風電齒輪箱加速疲勞壽命試驗驗證

曾雨田， 李金庫

（湖南南方宇航高精傳動有限公司，湖南株州412000）

0 引言

風電主齒輪箱作為風力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部件，其性能和可靠性決定了整個系統(tǒng)的可靠性[1]。齒輪箱是風力發(fā)電系統(tǒng)故障率最高的部件[2]。目前大多數(shù)齒輪箱的制造廠家都是采用逐級加大載荷的試驗方法進行試驗，但是由于試驗條件的各種限制，對風電齒輪箱的各種疲勞加載試驗，都只有幾十小時到一百多個小時，載荷最大也只有120%且運轉(zhuǎn)的時間非常短。在試驗臺上，不能按照風電齒輪箱20 a的壽命來進行試驗，且沒辦法按照客戶給的實際載荷譜進行加載試驗，所以加速疲勞試驗很有必要。

本次加速疲勞壽命試驗的方法是基于Miner線性累計損傷理論。應用此方法，對中國航發(fā)湖南南方宇航高精傳動有限公司2 MW風電齒輪箱進行加速疲勞壽命試驗，分析該齒輪箱的試驗數(shù)據(jù)，以驗證齒輪箱的可靠壽命。

1 加速疲勞試驗原理

加速疲勞壽命試驗方法是基于S-N疲勞曲線和Miner疲勞累積損傷理論，根據(jù)設計載荷譜，確定額定載荷在額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)的時間。根據(jù)總運轉(zhuǎn)時間，選擇一恒定載荷作為主試驗時間，等效的總試驗時間必須大于額定載荷下運轉(zhuǎn)的時間。即通過加大載荷來縮短試驗時間。

1.1 總循環(huán)次數(shù)

根據(jù)Miner準則原則[2]計算，公式為

式中：Ti為每一工況的轉(zhuǎn)矩；T為額定轉(zhuǎn)矩；Ni為每一工況的循環(huán)次數(shù)；N額為額定轉(zhuǎn)矩下的總的循環(huán)次數(shù)；p為材料系數(shù)，軸承為3.333，齒輪接觸為6.61，齒輪彎曲為8.74。在計算齒輪箱時，由于轉(zhuǎn)矩與彎曲應力為線性關系，且齒輪彎曲應力增長比齒輪接觸以及軸承要快，故通常選p=8.74。

1.2 總運行時間

根據(jù)總循環(huán)次數(shù)，可求出額定轉(zhuǎn)速下運行的總時間，公式為

式中：t為額定轉(zhuǎn)速下的總時間；n為額定輸入轉(zhuǎn)速。

2 加速疲勞壽命試驗方案

對于中國航發(fā)湖南南方宇航高精傳動有限公司的2 MW風電齒輪箱，根據(jù)主機廠提供的載荷譜，共有40個工況，所以計算公式如下：

圖1 加速疲勞壽命試驗加載步驟

可以求出額定轉(zhuǎn)矩下的總循環(huán)次數(shù)為43 995 000。

再根據(jù)式(2)，可算出額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)的總時間為55000h。

齒輪箱加速疲勞壽命試驗步驟計算無標準可依，僅是業(yè)內(nèi)普遍的做法，本文以175%額定載荷為主要試驗時間，200%額定載荷為截止載荷。如果需要精確地確定齒輪及軸承的壽命，在做加速疲勞試驗時，只能單獨加載試驗。根據(jù)Miner準則確定加載步驟(如圖1)。

試驗步驟等效100%載荷的時間如下：1)額定轉(zhuǎn)速下100%載荷試驗24 h，相當于100%載荷24 h；2)額定轉(zhuǎn)速下125%載荷試驗24 h，相當于100%載荷168.73 h；3)額定轉(zhuǎn)速下150%載荷試驗24 h，相當于100%載荷830.33 h；4)額定轉(zhuǎn)速下175%載荷試驗520 h，相當于100%載荷54 125.09 h；5)額定轉(zhuǎn)速下185%載荷試驗1 h，相當于100%載荷216.31 h；6)額定轉(zhuǎn)速下200%載荷試驗0.5 h，相當于100%載荷213.78 h。

以上所有的試驗時間加起來相當于額定轉(zhuǎn)速下100%載荷運行55 700 h，等效試驗時間大于額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)的總時間t額=55 000 h，滿足齒輪箱整個壽命周期需要的時間。

試驗過程中，監(jiān)測軸承、齒圈、箱體、扭力臂的振動、軸承溫度、潤滑油溫度、潤滑系統(tǒng)壓力、噪聲、潤滑油清潔度等指標。必須在整個試驗期間對溫度、油壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、振動（低采樣率）、噪聲（低采樣率）和油品質(zhì)量連續(xù)測量。而振動（在10 240 Hz），必須采用高采樣頻率方法，在每種轉(zhuǎn)矩載荷步驟下至少記錄1 min。每個工況開始運行及結(jié)束運行都需要進行潤滑油清潔度檢測。轉(zhuǎn)矩傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，數(shù)據(jù)必須以1 Hz的頻率記錄在常規(guī)監(jiān)測表格中，并且在采樣高速振動數(shù)據(jù)的同時記錄轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。齒輪箱在額定轉(zhuǎn)矩下運轉(zhuǎn)時，頻率在0～200 Hz范圍內(nèi)，齒輪箱連接面（彈性支撐處）的最大振動速度不應超過1.5 mm/s；頻率在10～1000 Hz范圍內(nèi)，其他處的最大振動速度不應超過3.5 mm/s；齒輪箱在200%轉(zhuǎn)矩以下運轉(zhuǎn)時，頻率在0～200 Hz范圍內(nèi)，最大振動速度不應超過6.5 mm/s。

