裝配誤差分析方法在風(fēng)電裝備傳動(dòng)系統(tǒng)制造中的應(yīng)用

王 輝，李曉龍，向 東，融亦鳴

（清華大學(xué) 機(jī)械工程系，北京 100084）

1 問題的提出

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型機(jī)械裝備，其結(jié)構(gòu)及裝配質(zhì)量技術(shù)問題是影響系統(tǒng)性能和可靠服役的關(guān)鍵問題，尤其對(duì)于一些要承受極端氣候條件與惡劣工作環(huán)境、長期性復(fù)雜交變載荷作用的大型機(jī)械設(shè)備則更加顯著，比較典型的是大型兆瓦（MW）級(jí)風(fēng)力發(fā)電裝備。近年來，美國可再生能源國家實(shí)驗(yàn)室（Na－tional Renewable Energy Laboratory，NREL）、Sandia國家實(shí)驗(yàn)室等多家國內(nèi)外知名研究機(jī)構(gòu)和眾多風(fēng)電裝備制造企業(yè)，針對(duì)大型風(fēng)電設(shè)備都進(jìn)行了廣泛的故障調(diào)查和技術(shù)研究，指出風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的裝配誤差對(duì)多數(shù)機(jī)械疲勞失效的直接影響：惡劣外載的作用加劇了系統(tǒng)的變形和偏心等誤差，特別是在關(guān)鍵承載的軸承安裝位置產(chǎn)生了接觸疲勞、磨損等；表面磨損、殘屑、間隙超差及錯(cuò)位等因素相互促進(jìn)并放大，影響到軸承的配合誤差，進(jìn)而加劇齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程的誤差，發(fā)生疲勞并導(dǎo)致失效。例如，風(fēng)電齒輪箱中回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的裝配偏心誤差、齒距誤差和平行度誤差以及各個(gè)傳動(dòng)軸（主軸、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸）的偏心等，這些裝配誤差帶來的顯著后果就是加劇了振動(dòng)問題并導(dǎo)致零部件失效，尤其是考慮陣風(fēng)條件的沖擊載荷作用，其危害相當(dāng)嚴(yán)重。目前，風(fēng)電設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)（如圖1）在長服役周期（一般要求20年）內(nèi)的可靠性已經(jīng)成為制約風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大問題；而新一代風(fēng)機(jī)隨著單機(jī)容量進(jìn)一步增大到10～20MW，部件的復(fù)雜程度、結(jié)構(gòu)尺寸與重量等都在增加，如果不對(duì)裝配技術(shù)相關(guān)的問題加強(qiáng)重視，必然會(huì)增加系統(tǒng)的故障率、降低服役可靠性，成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的隱患。

因此，有必要立足于大型兆瓦級(jí)風(fēng)電傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的技術(shù)發(fā)展及裝配工藝提升的需求，研究具有復(fù)雜機(jī)械物理性能的產(chǎn)品裝配誤差傳遞規(guī)律及裝配質(zhì)量的形成機(jī)理問題，全面探索相關(guān)理論與方法在大型風(fēng)電設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)裝配中的應(yīng)用，從而為長壽命、高可靠性的大型風(fēng)電裝備制造裝配服務(wù)。

2 機(jī)械裝配誤差傳遞理論的發(fā)展

裝配誤差建模主要涵蓋對(duì)公差特征的科學(xué)描述和對(duì)空間誤差傳遞機(jī)理的研究兩方面內(nèi)容。理論上，好的公差表征模型應(yīng)能夠完備描繪出幾何公差語義信息，同時(shí)又具備合適的架構(gòu)以適應(yīng)三維空間上的誤差傳遞分析［1］。因此，除了經(jīng)典的極限公差模型和統(tǒng)計(jì)公差（RSS（u，δ））模型以外（如式（1）和（2）所示，表征了最終誤差與各個(gè)誤差源之間的關(guān)系），以面向幾何公差特征的嚴(yán)密數(shù)學(xué)表述為目標(biāo)的公差信息模型如向量公差模型等先后涌現(xiàn)，并且圍繞著這些幾何公差描述模型，裝配領(lǐng)域的誤差分析研究也在經(jīng)歷一個(gè)日益嚴(yán)密和系統(tǒng)化的進(jìn)程。

