重載齒輪箱加速疲勞壽命試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范 編制說明

1《重載齒輪箱加速疲勞壽命試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》（征求意見稿）編制說明本項(xiàng)目是根據(jù)國標(biāo)委〔2023〕37號(hào)文—《國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)關(guān)于下達(dá)2023年第二批推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外文版計(jì)劃》的要求，計(jì)劃編號(hào)20230617-T-604，項(xiàng)目名稱“重載齒輪箱加速疲勞壽命試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范”進(jìn)行制定。主要起草單位：重慶大學(xué)，計(jì)劃完成時(shí)間2025年2月。（1）起草階段：起草牽頭單位在標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)后，就積極開展工作，聯(lián)絡(luò)在行業(yè)內(nèi)有一定影響的企業(yè)、研究單位、高等院校組建標(biāo)準(zhǔn)起草工作組，并在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的具體內(nèi)容素材消化的基礎(chǔ)上，提出標(biāo)準(zhǔn)草案討論稿。2024年1月20日，由全國減速機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)在重慶大學(xué)主持召開了《重載齒輪箱加速疲勞壽命試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》國家標(biāo)準(zhǔn)制定的工作組首次會(huì)議，正式成立了標(biāo)準(zhǔn)起草工作組。工作組對(duì)標(biāo)準(zhǔn)草案的討論稿展開了討論，明確了編寫要求，并落實(shí)組織分工、工作計(jì)劃及進(jìn)度安排。2024年4月份前，在各起草人陸續(xù)完成各部分的初稿和審稿后，合稿完成本標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿的討論稿。2024年5月11日在江蘇南京召開第二次工作組會(huì)議，對(duì)征求意見稿的討論稿逐條討論，形成對(duì)征求意見稿修改的指導(dǎo)性意見。二次會(huì)議后，又經(jīng)過1個(gè)多月的研討和修改，于6月底完成征求意見稿的編制。本文件由重慶大學(xué)、南京高速齒輪制造有限公司、太原重工股份有限公司、重慶齒輪箱有限責(zé)任公司、山東華成中德傳動(dòng)設(shè)備有限公司、江蘇泰隆減速機(jī)股份有限公司、江蘇省減速機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、湖南南方宇航高精傳動(dòng)有限公司、大連理工大學(xué)、中船重工（重慶）西南裝備研究院有限公司、沃德傳動(dòng)（天津）股份有限公司、寧波東力傳動(dòng)設(shè)備有限公司、電子科技大學(xué)、東南大學(xué)、河南蒲瑞精密機(jī)械有限公司、蘇州亞太精睿傳動(dòng)科技股份有限公司、杭州杰牌傳動(dòng)科技有限公司、河南省瑞歌傳動(dòng)機(jī)械有限公司、雙環(huán)傳動(dòng)（重慶）精密科技有限責(zé)任公司、河南同濟(jì)減速機(jī)有限公司、重慶清平機(jī)械有限責(zé)任公司、索特傳動(dòng)設(shè)備有限公司。工作組主要成員：魏靜，何愛民，孫義忠，吉科峰，石佳，鞠國強(qiáng)，趙穎，丁軍，蔡云龍，胡云波，王永慧，黃洪鐘，談佳樂，孫洪利，周亞政，殷平，陶常彬，丁為民，翁貴祥，錢華明，郭仕博，任偉杰，李紅建，袁志高，張應(yīng)，李想，吳超凡、古城超、李支強(qiáng)、宋保伸、楊鑫銳、葛敬廣、陸建江。