jù)，以驗證齒輪箱的可靠壽命。1風(fēng)電齒輪箱的故障模式與失效機(jī)理在基于性能退化數(shù)據(jù)的齒輪箱可靠性分析中，齒輪箱的退化數(shù)據(jù)主要來自性能退化試驗。性能退化試驗方案的確定是進(jìn)行試驗數(shù)

4、據(jù)分析的一個必要前提，它涉及到敏感退化參數(shù)的選擇、退化量的測量刻、失效判據(jù)的確定等一系列內(nèi)容，為保證試驗方案的合理性與可行性，獲取的試驗數(shù)據(jù)的正確性和有效性，需要對齒輪箱的失效模式、失效機(jī)理等方面進(jìn)行系統(tǒng)地研究和分析。齒輪箱系統(tǒng)作為整個風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的核心部件，受到通過葉片系統(tǒng)傳遞來的低速強(qiáng)載荷的擾動沖擊作用，同時承載齒輪箱的機(jī)艙系統(tǒng)在陣風(fēng)作用下也有較大幅度的擺動，再加上內(nèi)部的溫度、潤滑狀態(tài)的變動、傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及裝配質(zhì)量技術(shù)誤差等，使得齒輪箱成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障率最高的部件3。一般來說齒輪箱中相對軸承而言，齒輪是相對薄弱構(gòu)件，齒輪輪齒損傷是目前比例大且影響相對較大的損傷形式（圖1）。風(fēng)電齒輪箱上承

5、受的載荷變化比較大，特別是由極限風(fēng)速或湍流工況引起的系統(tǒng)過載以及由調(diào)距或機(jī)械制動等引起的瞬時峰值載荷，盡管瞬時峰值載荷在整個運(yùn)行周期中作用時間不長，但是卻對齒輪特別是齒面損傷有極大影響。輪齒齒面損傷的常見規(guī)律可歸納為：“點(diǎn)蝕-剝落-斷齒”三部曲，考慮到潤滑不良、熱處理和安裝調(diào)試等狀況，由于齒面在交變載荷下承受過大的接觸剪應(yīng)力、過多的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，因此齒面容易發(fā)生膠合、點(diǎn)蝕、齒面剝落、表面壓碎等損傷。比較典型的是行星輪系，行星輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中總是雙向受力，受齒輪精度、強(qiáng)度的影響，容易出現(xiàn)疲勞斷齒現(xiàn)象；太陽輪具有結(jié)構(gòu)小、載荷大的特點(diǎn)，其精度保持性低，易誘發(fā)失效。損傷是材料表面的不可逆過程,它具有復(fù)雜

6、性、階段性與隨機(jī)性。損傷的復(fù)雜性在于摩擦表面間的應(yīng)力、熱及物理、化學(xué)相互作用的過程。它與摩擦運(yùn)動速度、壓力、表面粗糙度、材料性能、摩擦磨損類型、潤滑狀態(tài)、表面涂層、摩擦副結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。 圖1 輪齒損傷斷裂失效2風(fēng)電齒輪箱的性能加速退化試驗方案 加速壽命試驗即通過加大應(yīng)力來縮短試驗時間。加速壽命試驗的類型很多，常用的有3類: 恒定應(yīng)力加速壽命試驗、步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗和序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗。因恒加試驗方法操作簡單，數(shù)據(jù)處理方法也較為成熟，文中選用恒加應(yīng)力試驗方法。2.1加速應(yīng)力選擇 影響齒輪箱壽命的應(yīng)力有沖擊力、扭矩（轉(zhuǎn)速）、溫度、潤滑條件以及油液的污染等4，由于潤滑脂的黏度指數(shù)高達(dá)350，由