K．W．Chase及其研究團(tuán)隊(duì)［2－4］通過矢量環(huán)（vector loop）方法表征了用于控制裝配過程中的平移及轉(zhuǎn)動(dòng)誤差積累的尺寸鏈模型，并以裝配過程的剛體小變動(dòng)誤差假設(shè)為基礎(chǔ)，通過直接線性化（direct linearization method）方法完成了對(duì)裝配誤差傳遞模型的構(gòu)建及求解研究。其主要思想可以簡化描述如下：

針對(duì)一個(gè)裝配尺寸約束矢量環(huán)（如圖2），其裝配誤差關(guān)系可以用式（3）來表達(dá)：式中：｛dH｝表示裝配矢量環(huán)的末端間隙（｛dH｝＝0則裝配約束是閉環(huán)，否則是開環(huán)）；｛dL｝表示在裝配系統(tǒng)中本身不受其他誤差因素影響的獨(dú)立誤差矢量（如單個(gè)零件的誤差、工裝的誤差等）；｛dφ｝表示受到裝配體系中各類誤差矢量影響或者由這些誤差矢量共同決定的非獨(dú)立誤差矢量；［A］表示獨(dú)立誤差的偏微分矩陣（Jacobian矩陣），［B］表示非獨(dú)立矢量的偏微分（Jacobian矩陣）。變換式（3）可以得到：

實(shí)際上，對(duì)于一個(gè)裝配尺寸鏈而言，｛dφ｝表示受零部件及工裝等獨(dú)立誤差矢量影響的最終裝配誤差矢量。

這一模型表征了零部件裝配操作中裝配誤差與零部件誤差等之間的定量分析關(guān)系，以此為基礎(chǔ)，可以進(jìn)一步發(fā)展出裝配誤差的傳遞與累積計(jì)算模型、裝配誤差綜合與零部件誤差設(shè)計(jì)分析模型，以及裝配誤差的優(yōu)化求解等一系列裝配誤差研究方法（如圖2）。

Chase等在上述討論的基礎(chǔ)上形成了其主要的裝配誤差傳遞分析理論，后來對(duì)國際學(xué)術(shù)界產(chǎn)生了極大的啟發(fā)［2］。王強(qiáng)等以相同的剛體小變動(dòng)誤差假設(shè)為基礎(chǔ)，面向精密微裝配系統(tǒng)，通過誤差矢量坐標(biāo)變換合成法推導(dǎo)裝配零件與裝配基體零件的位姿誤差計(jì)算公式，研究了如何提高微裝配系統(tǒng)的整體運(yùn)動(dòng)控制精度的問題［5］。徐旭松等以基于自由度分析的變動(dòng)域建模為基礎(chǔ)，通過齊次坐標(biāo)變換矩陣（homogeneous transformation matrix）來表征裝配誤差模型，研究了以誤差量為目標(biāo)的系統(tǒng)可裝配性分析方法［6］。零部件的定位夾緊過程中產(chǎn)生的誤差是影響裝配精度的關(guān)鍵因素，M．Y．Wang研究了通過優(yōu)化定位布局來改善定位誤差的方法［7］，熊蔡華等則研究了通過定位誤差來預(yù)測汽車裝配誤差的方法［8］。

對(duì)于包括多個(gè)零件、多道工序的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)而言，裝配是一個(gè)典型的動(dòng)態(tài)時(shí)序過程，各個(gè)過程參數(shù)（如夾具結(jié)構(gòu)等）對(duì)裝配質(zhì)量特性的影響關(guān)系是復(fù)雜的；作為產(chǎn)品質(zhì)量特性關(guān)鍵的誤差也不是獨(dú)立、靜止存在的，而是以產(chǎn)品為載體隨工藝路線在不同工序上傳播和變化，這形成了裝配過程中的誤差流［9］。文獻(xiàn)［9］發(fā)展的誤差流理論基本思想在于，一般的裝配體可以視為零部件通過多層次的工序串、并聯(lián)方式組成，基本的誤差傳遞方程如式（5）所示：