所做工作：魏靜擔(dān)任起草工作組組長，全面協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)起草工作，負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)的具體起草與編寫，對(duì)各方面的意見和建議進(jìn)行歸納、分析處理。何愛民、孫義忠負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)第2稿草稿和第3稿草稿的編寫。吉2科峰，石佳，鞠國強(qiáng)，趙穎，丁軍，蔡云龍，胡云波，王永慧，黃洪鐘，談佳樂，孫洪利，周亞政，殷平，陶常彬，丁為民，翁貴祥，郭仕博，任偉杰，李紅建，袁志高、古城超、李支強(qiáng)、宋保伸、楊鑫銳、葛敬廣、陸建江負(fù)責(zé)收集、分析國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)和資料，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行資料的查證、校對(duì)，參與標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容的討論。張應(yīng)，李想，吳超凡負(fù)責(zé)附錄A、附錄B和附錄C的編寫。丁軍、蔡云龍對(duì)整體標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容進(jìn)行語言文字、標(biāo)準(zhǔn)化作了全面審核。錢華明對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中涉及的圖進(jìn)行修改，編輯。（1）遵循“面向市場、服務(wù)產(chǎn)業(yè)、自主制定”原則制定本標(biāo)準(zhǔn)。（2）本文件制定嚴(yán)格按GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》要求進(jìn)行。（3）與國家法規(guī)、法律和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相一致。2.1概述考慮到國內(nèi)外暫無關(guān)于重載齒輪箱加速疲勞壽命試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本文件結(jié)合重載齒輪箱的應(yīng)用特點(diǎn)，在參考其他有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，立足于當(dāng)前對(duì)技術(shù)和知識(shí)的認(rèn)知水平，以方便應(yīng)用為目的，自成體系，自我完備。本文件的起草過程中與企業(yè)、研究單位、高等院校等就重載齒輪箱的加速疲勞壽命試驗(yàn)問題展開了廣泛討論，認(rèn)真收集了各行業(yè)專家的意見及建議，查閱了大量的文獻(xiàn)及標(biāo)準(zhǔn)資料，最終確定了本文件的編寫原則、并逐漸完善了本文件的內(nèi)容。對(duì)更具體的細(xì)節(jié)內(nèi)容將在相關(guān)章節(jié)中說明。2.2范圍本文件規(guī)定了重載齒輪箱加速疲勞壽命試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范的術(shù)語和定義、符號(hào)、試驗(yàn)系統(tǒng)、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)前的準(zhǔn)備、試驗(yàn)流程和拆卸、檢查及失效判定等。本文件適用于風(fēng)力發(fā)電、礦用挖掘、采煤和海工裝備等應(yīng)用場合中額定功率不小于1000kW或額定轉(zhuǎn)矩不小于100kN·m的齒輪箱加速疲勞壽命試驗(yàn)。