兆瓦級(jí)風(fēng)電齒輪箱微點(diǎn)蝕分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

摘要：由于運(yùn)行環(huán)境及工況惡劣，風(fēng)電齒輪箱易出現(xiàn)微點(diǎn)蝕現(xiàn)象，該問(wèn)題近年來(lái)引起業(yè)界廣泛關(guān)注。本文研究了齒面粗糙度、潤(rùn)滑油溫度、壓力角、螺旋角對(duì)微點(diǎn)蝕的影響，并結(jié)合試驗(yàn)研究驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：微點(diǎn)蝕

齒面粗糙度

潤(rùn)滑油溫度

壓力角

螺旋角

油膜厚度1前言微點(diǎn)蝕是一種疲勞現(xiàn)象，發(fā)生在處于滑滾摩擦的彈流潤(rùn)滑或邊界潤(rùn)滑區(qū)域。載荷、速度、溫度、油膜厚度、潤(rùn)滑油添加劑等均會(huì)影響微點(diǎn)蝕萌生。微點(diǎn)蝕通常發(fā)生在105至106應(yīng)力循環(huán)，伴隨微小點(diǎn)蝕坑出現(xiàn)。微小點(diǎn)蝕坑與表面呈一定角度，位于表面下約10-20μm，25-100μm長(zhǎng)、10-20μm寬。微點(diǎn)蝕又俗稱(chēng)灰斑，通常出現(xiàn)在重載的滲碳齒面。圖1展示了微點(diǎn)蝕的低倍放大圖（15倍），圖2展示了微點(diǎn)蝕高倍放大照片。微點(diǎn)蝕會(huì)降低齒面精度，增加動(dòng)載及噪音。通常而言，微點(diǎn)蝕自身危害有限，但極限發(fā)展成宏觀點(diǎn)蝕，直至齒面失效。風(fēng)電齒輪箱運(yùn)行環(huán)境惡劣、載荷復(fù)雜，且可靠性要求高。風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)壽命20年，但部分齒面在短時(shí)間內(nèi)便出現(xiàn)了失效。微點(diǎn)蝕作為風(fēng)電齒輪箱的一類(lèi)問(wèn)題已引起廣泛關(guān)注。2010年，國(guó)際齒輪協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化組織起草了微點(diǎn)蝕計(jì)算文檔：ISO/TR15144-1。德國(guó)勞氏船級(jí)社在2010年風(fēng)電機(jī)組認(rèn)證規(guī)范中第一次對(duì)微點(diǎn)蝕安全系數(shù)提出了要求。微點(diǎn)蝕發(fā)生在處于彈流或邊界潤(rùn)滑的赫茲接觸應(yīng)力作用區(qū)域。影響微點(diǎn)蝕發(fā)生的原因較多，許多學(xué)者對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行了研究。研究了微點(diǎn)蝕引起的齒面剝落問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)齒面粗糙度、潤(rùn)滑、齒形、齒面滑移速度是影響微點(diǎn)蝕發(fā)生的主因。研究了齒面粗糙度對(duì)微點(diǎn)蝕的影響，認(rèn)為齒輪運(yùn)行前應(yīng)進(jìn)行充分磨合。研究了提高齒面粗糙度對(duì)改善微點(diǎn)蝕發(fā)生的效果，試驗(yàn)結(jié)果表明齒輪鏡面可以避免微點(diǎn)蝕發(fā)生。研究結(jié)果表明齒輪嚙合副具有一定的硬度差，可以降低微點(diǎn)蝕發(fā)生概率。研究了潤(rùn)滑油添加劑、油溫、嚙合速度、齒輪修形、齒面粗糙度對(duì)微點(diǎn)蝕的影響。著重研究潤(rùn)滑油化學(xué)成分對(duì)微點(diǎn)蝕的影響。研究結(jié)果表明，齒面粗糙度差、齒輪滑動(dòng)速度大以及高載荷均會(huì)增加微點(diǎn)蝕風(fēng)險(xiǎn)。上述研究集中在微點(diǎn)蝕的成因及擴(kuò)展分析上，研究對(duì)象主要為小模數(shù)齒輪，且對(duì)各影響因素缺乏量化分析。