式中：｛va｝表示裝配誤差矢量，｛vt｝是以矢量方式表達(dá)的影響裝配誤差的各類誤差源，［s］是用于表征各類誤差源對(duì)裝配誤差影響力的敏感性矩陣。當(dāng)然，誤差流可以采用不同的模型來描述，如迭代映射模型［10］、一階回歸模型［11］、狀態(tài)空間方程［12］等，進(jìn)而通過對(duì)多元質(zhì)量特性之間相互作用機(jī)理的研究及其對(duì)誤差流的動(dòng)態(tài)特性影響關(guān)系的建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品誤差的溯源、質(zhì)量特性的預(yù)測和工藝方案的設(shè)計(jì)及優(yōu)化等［13］。以誤差流的概念為基礎(chǔ)，文獻(xiàn)［14］進(jìn)一步發(fā)展了狀態(tài)空間方程法以研究裝配誤差變化關(guān)系建模、偏差傳播機(jī)制等，并應(yīng)用在汽車零部件多工序裝配過程的質(zhì)量建模及過程質(zhì)量控制中。對(duì)多工序裝配過程進(jìn)行誤差描述的狀態(tài)方程主模型（如圖3）如下：

式中：X（k）表示工序k完成后的裝配誤差矩陣；P（k）表示當(dāng)前工序引入的誤差矩陣（如新引入的零件誤差、工裝定位誤差等）；矩陣A（k）和B（k）分別表示前道工序誤差X（k－1）和本工序中的誤差P（k）能夠?qū)ρb配誤差X（k）產(chǎn)生多大影響的敏感性矩陣；W（k）表示不確定或者未建模的誤差量；Y（k）表示在當(dāng)前工序k完成后需要進(jìn)行測量的關(guān)鍵產(chǎn)品精度；C（k）表示由裝配誤差X（k）到Y(jié)（k）的影響作用矩陣，V（k）表示潛在的測量噪聲量。

誤差流研究工作對(duì)國內(nèi)過去數(shù)十年間的多工序裝配誤差分析研究產(chǎn)生了較大的影響。趙家黎［15］、文澤軍［16－17］等運(yùn)用誤差流分析法，將多工位裝配過程視為一個(gè)離散時(shí)變系統(tǒng)，建立了從夾具定位誤差到產(chǎn)品裝配偏差的二維多工位裝配誤差傳遞模型，將裝配過程中夾具定位布局等過程參數(shù)對(duì)誤差的傳遞、累積的影響程度量化為裝配穩(wěn)健度，作為裝配質(zhì)量特性的評(píng)判因子，以達(dá)到優(yōu)化裝配工藝流程、提高裝配質(zhì)量的目的。

對(duì)于柔性零件，除了幾何誤差外，裝配過程中由于外部力及內(nèi)部應(yīng)力的作用，零件的形狀會(huì)受到影響并進(jìn)一步偏離名義狀態(tài)。Liu等［18］（1997）是較早開展薄壁易變形零件裝配誤差分析與控制的，他們引用一維梁的簡化有限元分析模型來處理兩個(gè)懸臂梁點(diǎn)焊的裝配偏差問題，如圖4所示，他們分別給出了串聯(lián)裝配和并聯(lián)裝配模式下的裝配誤差計(jì)算方法，并發(fā)現(xiàn)剪應(yīng)力對(duì)精確的回彈預(yù)測至關(guān)重要。Merkley［19］（1998）提出了 FASTA（flexible assembly statistical tolerance analysis）方法，通過對(duì)裝配連接零件的彈性接觸進(jìn)行線性簡化，形成了一套能夠預(yù)測裝配應(yīng)力及裝配變形的平均值及統(tǒng)計(jì)量的方法。這一思想構(gòu)成了過去十多年K．W．Chase領(lǐng)導(dǎo)下的楊百翰大學(xué)（Brigham Young University）在柔性零件裝配誤差（及變形）分析研究領(lǐng)域的一條主要線索，并由 Mortensen［20］（2002）對(duì)之進(jìn)行了嚴(yán)密化的表述，進(jìn)而明確了這種方法的各種假設(shè)及應(yīng)用限制條件。近年來，國內(nèi)學(xué)者特別圍繞汽車壁板零件的裝配，在弱剛度覆蓋件裝配誤差分析領(lǐng)域開展了較多工作。邢彥鋒等［21］研究了車身柔性薄板零件（變形起著重要的作用）多工位偏差傳遞和累積的柔性裝配偏差分析模型，分析了夾具偏差、零件偏差和裝配偏差在裝配過程中的相互作用與影響，并應(yīng)用于對(duì)裝配順序的優(yōu)化分析工作。