2.3術(shù)語和定義、符號(hào)本文件凡是和GB/T3374.1《齒輪術(shù)語和定義第1部分：幾何學(xué)定義》中同名的術(shù)語，都和GB/T3374.1采用同樣的符號(hào)。本標(biāo)準(zhǔn)定義如下：31）重載齒輪箱Heavy-dutygearbox額定功率不小于1000kW或額定轉(zhuǎn)矩不小于100kN·m的重載齒輪箱（以下簡稱：齒輪箱）。2）載荷譜Loadspectrum表征載荷大小、變化和出現(xiàn)頻次之間的圖形、表格、矩陣或其他概率特征值的統(tǒng)稱。3）循環(huán)Cycle循環(huán)性重復(fù)作用的力、應(yīng)力等最小的時(shí)間段。[來源：GB/T6398--2017，3.2]4）失效Failure齒輪箱一個(gè)或多個(gè)技術(shù)指標(biāo)不可逆地超出了允許值，或組成齒輪箱的零部件（不包括易損件）發(fā)生了物理性損壞。注：易損件主要指橡膠類密封件，也可包括潤滑劑，但不包括齒輪、軸承、軸、5）失效模式Failuremode齒輪箱失效的表現(xiàn)形式。6）疲勞壽命Fatiguelife達(dá)到疲勞失效判據(jù)的實(shí)際循環(huán)數(shù)。[來源：GB/T10623--2008，7.10]7）加速疲勞壽命試驗(yàn)Acceleratedfatiguelifetesting在不改變失效機(jī)理的前提下，一種通過施加高于額定載荷水平的疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑糜诓捎酶哂陬~定轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速等工況，通過縮短試驗(yàn)時(shí)間對(duì)齒輪箱進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估。2.4加速載荷譜的編制齒輪箱加速疲勞壽命試驗(yàn)載荷譜的編制是本標(biāo)準(zhǔn)文件的核心內(nèi)容。本文件基于Palmgren-Miner線性累積損傷理論進(jìn)行加速疲勞壽命試驗(yàn)載荷譜的編制，該損傷理論具體描述為：在規(guī)律性變幅循環(huán)應(yīng)力作用下，各應(yīng)力對(duì)材料造成的損傷是獨(dú)立進(jìn)行的，并可以線性地累積成總損傷，當(dāng)各應(yīng)力的壽命損傷率之和等于1時(shí)，材料將會(huì)發(fā)生疲勞失效，其失效條件為：Σ=1.0xx式中：nx——第x個(gè)應(yīng)力水平下的實(shí)際循環(huán)次數(shù)；Nx——第x個(gè)應(yīng)力水平下齒輪箱所能承受的總循環(huán)次數(shù)，即壽命，由材料的S-N曲線得到。4從而，對(duì)于某原始載荷中的載荷Tx造成的疲勞損傷度Ux：式中：Ux——第x個(gè)應(yīng)力水平Tx造成的疲勞損傷度；Tx——原始載荷譜中第x個(gè)應(yīng)力水平；p——Woehler損傷線的斜率。對(duì)于給定的原始載荷譜（假定有m個(gè)載荷序列）條件下，齒輪箱輪齒損傷度可表達(dá)為：對(duì)于加速疲勞壽命試驗(yàn)載荷譜（假定有q個(gè)載荷序列）條件下，齒輪箱輪齒損傷度可表達(dá)為：式中：Uy——加速疲勞壽命試驗(yàn)載荷譜中第y個(gè)應(yīng)力水平Ty造成的疲勞損傷度；ny——加速疲勞壽命試驗(yàn)載荷譜中第y個(gè)應(yīng)力水平下的實(shí)際循環(huán)次數(shù)；Ny——加速疲勞壽命試驗(yàn)載荷譜中第y個(gè)應(yīng)力水平下齒輪箱所能承受的總循環(huán)次數(shù)；Ty——加速疲勞壽命試驗(yàn)載荷譜中第y個(gè)應(yīng)力水平。給定加速疲勞壽命試驗(yàn)載荷譜下齒輪箱輪齒損傷度等于原始載荷譜下的損傷度，則有：最終基于Palmgren-Miner法則和載荷譜的損傷度等效，可以采用恒定應(yīng)力加載、步進(jìn)應(yīng)力加載、序進(jìn)應(yīng)力加載、正反向循環(huán)加載、多級(jí)載荷譜加載等方式進(jìn)行加速疲勞壽命試驗(yàn)載荷譜的編制。