每個工況停機時均需要檢查漏油及緊固件松動情況，檢查內(nèi)容不僅僅是產(chǎn)品，還包括試驗設備及試驗工裝；停機檢查需要拆開觀察窗蓋板及扭力臂視孔蓋，觀察齒輪印痕級齒面是否存在異常情況，用內(nèi)窺鏡或者相機拍照并記錄。停機檢查的具體時間如下：1)100%轉(zhuǎn)矩時，完成本功率試驗，進行停機檢查；2)125%轉(zhuǎn)矩時，完成本功率試驗，進行停機檢查；3)150%轉(zhuǎn)矩時，完成本功率試驗，進行停機檢查；4)175%轉(zhuǎn)矩時，運行到24、48、120、240、408 h完成本功率試驗，停機檢查；5)175%轉(zhuǎn)矩時，完成本功率試驗，進行停機檢查；6)185%轉(zhuǎn)矩時，完成本功率試驗，進行停機檢查；7)200%轉(zhuǎn)矩時，完成本功率試驗，進行停機檢查。

試驗前，確保試驗臺上的齒輪箱正確安裝對中；齒輪箱加注指定類型和指定體積的潤滑油，新加的潤滑油清潔度至少達到規(guī)定的-/14/11；在開始試驗之前，必須完成齒輪箱沖洗試驗；在風機中安裝的整套潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)都要安裝且運行，散熱器允許使用兩個散熱器串聯(lián)進行散熱，但在125%以下載荷時不允許同時使用兩個散熱器進行散熱；考慮濾芯納污能力，允許試驗過程中更換濾芯；按照要求進行齒輪箱的轉(zhuǎn)矩加載，每步之間以及過程中的加扭必須平緩，防止出現(xiàn)瞬時沖擊載荷；一旦齒輪箱在額定轉(zhuǎn)速下加載，齒輪箱潤滑油清潔度等級至少必須達到規(guī)定的-/15/12；在每個轉(zhuǎn)矩下，溫度（潤滑油和軸承）和潤滑油的清潔度必須要趨于穩(wěn)定。

3 試驗器型式

風電齒輪箱進行疲勞壽命試驗，試驗裝置都是根據(jù)功率流的情況進行劃分的。主要有電功率流封閉、機械功率流封閉、液壓功率流封閉等三種形式的試驗臺。

綜合考慮各項因素，背靠背的電功率封閉型式技術(shù)成熟度高，可靠性高，安裝調(diào)試方便，尤其是湖南南方宇航高精傳動有限公司在這方面具有豐富的改造和應用經(jīng)驗，技術(shù)風險小，一次性投入成本和運行成本相對另兩種型式低，更合理有效，能滿足目前齒輪箱研制和發(fā)展需求。因此本次試驗采用背靠背的電功率封閉型式作為齒輪箱的試驗器型式。

電功率流封閉試驗臺是利用電能，使主試齒輪箱的輸入功率與輸出功率形成封閉功率流，即電網(wǎng)的電能帶動6.3 MW電動機，6.3 MW電動機的動能分別輸送給主試齒輪箱與陪試齒輪箱后，再傳遞給發(fā)電機，發(fā)電機產(chǎn)出的電能最后輸送回電網(wǎng)。試驗臺簡圖如圖2所示。

圖2 電功率封閉試驗臺

圖3 高速中間軸小齒輪（試驗前后公法線小0.01 mm）

圖4 高速軸齒輪（試驗前后公法線無變化）

圖5 溫度曲線圖

圖6 振動曲線圖

圖7 高速中間軸下風向軸承

圖8 低速軸下風向軸承

圖9 潤滑油清潔度

表1 試驗前后齒輪精度對比表

表2 其他試驗項目結(jié)果實測表

4 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果及檢測結(jié)果顯示，2 MW風電齒輪箱各項性能指標均滿足試驗技術(shù)要求。齒輪箱拆解檢查過程中發(fā)現(xiàn)各零部件正常，沒有出現(xiàn)明顯損傷；齒輪嚙合痕跡符合設計要求；用齒檢儀檢測齒輪，齒形齒向精度變化不大，齒輪磨損很小，在規(guī)定的范圍內(nèi)；用三坐標檢測箱體、行星架等鑄件，箱體尺寸精度及形位公差變化量很?。粚X輪、軸、箱體及行星架進行磁粉探傷和超聲波探傷，均未出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象；對潤滑油進行檢測，過程中及試驗后的清潔度都很好，金屬含量低，說明齒輪磨損小，過濾效果好。具體試驗結(jié)果見圖3～圖9及表1、表2。因此該2 MW風電齒輪箱壽命可以超過20 a，能夠滿足設計要求。

5 結(jié)語

根據(jù)以上的加速疲勞壽命試驗步驟及試驗結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：1）此次進行加速疲勞壽命試驗的2 MW風電齒輪箱正常使用可以達到20 a的壽命，能夠滿足設計和使用要求。2）本文闡述的試驗過程及結(jié)果對風電齒輪箱加速疲勞壽命試驗具有一定的參考價值。