3 裝配精度對(duì)風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)典型失效的影響作用

風(fēng)力發(fā)電裝備大規(guī)模使用的歷史并不長，它不同于傳統(tǒng)機(jī)電裝備的特點(diǎn)也使得風(fēng)電裝備的設(shè)計(jì)制造面臨著許多新的挑戰(zhàn)：

（1）復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系從葉片到低速輸入軸、軸承、齒輪、高速輸出軸和發(fā)電機(jī)等構(gòu)成了風(fēng)電裝備的主增速傳動(dòng)系統(tǒng)，是一個(gè)非常復(fù)雜的強(qiáng)關(guān)聯(lián)強(qiáng)耦合體系。這種系統(tǒng)復(fù)雜性一方面導(dǎo)致各類故障及疲勞失效更易發(fā)生，同時(shí)也給風(fēng)電裝備的設(shè)計(jì)制造研究帶來了更多的挑戰(zhàn)。

（2）嚴(yán)酷的載荷條件根據(jù)對(duì)主流風(fēng)電齒輪箱的統(tǒng)計(jì)，在正常的3～25m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，最大功率幅值可能達(dá)到額定名義功率值的3～4倍。而交變風(fēng)載和電網(wǎng)波動(dòng)、電機(jī)等反向沖擊載荷共同作用更使得傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)極其復(fù)雜，極大地增加了關(guān)鍵零部件的損傷概率，加劇了疲勞失效研究的復(fù)雜性。

（3）動(dòng)態(tài)的性能變化在服役過程中，復(fù)雜的載荷條件將在長期和短期兩個(gè)方面影響傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)性能：①復(fù)雜交變的風(fēng)載會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)始終處于動(dòng)態(tài)的變化過程（這顯著不同于傳統(tǒng)的火電、水電設(shè)備等）；②風(fēng)載的復(fù)雜性加劇了零部件的材料性能老化，包括系統(tǒng)精度等在內(nèi)的結(jié)構(gòu)性能也會(huì)退化，這些都會(huì)對(duì)零部件的疲勞失效造成顯著的影響。

目前，風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件如軸承、齒輪、主軸等的失效是相對(duì)顯著的問題。目前，最突出的失效形式是接觸面損傷，特別是微點(diǎn)蝕、磨損、劃傷和剝落等（如圖5和圖6），P．J．Blau［22］、R．Errichello［23］等對(duì)風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)各種典型的表面損傷所作的詳盡技術(shù)調(diào)查極具代表性。國外許多學(xué)者針對(duì)風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件在復(fù)雜載荷條件下的結(jié)構(gòu)、材料性能以及表面物理特征等變化規(guī)律做了大量科學(xué)研究，力圖揭示裂紋擴(kuò)展、表面微粒磨損脫落等失效過程與零件的載荷及其結(jié)構(gòu)性能參數(shù)等之間的內(nèi)在關(guān)系［24－25］。Al－Tubi［26］在接觸應(yīng)力建模與分析的基礎(chǔ)上指出主動(dòng)輪的嚙合面頂部和從動(dòng)輪嚙合面根部是微點(diǎn)蝕最早萌生的位置，并仔細(xì)研究了風(fēng)電齒輪箱高速端齒輪嚙合的技術(shù)參數(shù)（特別是接觸應(yīng)力、相對(duì)滑動(dòng)速度、接觸溫度、油膜厚度等）在交變載荷下對(duì)齒面微點(diǎn)蝕的影響。因此，零部件傳動(dòng)界面（例如齒輪嚙合面、軸承上的滾動(dòng)面）的技術(shù)狀態(tài)，包括表面應(yīng)力分布、應(yīng)力集中情況以及結(jié)合面的機(jī)械物理性能（如耐磨性）等都對(duì)失效具有重要影響。

