1、考慮性能退化的風電齒輪箱加速壽命試驗研究陳文華12鄭明亮1潘俊李劍敏1李奇志1（1.浙江理工大學機械設計與制造研究所杭州310018；2.浙江大學機械設計研究所杭州310027）摘要：針對風電齒輪箱在設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理，選擇扭矩作為加速應力和傳動效率作為性能退化參數，建立其加速退化試驗方案，在此基礎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測規律。以杭州前進齒輪公司某型號齒輪箱的加速性能退化試驗數據為例進行可靠性分析。結果表明：該方法是可行的，能有效縮短試驗周

2、期，節約試驗成本，為風電齒輪箱壽命試鑒定提供了參考。關鍵字：齒輪箱；失效機理；加速退化；壽命分布引言風力發電作為環保能源在全球得到了快速健康的發展1。風電齒輪箱作為風力發電系統的重要部件，其性能和可靠性直接決定了整機系統的可靠性。目前大多數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,但由于試驗費用和試驗設備的限制，工廠對齒輪箱的各種試驗一般只進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品，通常無法獲得失效數據，加上對于風電齒輪箱在復雜、惡劣的隨機風載環境下的動態服役行為以及其失效機理還未得到較為深入的研究和分析，一直未

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

4、的一個必要前提，它涉及到敏感退化參數的選擇、退化量的測量刻、失效判據的確定等一系列內容，為保證試驗方案的合理性與可行性，獲取的試驗數據的正確性和有效性，需要對齒輪箱的失效模式、失效機理等方面進行系統地研究和分析。齒輪箱系統作為整個風機系統的核心部件，受到通過葉片系統傳遞來的低速強載荷的擾動沖擊作用，同時承載齒輪箱的機艙系統在陣風作用下也有較大幅度的擺動，再加上內部的溫度、潤滑狀態的變動、傳動系統的結構及裝配質量技術誤差等，使得齒輪箱成為風力發電系統故障率最高的部件。一般來說齒輪箱中相對軸承而言，齒輪是相對薄弱構件，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）。風電齒輪箱上承受的載荷

5、變化比較大，特別是由極限風速或湍流工況引起的系統過載以及由調距或機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律可歸納為：“點蝕-剝落-斷齒”三部曲，考慮到潤滑不良、熱處理和安裝調試等狀況，由于齒面在交變載荷下承受過大的接觸剪應力、過多的應力循環次數，因此齒面容易發生膠合、點蝕、齒面剝落、表面壓碎等損傷。比較典型的是行星輪系，行星輪在運轉過程中總是雙向受力，受齒輪精度、強度的影響，容易出現疲勞斷齒現象；太陽輪具有結構小、載荷大的特點，其精度保持性低，易誘發失效。損傷是材料表面的不可逆過程，它具有復雜性、階段

6、性與隨機性。損傷的復雜性在于摩擦表面間的應力、熱及物理、化學相互作用的過程。它與摩擦運動速度、壓力、表面粗糙度、材料性能、摩擦磨損類型、潤滑狀態、表面涂層、摩擦副結構等因素有關。2風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：恒定應力加速壽命試驗、步進應力加速壽命試驗和序進應力加速壽命試驗。因恒加試驗方法操作簡單，數據處理方法也較為成熟，文中選用恒加應力試驗方法。2.1加速應力選擇影響齒輪箱壽命的應力有沖擊力、扭矩（轉速）、溫度、潤滑條件以及油液的污染等，由于潤滑脂的黏度指數高達350，由于小幅度的提高油液污染對齒輪箱的潤滑狀況

7、影響較小,大幅度的改變溫度又會導致齒輪接觸區域的失效機理發生變化。而適當的會增大沖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力，可以選擇輸入軸端的扭矩（轉速）作為齒輪箱加速壽命試驗的加速應力，試驗中扭矩由力矩電機加載，操作方便，易于控制，效果明顯可行。2.2退化參數選擇隨機風載環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。耳壯/（F）+NLRTioutteeth式中T為輸出軸端扭矩，NRLT為空載運轉扭矩，耳為齒輪的嚙合效率，i傳動比。outteeth針對本文所研究的風電齒輪箱，

8、其性能退化試驗還可選擇剝落系數和噪聲特征為檢測的性能退化敏感參數。通過調研發現:剝落系數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境因素的影響，干擾性強，誤差大。在長試、壽命保證期試驗，以上3個參數都會出現不同程度的退化波動，但最容易觀察和準確測量退化敏感參數還是傳動功率。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力水平的關系，可以通過對加速試驗數據的分析，對加速模型中的各參數進行估計，然后再由加速模型對正常應力水平下的特征量做出推斷。加速退化模型假設6】:產品的性能退化不可逆轉，并且產品的退化（失效）機理在提高應力過程中并未發