另外需要特別說明的是，本標(biāo)準(zhǔn)文件的加速載荷譜編制過程中，加速系數(shù)的選取應(yīng)保證軸承、連接件、結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度校核，使齒輪失效形式不發(fā)生改變。齒輪箱加速疲勞試驗(yàn)載荷譜編制流程如圖1所示，具體編制步驟如下：步驟一：原始載荷譜處理。對(duì)重載齒輪箱的原始載荷譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到包括轉(zhuǎn)矩、循環(huán)次數(shù)及其占比等信息的有效統(tǒng)計(jì)載荷譜；步驟二：載荷序列檢驗(yàn)。對(duì)載荷序列進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，如服從正態(tài)分布，則采用基于正態(tài)分布的加速試驗(yàn)載荷譜編制方法，反之，則采用基于“多級(jí)載荷譜加載”的加速試驗(yàn)載荷譜編制方法；步驟三：有效統(tǒng)計(jì)載荷譜的等效計(jì)算。計(jì)算有效統(tǒng)計(jì)載荷譜等效到額定轉(zhuǎn)矩下的各級(jí)等效轉(zhuǎn)矩及其作用時(shí)間；5步驟四：加速疲勞試驗(yàn)載荷譜的編制。結(jié)合有效統(tǒng)計(jì)載荷譜的等效轉(zhuǎn)矩及其作用時(shí)間，計(jì)算加速疲勞試驗(yàn)載荷譜中各級(jí)轉(zhuǎn)矩及其相對(duì)加載時(shí)間；步驟五：加速系數(shù)K的迭代計(jì)算。利用有效統(tǒng)計(jì)載荷譜和加速疲勞試驗(yàn)載荷譜的損傷度等效，分別迭代計(jì)算齒輪箱按接觸疲勞等效和彎曲疲勞等效到額定轉(zhuǎn)矩下的加速系數(shù)；步驟六：單周期加速疲勞試驗(yàn)載荷譜的詳細(xì)制定。結(jié)合獲取的加速疲勞試驗(yàn)載荷譜與工程實(shí)際需求，制定詳細(xì)的齒輪箱單周期加速疲勞試驗(yàn)載荷譜。原始載荷譜處理VV載荷序列檢驗(yàn)VVV加速疲勞試驗(yàn)載荷譜的編制加速系數(shù)K的迭代計(jì)算單周期加速疲勞試驗(yàn)載荷譜的詳細(xì)制定圖1加速疲勞壽命試驗(yàn)載荷譜的編制流程2.5加速疲勞壽命試驗(yàn)步驟在完成齒輪箱加速疲勞壽命試驗(yàn)載荷譜的編制后，對(duì)其進(jìn)行加速疲勞試驗(yàn)，具體實(shí)施步驟如下：步驟一：按照J(rèn)B/T5558對(duì)試驗(yàn)類別及要求的規(guī)定進(jìn)行空載試驗(yàn)。步驟二：在空載試驗(yàn)合格后，按齒輪箱額定負(fù)荷的25%、50%、75%進(jìn)行逐級(jí)加載并各運(yùn)轉(zhuǎn)15min，加載至100%額定負(fù)荷運(yùn)行，直至達(dá)到系統(tǒng)熱平衡。步驟三：負(fù)載試驗(yàn)合格后，按本文件規(guī)定的方法編制的試驗(yàn)載荷譜，進(jìn)行加速疲勞壽命試驗(yàn)，具體需要檢查并記錄以下內(nèi)容：a）每隔30min或每階段（小于30min）記錄轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、軸承和潤滑油溫度、室溫。轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩每次至少記錄5組數(shù)據(jù)，并記錄運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間；b）檢查試驗(yàn)臺(tái)架是否運(yùn)行正常、齒輪箱殼體結(jié)合面、端蓋、潤滑系統(tǒng)或管路的滲漏情況，有無異響、沖擊，是否報(bào)警；c）記錄所有工況下的振動(dòng)、噪聲，并形成表格；d）試驗(yàn)過程中至少進(jìn)行3次停機(jī)檢查，記錄齒輪點(diǎn)蝕、膠合、斷裂和接觸斑點(diǎn)等情況，并拍照形成表格；6e）試驗(yàn)過程中允許更換潤滑油；f）除齒輪外的其他零部件，如軸、軸承、潤滑油等在試驗(yàn)過程中的不正?