傳動(dòng)系統(tǒng)的裝配精度對(duì)于零部件關(guān)鍵傳動(dòng)界面的技術(shù)狀態(tài)有重要影響。傳動(dòng)系統(tǒng)裝配誤差過大、精度一致性低會(huì)顯著惡化零部件傳動(dòng)界面的配合狀態(tài)，加劇失效進(jìn)程。張立勇等指出內(nèi)齒圈偏心誤差對(duì)于齒輪箱中的載荷分布不均勻有最大的影響［27］。Qin Ming等近期的工作也表明，齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及傳動(dòng)系統(tǒng)零部件的制造裝配工藝精度等，對(duì)變載荷工況下風(fēng)電齒輪的齒面拍擊現(xiàn)象存在明顯影響，會(huì)顯著加劇齒面損傷的發(fā)展［28］。其主要的影響原因包括：①考慮到風(fēng)電傳動(dòng)零部件的尺寸相對(duì)較大，零部件實(shí)際制造裝配誤差絕對(duì)值也相對(duì)較大，從而使得傳動(dòng)界面的配合狀態(tài)變化較大（如圖7所示，風(fēng)電行星傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)中，各個(gè)傳動(dòng)件的回轉(zhuǎn)誤差通過裝配關(guān)系顯著傳遞到太陽輪的徑向偏差上，從而影響到行星輪—太陽輪的齒面嚙合精度）；②制造裝配誤差引起的零部件裝配應(yīng)力的變化會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，也會(huì)改變傳動(dòng)界面的配合精度。特別典型地，如果考慮到風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)中零部件所具有的剛?cè)狁詈咸匦?，裝配誤差對(duì)剛度較弱的空心低速中間軸、行星輪系（行星架）等零部件的影響相當(dāng)顯著——引起的零件彎曲、軸偏心等在復(fù)雜載荷下（特別是在超過設(shè)計(jì)負(fù)荷下工作時(shí)導(dǎo)致扭矩過大）會(huì)進(jìn)一步惡化傳動(dòng)件的配合接觸狀態(tài)，導(dǎo)致應(yīng)力集中加劇、誘發(fā)振動(dòng)問題及結(jié)構(gòu)失效等。傳動(dòng)系統(tǒng)中主要的轉(zhuǎn)動(dòng)軸系、行星架等有著明顯的柔性，關(guān)鍵的轉(zhuǎn)動(dòng)零部件的配合誤差（變形）與零部件的損傷、疲勞之間有明顯的雙向加劇的作用，是影響轉(zhuǎn)動(dòng)系質(zhì)量及性能的關(guān)鍵因素（如圖8）。又例如當(dāng)前比較突出的軸承失效問題。風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)上承受的是典型的交變載荷，裝配誤差與結(jié)構(gòu)變形等交織在一起會(huì)顯著加劇載荷不均，促進(jìn)包括軸承損傷的發(fā)展。McVittie［29］曾指出多于15% 的主軸軸承會(huì)在前五年內(nèi)發(fā)生與失效相關(guān)的問題，而高速端軸承的失效問題則更為嚴(yán)重。Guo Yi［30］進(jìn)一步研究了交變外載荷造成的軸承剛度大幅變化以及由此引起的零部件接觸表面應(yīng)力集中問題，更說明了風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)誤差的潛在影響。因此，必須從關(guān)鍵傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的典型剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)特征出發(fā)，研究系統(tǒng)中的誤差傳遞、裝配誤差的動(dòng)態(tài)形成規(guī)律。

4 裝配精度分析方法在風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)制造中的應(yīng)用及未來發(fā)展分析

風(fēng)電齒輪箱的裝配工藝過程具有多零件、多工序、嚴(yán)格工藝要求以及長裝配周期等特點(diǎn)（如圖9），受零部件機(jī)械結(jié)構(gòu)特性的影響，裝配工藝過程中的零部件變形和裝配誤差形成耦合影響作用；同時(shí)，當(dāng)前工序裝配件的誤差和變形會(huì)影響前道工序形成的裝配體的誤差與變形，又造成前后工序的誤差（變形）耦合。這些誤差集中反映到關(guān)鍵傳動(dòng)界面上，就是配合失準(zhǔn)及接觸狀態(tài)惡化，從而形成失效萌生的源頭。