9、生變化。齒輪箱在交變載荷狀態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壁與柔性軸承外圈長期處于混合潤滑的狀態，基于此構建了基于損傷系數為表征量的混合潤滑狀態下的黏著損傷模型邙阿倫尼斯模型)g(T)二AeE/kt(2)式中E激活能，K為玻爾茲曼常數，g為損失率，T為應力(扭矩)。3風電齒輪箱隨機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據進行分析，采用退化軌跡擬合法來預測齒輪箱的可靠性，具體方法和步驟如下：假設在應力水平S(l=l,2.d)下，從該型號的齒輪箱產品中隨機抽取n個樣品進行加速退i

10、i化試驗，第j個產品在t,t.t時刻監測其性能參數耳的退化量，為方便，規定監測時ll12lml,j,ii間間隔為同一值At=t-1。l,il,i-1假設退化量隨時間退化的軌跡用布朗運動進行擬合:n(t)二耳+g(T)-1+oB(t)0n0為產品性能在初始時刻的初始值;B(t)為標準布朗運動，B(t)N(0,t);g(T)為漂移系數其與應力函數滿足(2)式；b為擴散系數，a在整個加速退化試驗中不隨應力而改變。取似然函數L二工為l=1j取似然函數L二工為l=1j=1i=1ln-n)-gAtl，jj-1laiAt(4)通過對式(4)各參數g2勺，a求偏導數，令導數等于零，則可以求得每個參數的極大似然

11、估計值。結合式，對d/Tl，恥l)利用最小二乘法可以得到A和E/K的估計值。設風電齒輪箱所受實際載荷譜為(A,N,w)，A為幅值，N為作用頻次，w為頻度。iiiiii根據Palmgrem-Miner定則，零件在一系列不同的重復應力水平下所造成疲勞累積損傷度,等于每一應力水平的應力循環次數與材料應力循環次數特性線上該應力水平對應的循環次數的比值之和。設固定轉速為r，當量應力水平為T，則根據：eTm，r-(Nw)=AmN(5)eiiii可求出當量應力水平a，式中m為疲勞曲線指數，可由材料S-N曲線確定，是一常數。e設性能退化的臨界閾值為C,當量應力為T，根據漂移布朗運動的首達時分布服從逆高e斯分布

12、，則正常應力水平下的可靠度函數為:R(t)=CznJO-exp(C-吧時OC巴刃G2G.At4實例分析對杭州前進齒輪公司的1.5MW風電齒輪箱在固定轉速r二1500r/min環境下的壽命加速退化試驗共投入了12個樣本，均分成4組應力水平進行定失效閾值的恒定應力試驗，試驗裝置如圖2,試驗應力水平如下丁55篤=10nm，s3二205廿30。測量的時間間隔設定為3h,失效閾值為傳動效率退化到低于50%，退化測量結果如圖3所示。少涯速器忡功蝕半LlPUt歸時創It昶BE少涯速器忡功蝕半LlPUt歸時創It昶BEB0.:ct空誠塑時伽巾皚9QUt砂雄黔恃剎效斗峑試*時何曲兀-Mr1-一如產70-a-iV

13、、-X楠1XX45BQ70GEB1024a也空試豎時甸伽MRd$B10厲刑試嵋時h|(month)圖3不同工況下諧波減速器傳動效率-時間試驗曲線采用極大似然估計方法對試驗數據進行處理，得到加速退化模型的各參數估值，見表1。表1統計計算結果參數AE/K(50估計值2.46x1040.50270.49819.5844文獻給出了某1.5MW風電齒輪箱載荷譜圖形，在20年內累積工作時間為16.1x104h，累計循環次數為13.8x107。將載荷簡化分成5級如表2表2齒輪箱設計載荷譜載荷等級12345輸入轉速ni0.5260.8820.8941.0001.000功率pi0.1060.3200.9571.

14、0001.100頻度0.1640.2910.2840.1680.093根據Palmgrem-Miner定則，按式(5)計算得到當量應力水平卩=1000-m，當量水平下e的損傷率2(T)=AeEoTe=450.7256。設性能參數初始值為1,根據式(6)得可靠度函數為:eR(t)u1-0.03exp(t/30.71)1.059三園涪T三園涪T圖4齒輪箱可靠度隨時間的變化曲線可以看出，在隨機交變載荷作用下，齒輪的可靠度隨著使用時間的增加呈現逐漸降低的趨勢!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

15、滿足20年需求。總結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力和傳動效率最為性能退化特征參數的選擇能夠更容易建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交變動載荷下的可靠壽命變化規律，對杭州前進齒輪箱的實際試驗結果表明，本文的方法有效且能夠縮短試驗周期，節約試驗經費,對齒輪箱的壽命估算具有一定實際價值。參考文獻SANCHEZI.AdaptivecombinationofforecastswithapplicationtowindenergyJ.InternationalJourn

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