本文基于ISO/TR15144-1對(duì)影響微點(diǎn)蝕成因的主要參數(shù)進(jìn)行了分析，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合2兆瓦風(fēng)電齒輪箱臺(tái)架測(cè)試進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。2微點(diǎn)蝕主要影響參數(shù)微點(diǎn)蝕安全系數(shù)計(jì)算基于實(shí)際油膜厚度與許用油膜厚度比值，若比值小于安全系數(shù)要求則易出現(xiàn)微點(diǎn)蝕。文獻(xiàn)10規(guī)定了風(fēng)電齒輪箱微點(diǎn)蝕計(jì)算公式（1），（2）及安全系數(shù)要求。2.1齒面粗糙度由公式1可見(jiàn)，微點(diǎn)蝕安全系數(shù)與齒面粗糙度成反比?；贔ZG測(cè)試齒輪副對(duì)不同粗糙度與微點(diǎn)蝕安全系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了分析，詳見(jiàn)表1、2。圖3展示了微點(diǎn)蝕安全系數(shù)隨齒面粗糙度的變化。2.2油膜厚度由公式1、2可見(jiàn)，微點(diǎn)蝕安全系數(shù)與潤(rùn)滑油膜厚度成正比。在風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)中，傳遞功率、速比、中心距及潤(rùn)滑油種類(lèi)屬于設(shè)計(jì)輸入要求，變動(dòng)空間較小。因此，本文著重研究對(duì)許用潤(rùn)滑油膜厚度影響較大的壓力角、螺旋角、變位系數(shù)及潤(rùn)滑油溫。以某2兆瓦風(fēng)電齒輪箱行星級(jí)為例，采用正交試驗(yàn)方法，假設(shè)壓力角、螺旋角、變位系數(shù)及潤(rùn)滑油溫均存在三個(gè)水平，建立正交試驗(yàn)矩陣分析不同組合下微點(diǎn)蝕安全系數(shù)。表3為主要計(jì)算參數(shù)。表4為正交試驗(yàn)矩陣。表5展示了不同參數(shù)水平對(duì)許用油膜厚度的影響。此外，本文就不同參數(shù)對(duì)微點(diǎn)蝕影響程度進(jìn)行了分析，詳見(jiàn)表6-9。通過(guò)上述分析，得出以下結(jié)論：（1）溫度對(duì)潤(rùn)滑油膜影響較大。因此在風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能降低潤(rùn)滑油溫。（2）壓力角應(yīng)盡可能取大，雖然它對(duì)潤(rùn)滑油膜的貢獻(xiàn)率只有6.9%。（3）雖然螺旋角對(duì)潤(rùn)滑油膜的貢獻(xiàn)率只有3.6%，但大螺旋角可以減少摩擦功耗。（4）在齒輪中心距許可范圍，應(yīng)盡可能取較大變位系數(shù)，以提高油膜厚度。3案例研究某2兆瓦風(fēng)電齒輪箱經(jīng)過(guò)臺(tái)架型式試驗(yàn)后，太陽(yáng)輪出現(xiàn)了微點(diǎn)蝕現(xiàn)象。圖6、7展示了微點(diǎn)蝕照片。結(jié)合上述微點(diǎn)蝕各相關(guān)參數(shù)的影響分析，對(duì)該產(chǎn)品太陽(yáng)輪進(jìn)行了潤(rùn)滑油溫及壓力角優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后基于相同工況再次進(jìn)行臺(tái)架型式試驗(yàn)，太陽(yáng)輪經(jīng)過(guò)1.23e8次應(yīng)力循環(huán)后未出現(xiàn)微點(diǎn)蝕現(xiàn)象。4結(jié)論本文基于ISO/TR15144-1就齒面粗糙度、油膜厚度對(duì)微點(diǎn)蝕的影響進(jìn)行了分析。重點(diǎn)研究了不同設(shè)計(jì)參數(shù)