考慮到風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)典型的剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)，其剛度的可靠性（可以簡單理解為結(jié)構(gòu)的位移保持在允許范圍內(nèi)的能力）也是系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。馮元生等提出了剛度可靠性的分析方法［31］，進(jìn)一步發(fā)展了運(yùn)動(dòng)精度失效分析方法［32］，對(duì)于考慮風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)的剛?cè)狁詈咸匦?，研究?fù)雜載荷下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝參數(shù)等對(duì)系統(tǒng)性能退化和失效加劇的影響作用，具有極大的啟發(fā)意義。從應(yīng)用研究上看，美國能源部支持、可再生能源國家實(shí)驗(yàn)室（NREL）牽頭組織的“齒輪箱可靠性協(xié)作（Gearbox Reliability Collaborative，GRC）”項(xiàng)目是風(fēng)電齒輪箱關(guān)鍵零部件失效機(jī)理、系統(tǒng)可靠性研究領(lǐng)域近年來最知名的工作。其中針對(duì)風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)受制造裝配技術(shù)的限制，在復(fù)雜交變載荷作用下形成的關(guān)鍵零部件運(yùn)動(dòng)偏差對(duì)軸承、齒輪等失效的影響作用做了較多的試驗(yàn)研究和理論推斷，這些工作也能夠?yàn)樘剿黠L(fēng)電裝備的制造裝配精度對(duì)零部件失效過程的影響作用機(jī)理提供寶貴的資料和技術(shù)指導(dǎo)。例如，Malkin突出強(qiáng)調(diào)了通過控制關(guān)鍵傳動(dòng)零部件制造裝配誤差以保證對(duì)中性的重要性，因?yàn)閷?duì)中失準(zhǔn)是零部件永久失效的重要原因［33］。進(jìn)一步考慮到風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的高速端（約1 700r/min）與發(fā)電機(jī)主軸相連接，對(duì)系統(tǒng)的對(duì)中誤差更為敏感，Brian McNiff等重點(diǎn)考察了在變化載荷作用下齒輪箱的位置偏移誤差（包括扭轉(zhuǎn)量）、發(fā)電機(jī)的位置偏移誤差等對(duì)發(fā)電機(jī)主軸的回轉(zhuǎn)誤差（徑向跳動(dòng)及軸向竄動(dòng)）的影響作用（如圖10）［34］，這些工作對(duì)于揭示目前普遍存在的高速端零件失效問題具有很大的促進(jìn)。風(fēng)電齒輪箱內(nèi)部的零件配置關(guān)系更為復(fù)雜，特別是行星傳動(dòng)系統(tǒng)，由于零部件的剛性差別較大，行星架、傳動(dòng)軸等在載荷作用下的回轉(zhuǎn)誤差更為突出，對(duì)行星輪組件的載荷分布、運(yùn)動(dòng)精度等的影響明顯，是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵影響因素［35］（William LaCava）。因此，亟待結(jié)合風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜外載條件，深入研究實(shí)際結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈咸匦院拖到y(tǒng)裝配誤差（偏心、側(cè)隙、交錯(cuò)等）的傳遞與累積規(guī)律，并通過準(zhǔn)確的裝配質(zhì)量分析、評(píng)估和規(guī)劃，為高性能風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造服務(wù)。這其中必須考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造方式所造成的應(yīng)力集中及變形問題的潛在影響。李明［36］指出風(fēng)電裝配中常用的過盈聯(lián)接對(duì)軸心彎曲的影響較大，分析探討了過盈聯(lián)接各參數(shù)——過盈量誤差、外載荷、材料性質(zhì)/摩擦系數(shù)等與聯(lián)接強(qiáng)度間的關(guān)系，并指出在鼓形修整時(shí)需要考慮過盈聯(lián)接引起的結(jié)構(gòu)變形。近年來國外針對(duì)行星齒輪的裝配結(jié)構(gòu)偏心問題發(fā)展的柔性銷軸技術(shù)（如圖11），更是在考慮結(jié)構(gòu)彈撓性的基礎(chǔ)上對(duì)行星輪系的設(shè)計(jì)制造參數(shù)與結(jié)構(gòu)性能之間的相互作用關(guān)系的優(yōu)化平衡［37－38］，即通過銷軸—套筒構(gòu)成的懸臂梁結(jié)構(gòu)在載荷下的偏斜抵消了它們彎曲時(shí)形成的偏心，以行星齒輪的自我調(diào)節(jié)達(dá)到既抑制偏心誤差又均勻分配負(fù)荷的目的。這都要求在考慮彈撓性的基礎(chǔ)上對(duì)行星輪系的裝配偏差（及變形）的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行精確定量分析與研究。