7、于小幅度的提高油液污染對齒輪箱的潤滑狀況影響較小，大幅度的改變溫度又會導(dǎo)致齒輪接觸區(qū)域的失效機(jī)理發(fā)生變化。而適當(dāng)?shù)臅龃鬀_擊載荷又會造成軸承滾動體的磨損和離心力增大，造成傳動效率的損失加大，因此以上幾種均不適合作為加速應(yīng)力，可以選擇輸入軸端的扭矩（轉(zhuǎn)速）作為齒輪箱加速壽命試驗的加速應(yīng)力，試驗中扭矩由力矩電機(jī)加載，操作方便，易于控制，效果明顯可行。2.2退化參數(shù)選擇 隨機(jī)風(fēng)載環(huán)境下齒輪箱的性能退化是以其傳動效率為表征量。損傷積累的過程中增大了齒輪接觸副的間隙，造成傳動效率的降低。 （1）式中為輸出軸端扭矩，為空載運(yùn)轉(zhuǎn)扭矩，為齒輪的嚙合效率，傳動比。針對本文所研究的風(fēng)電齒輪箱，其性能退化試驗還可選

8、擇剝落系數(shù)和噪聲特征為檢測的性能退化敏感參數(shù)5。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn):剝落系數(shù)的計算與測定涉及齒輪的剝落面積，這一般需要通過精密儀器測量，而噪聲分貝的測量易受到環(huán)境因素的影響，干擾性強(qiáng)，誤差大。在長試、壽命保證期試驗，以上3個參數(shù)都會出現(xiàn)不同程度的退化波動，但最容易觀察和準(zhǔn)確測量退化敏感參數(shù)還是傳動功率。2.3加速退化模型 加速壽命試驗中的加速模型反映了各種特征量與施加應(yīng)力水平的關(guān)系，可以通過對加速試驗數(shù)據(jù)的分析，對加速模型中的各參數(shù)進(jìn)行估計，然后再由加速模型對正常應(yīng)力水平下的特征量做出推斷。加速退化模型假設(shè)6:產(chǎn)品的性能退化不可逆轉(zhuǎn)，并且產(chǎn)品的退化(失效)機(jī)理在提高應(yīng)力過程中并未發(fā)生變化。齒輪箱在交

9、變載荷狀態(tài)下其損傷率的大小主要由粗糙表面微凸體間的接觸程度所決定的，而接觸程度越大會造成更大的摩擦阻力，而且齒輪箱失效的主要原因是太陽輪內(nèi)壁與柔性軸承外圈長期處于混合潤滑的狀態(tài)，基于此構(gòu)建了基于損傷系數(shù)為表征量的混合潤滑狀態(tài)下的黏著損傷模型（阿倫尼斯模型）。 (2)式中激活能，為玻爾茲曼常數(shù)，為損失率，為應(yīng)力（扭矩）。3風(fēng)電齒輪箱隨機(jī)載荷工況下的可靠度 本文針對多個試驗樣品中測量的加速性能退化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用退化軌跡擬合法來預(yù)測齒輪箱的可靠性，具體方法和步驟如下：假設(shè)在應(yīng)力水平(=1,2.d)下，從該型號的齒輪箱產(chǎn)品中隨機(jī)抽取個樣品進(jìn)行加速退化試驗，第個產(chǎn)品在時刻監(jiān)測其性能參數(shù)的退化量，為方

10、便，規(guī)定監(jiān)測時間間隔為同一值。假設(shè)退化量隨時間退化的軌跡用布朗運(yùn)動進(jìn)行擬合： (3)為產(chǎn)品性能在初始時刻的初始值;B(t)為標(biāo)準(zhǔn)布朗運(yùn)動，B(t)N(0,t);為漂移系數(shù)其與應(yīng)力函數(shù)滿足（2）式；為擴(kuò)散系數(shù)，在整個加速退化試驗中不隨應(yīng)力而改變。取似然函數(shù)，其對數(shù)似然函數(shù)為： （4）通過對式(4)各參數(shù)求偏導(dǎo)數(shù)，令導(dǎo)數(shù)等于零，則可以求得每個參數(shù)的極大似然估計值。結(jié)合式（2），對利用最小二乘法可以得到和的估計值。設(shè)風(fēng)電齒輪箱所受實際載荷譜為，為幅值，為作用頻次，為頻度。根據(jù)Palmgrem-Miner定則，零件在一系列不同的重復(fù)應(yīng)力水平下所造成疲勞累積損傷度，等于每一應(yīng)力水平的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與材料應(yīng)