，F(xiàn)象均應(yīng)記錄；g）試驗(yàn)終止判定：試驗(yàn)測試過程中，若發(fā)現(xiàn)下列情況之一，則需立即終止試驗(yàn)，待排除故障后再繼續(xù)試驗(yàn)：①連接處松動(dòng)；②運(yùn)行不平穩(wěn)，有異響、沖擊；③溫度、壓力超過允許值；④振動(dòng)、噪聲超過允許值。2.6齒輪箱失效判定在完成加速疲勞壽命試驗(yàn)后，需對(duì)齒輪箱進(jìn)行拆卸檢查，以來檢驗(yàn)齒輪箱是否失效，是否滿足壽命要求，最終實(shí)現(xiàn)其可靠性設(shè)計(jì)驗(yàn)證。其中，輪齒接觸斑點(diǎn)按GB/Z18620.4和GB/T11365進(jìn)行檢查，失效判定按JB/T5664和表1進(jìn)行。表1輪齒檢查內(nèi)容及判定標(biāo)準(zhǔn)123a.點(diǎn)蝕區(qū)寬度占齒高的80%時(shí)；45678本文件依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證結(jié)果。并在南高齒、重齒、太重等公司1.5MW、2.5MW、4.5MW等多個(gè)產(chǎn)品7上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。下面以南高齒4.5MW風(fēng)電主齒輪箱新品加速疲勞壽命試驗(yàn)驗(yàn)證案例。南京高速齒輪制造有限公司在2018～2019年進(jìn)行4.5MW新品加速疲勞壽命試驗(yàn)，累積對(duì)兩臺(tái)齒輪箱樣機(jī)共進(jìn)行463.53小時(shí)的加載及超載試驗(yàn)驗(yàn)證。步驟額定扭矩百分比高速級(jí)扭矩總持續(xù)時(shí)間高速級(jí)輸出轉(zhuǎn)速備注138%10726.64275%2117153282284352855538107.8420642342746576.21850810.40.0339-60%-16936.81-1500-100%-282281-1670-135%-38107.80.5-1670Sum463.538位置趨勢圖LSS輸入軸LSS行星級(jí)ISS行星級(jí)9平行級(jí)低速軸高速軸葉片側(cè)軸承高速軸電機(jī)側(cè)軸承結(jié)論試驗(yàn)中全程持續(xù)監(jiān)控齒輪箱各級(jí)振動(dòng)變化趨勢，通過對(duì)比齒輪箱各級(jí)在試驗(yàn)開始及結(jié)束階段振動(dòng)幅值，無明顯差異，符合預(yù)期。4.1齒面檢查位置齒面檢查齒輪齒中葉片側(cè)LSS齒圈齒面結(jié)論齒面有輕微接觸痕跡，符合預(yù)期LSS行星輪1嚙合齒面行星輪2行星輪3行星輪4結(jié)論齒面正常，齒端部輕微接觸痕跡，符合預(yù)期LSS行星輪1行輪太輪合面星與陽嚙齒行星輪2行星輪3行星輪4結(jié)論齒面正常，齒端部輕微接觸痕跡，符合預(yù)期LSS輪齒面結(jié)論齒面正常，齒端部輕微接觸痕跡，符合預(yù)期IMS齒圈齒面結(jié)論齒面有輕微接觸痕跡，符合預(yù)期IMS行星輪1行輪齒嚙星與圈合行星輪2齒面行星輪3結(jié)論齒面正常IMS行星輪1行輪太輪合面星與陽嚙齒行星輪2行星輪3結(jié)論齒面正常IMS輪齒面結(jié)論齒面正常平級(jí)輪面行齒齒結(jié)論齒面正常速軸齒面結(jié)論齒面正常4.2軸承檢查位置軸承檢測軸承內(nèi)圈滾道面滾子表面外圈滾道面LSS行星架葉片側(cè)軸承N/A結(jié)論滾子及滾道面正常LSS行星架電機(jī)側(cè)軸承N/A結(jié)論滾子及滾道面正常LSS行星輪軸承N/A結(jié)論滾子及滾道面正常IMS行星架葉片側(cè)軸承N/A結(jié)論滾子及滾道面正常IMS行星架電機(jī)側(cè)軸