盡管近年來圍繞風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性改善、設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)的裝配精度誤差分析及應(yīng)用工作取得了較多的成果，但是總體上看，目前的研究工作和技術(shù)成果還不能完全滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需要，主要可以概括為如下幾方面：

（1）考慮到風(fēng)電傳動(dòng)零部件的剛?cè)狁詈咸匦?，誤差與變形之間的非線性強(qiáng)耦合的作用關(guān)系是理清風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)精度形成機(jī)理的重要挑戰(zhàn)。制造裝配誤差引起的零部件裝配應(yīng)力的變化會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，結(jié)構(gòu)變形同樣也會(huì)改變零部件之間的配合精度。特別典型地，裝配誤差—結(jié)構(gòu)變形的耦合作用對(duì)行星傳動(dòng)的影響相當(dāng)顯著。行星傳動(dòng)有結(jié)構(gòu)緊湊、剛?cè)狁詈?、多嚙合過定位等明顯特點(diǎn)，在復(fù)雜載荷下（特別是在超過了設(shè)計(jì)負(fù)荷下工作時(shí)導(dǎo)致扭矩過大），零部件彎曲、回轉(zhuǎn)偏心等會(huì)進(jìn)一步惡化傳動(dòng)件的配合接觸狀態(tài)，促進(jìn)太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈和行星架等多個(gè)部件的振動(dòng)以及部件之間的多個(gè)嚙合振動(dòng)相互耦合，導(dǎo)致應(yīng)力集中加劇及結(jié)構(gòu)失效等問題。而目前，針對(duì)多體結(jié)構(gòu)“誤差—變形”非線性耦合下的精度分析理論在國際上還處于初步研究階段，有待更深入的科學(xué)探索。

（2）裝配精度的三維表征及建模理論已經(jīng)成為突出的需要。近年來通過制造誤差理論的工程應(yīng)用實(shí)踐，大家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了裝配精度的三維表征及建模理論的重要性，主要體現(xiàn)在：①對(duì)于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的裝備（諸如風(fēng)電行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)等）而言，零部件制造裝配誤差積累的過程明顯呈空間三維分布；②具有復(fù)雜表面的零件的精準(zhǔn)制造和裝配客觀上需要更細(xì)化、精準(zhǔn)和規(guī)范化的表面精度描述（例如點(diǎn)云技術(shù)及其發(fā)展，就是此類需要推動(dòng)的一個(gè)典型結(jié)果）；③為了精致刻畫具有相對(duì)運(yùn)行關(guān)系的零部件配合面的技術(shù)狀態(tài)，表面的形狀、配合狀態(tài)還有其動(dòng)態(tài)時(shí)變等因素都成為有必要考慮的重要內(nèi)容，例如對(duì)于精密回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而言，傳統(tǒng)的同軸度、徑向跳動(dòng)等均很難全面反映其裝配狀態(tài)?？傮w來看，三維誤差表征建模理論正在發(fā)展之中，整個(gè)理論體系及技術(shù)都有待探索和進(jìn)一步闡明。

（3）風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的發(fā)展也需要更全面地豐富制造精度的內(nèi)涵。傳統(tǒng)意義的制造精度，更多的是基于一種靜態(tài)的視角。而大型風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)外部載荷條件惡劣、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及系統(tǒng)狀態(tài)時(shí)變的特點(diǎn)，都給設(shè)計(jì)制造提出了更多的要求，客觀上要求拓寬、豐富傳統(tǒng)的精度設(shè)計(jì)的工作內(nèi)涵。風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造中面臨的一個(gè)重點(diǎn)就是零部件疲勞過程中“表界面機(jī)械物理性能變化、裝配誤差（偏心、配合間隙等）→應(yīng)力分布改變及應(yīng)力集中→裂紋、磨損等疲勞源”等環(huán)節(jié)之間的交互影響作用關(guān)系。因此，在設(shè)計(jì)制造中考慮精度對(duì)零部件疲勞及壽命的影響的同時(shí)，也要考慮到精度本身的動(dòng)態(tài)演變的特點(diǎn)。也就是說定量化的精度數(shù)值、精度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律、系統(tǒng)保持精度的能力等都應(yīng)該成為精度設(shè)計(jì)的重要考慮內(nèi)容，這就構(gòu)成了精度可靠性的概念。正是這種工程需求的巨大推動(dòng)，促進(jìn)了近年來精度可靠性理論的快速發(fā)展。