11、力循環(huán)次數(shù)特性線上該應(yīng)力水平對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)的比值之和。設(shè)固定轉(zhuǎn)速為，當(dāng)量應(yīng)力水平為，則根據(jù)： (5)可求出當(dāng)量應(yīng)力水平，式中為疲勞曲線指數(shù)，可由材料S-N曲線確定，是一常數(shù)。設(shè)性能退化的臨界閾值為C，當(dāng)量應(yīng)力為，根據(jù)漂移布朗運(yùn)動的首達(dá)時分布服從逆高斯分布7，則正常應(yīng)力水平下的可靠度函數(shù)為： (6) 4實例分析 對杭州前進(jìn)齒輪公司的1.5MW風(fēng)電齒輪箱在固定轉(zhuǎn)速環(huán)境下的壽命加速退化試驗共投入了12個樣本，均分成4組應(yīng)力水平進(jìn)行定失效閾值的恒定應(yīng)力試驗，試驗裝置如圖2，試驗應(yīng)力水平如下。測量的時間間隔設(shè)定為3h，失效閾值為傳動效率退化到低于50%，退化測量結(jié)果如圖3所示。 圖 3 不同工況下諧波減

12、速器傳動效率-時間試驗曲線采用極大似然估計方法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到加速退化模型的各參數(shù)估值，見表1。 表1 統(tǒng)計計算結(jié)果 參數(shù) 估計值 2.46104 0.5027 0.4981 9.5844文獻(xiàn)給出了某1.5 MW風(fēng)電齒輪箱載荷譜圖形，在20 年內(nèi)累積工作時間為16.1104h，累計循環(huán)次數(shù)為13.8107。將載荷簡化分成5級如表2 表2 齒輪箱設(shè)計載荷譜 載荷等級 1 2 3 4 5 輸入轉(zhuǎn)速 0.526 0.882 0.894 1.000 1.000 功率 0.106 0.320 0.957 1.000 1.100 頻度 0.164 0.291 0.284 0.168 0.093根據(jù)

13、Palmgrem-Miner定則，按式（5）計算得到當(dāng)量應(yīng)力水平，當(dāng)量水平下的損傷率=450.7256。設(shè)性能參數(shù)初始值為1，根據(jù)式（6）得可靠度函數(shù)為： 圖4 齒輪箱可靠度隨時間的變化曲線可以看出，在隨機(jī)交變載荷作用下，齒輪的可靠度隨著使用時間的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢!且前期降低的比較快，后期逐漸趨于平緩，其可靠度降低的速度在逐漸減小，在20a的時候可靠度降至0.2左右，說明齒輪失效的可能性很大，其極限壽命基本滿足20年需求?？偨Y(jié)語 給出了一種基于性能加速退化試驗的齒輪箱壽命估算方法，確定了損傷是影響齒輪泵失效的主要原因; 扭矩作為加速壽命應(yīng)力和傳動效率最為性能退化特征參數(shù)的選擇能夠更容易建

14、立加速退化試驗方案，通過極大似然估計方法和Miner線性累積疲勞損傷理論得到齒輪箱在隨機(jī)交變動載荷下的可靠壽命變化規(guī)律，對杭州前進(jìn)齒輪箱的實際試驗結(jié)果表明，本文的方法有效且能夠縮短試驗周期，節(jié)約試驗經(jīng)費(fèi)，對齒輪箱的壽命估算具有一定實際價值。參考文獻(xiàn)1 SANCHEZ I. Adaptive combination of forecasts with application to wind energyJ. International Journal of Forecasting, 2008, 24(4): 679-693.2 張崢,陳欣.風(fēng)力機(jī)疲勞問題分析J.華北水利水電學(xué)院學(xué)報, 2008,

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