基于以上的分析，可以看到復(fù)雜裝備的裝配誤差分析理論及其在風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用研究還有待進(jìn)一步從如下幾個(gè)重要方面加強(qiáng)：

（1）風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的剛?cè)狁詈咸匦苑治黾捌溲b配誤差形成規(guī)律研究風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的裝配結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)的剛?cè)狁詈咸匦悦黠@，裝配誤差與結(jié)構(gòu)變形都呈現(xiàn)出空間形態(tài)上的關(guān)聯(lián)作用。為全面精確反映其裝配技術(shù)狀態(tài)，應(yīng)結(jié)合風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，將裝配誤差的靜態(tài)表征和動(dòng)態(tài)建模兩個(gè)方面結(jié)合起來，在對(duì)系統(tǒng)的剛?cè)狁詈隙囿w模型進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，深入探索傳動(dòng)系統(tǒng)裝配誤差的形成與傳遞規(guī)律。

（2）風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的裝配質(zhì)量多元特性描述及其裝配質(zhì)量評(píng)估方法大型風(fēng)電齒輪箱關(guān)鍵零部件受系統(tǒng)內(nèi)在剛?cè)狁詈咸匦缘挠绊懀谘b配過程中質(zhì)量技術(shù)性能各異、在服役過程中裝配精度下降明顯，對(duì)系統(tǒng)性能影響很大。因此，需要從裝配精度、精度保持性及結(jié)構(gòu)可靠性等角度出發(fā)建立多元裝配質(zhì)量的概念，進(jìn)一步研究大型風(fēng)電傳動(dòng)齒輪箱的全面裝配質(zhì)量評(píng)估方法，為系統(tǒng)的精度優(yōu)化配置奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

（3）風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的裝配精度—性能一體化分析方法大型風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的制造裝配精度對(duì)于其傳動(dòng)性能及可靠性有著極大的影響，在典型非平穩(wěn)載荷的作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)零部件具有明顯的柔性，零部件變形與幾何裝配誤差之間存在耦合作用，裝配誤差（含變形）與零部件的損傷（疲勞）之間存在明顯的雙向加劇作用等。因此，需要從這些典型特點(diǎn)入手，深入研究關(guān)鍵裝配精度與傳動(dòng)性能之間的內(nèi)在關(guān)系，夯實(shí)多元裝配質(zhì)量的技術(shù)內(nèi)涵，形成裝配精度—性能一體化的分析方法。特別地，需要針對(duì)當(dāng)前風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造中幾個(gè)比較突出的問題，包括裝配誤差及復(fù)雜載荷的綜合作用下行星傳動(dòng)系統(tǒng)的性能分析、風(fēng)電齒輪箱高速端的偏心＼偏載分析及其動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化等展開重點(diǎn)研究。

5 結(jié)束語

本文回顧了近年來復(fù)雜裝備裝配誤差分析理論的發(fā)展歷程，該理論在大型風(fēng)電裝備的先進(jìn)制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)高性能風(fēng)電裝備傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造有著重要的支撐作用。但是風(fēng)電裝備“大型化、長壽命、高可靠性”的發(fā)展方向?qū)ρb配誤差分析技術(shù)還有著更高、更細(xì)的需求。歸納而言，還有待進(jìn)一步深化風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的剛?cè)狁詈咸匦苑治黾捌溲b配誤差形成規(guī)律、風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的裝配質(zhì)量多元特性描述及其裝配質(zhì)量評(píng)估方法、風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的裝配精度—性能一體化分析方法等幾個(gè)關(guān)鍵方面的研究工作，為大型風(fēng)電裝備傳動(dòng)系統(tǒng)的先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造提供科學(xué)指導(dǎo)。

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