吳偉強(qiáng)

（南京安維士傳動(dòng)技術(shù)股份有限公司， 江蘇 南京 210019）

引言

中國(guó)自21世紀(jì)初起大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，截至當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年裝機(jī)量以及總裝機(jī)量均占世界前列。根據(jù)技術(shù)不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)多種，但一般以包含增速齒輪箱的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)為主要發(fā)展方向。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要失效部件是齒輪箱，而齒輪箱的主要失效點(diǎn)是齒輪與軸承。微點(diǎn)蝕作為齒輪早期潛在的失效模式，在風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的全壽命周期中存在著擴(kuò)展的可能性，可能導(dǎo)致齒輪點(diǎn)蝕、剝落、斷齒等，影響著齒輪箱的運(yùn)行可靠性。本文通過(guò)研究齒輪微點(diǎn)蝕的產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)合當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電齒輪箱以及齒輪的相關(guān)指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，分析微點(diǎn)蝕產(chǎn)生的原因，提出相應(yīng)的對(duì)策及措施，以滿(mǎn)足風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的高可靠性需求。

1 齒輪微點(diǎn)蝕概述

齒面疲勞是在過(guò)大的當(dāng)量接觸切應(yīng)力作用下，在齒輪表面、次表面或表層下產(chǎn)生疲勞裂紋并進(jìn)一步擴(kuò)展而形成的一種齒面損傷。

微點(diǎn)蝕作為齒面疲勞的一種，是一種過(guò)載薄膜條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，輪齒工作面的接觸疲勞損傷。損傷面上，肉眼可見(jiàn)為無(wú)光澤、霜狀表面。放大后可見(jiàn)密密麻麻成片的微小蝕坑或微小裂紋。初期的微點(diǎn)蝕可通過(guò)拋磨降低擴(kuò)展的可能性。

在風(fēng)電齒輪箱的運(yùn)行過(guò)程中，微點(diǎn)蝕不一定會(huì)擴(kuò)展，在不擴(kuò)展的前提下齒輪箱仍可以正常運(yùn)行。但如果微點(diǎn)蝕一旦繼續(xù)擴(kuò)展并且惡化，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致齒面點(diǎn)蝕，甚至齒面剝落、以及齒輪斷齒[1]。

2 齒輪微點(diǎn)蝕產(chǎn)生機(jī)理

齒輪微點(diǎn)蝕產(chǎn)生的機(jī)理根據(jù)微點(diǎn)蝕的定義就可以看出，是齒面在載荷較大（一般為超載）情況下并且齒面潤(rùn)滑條件差引起的。因此，我們將齒輪齒面微點(diǎn)蝕的產(chǎn)生原因分為兩大類(lèi)：載荷過(guò)大和潤(rùn)滑條件差。同時(shí)，從我們可以控制的角度，我們將這兩大類(lèi)的原因細(xì)化為多個(gè)子原因，具體見(jiàn)圖1。

圖1 齒輪微點(diǎn)蝕產(chǎn)生機(jī)理

3 齒輪微點(diǎn)蝕計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

風(fēng)力發(fā)電齒輪箱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有很多，常用的有GB/T19073（以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB/T19073），AGMA6006-a03（以下簡(jiǎn)稱(chēng) AGMA6006），IEC61400-4（以下簡(jiǎn)稱(chēng)IEC61400）,Guideline for the Certification of Wind Turbines（以下簡(jiǎn)稱(chēng) GL）等。

目前AGMA 6006等標(biāo)準(zhǔn)暫無(wú)齒輪微點(diǎn)蝕計(jì)算要求，只要求計(jì)算齒輪的接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等。IEC61400標(biāo)準(zhǔn)里面提到齒輪的微點(diǎn)蝕受潤(rùn)滑油膜厚度、材料及微觀組織、表面粗糙度、嚙合狀況、載荷分布以及運(yùn)行狀況影響，也提到可以通過(guò)ISO/TR151 44-1計(jì)算評(píng)估齒輪微點(diǎn)蝕出現(xiàn)的可能性，建議對(duì)齒輪微點(diǎn)蝕的影響因素進(jìn)行評(píng)估，但并未給出具體要求值。

GL要求依據(jù)ISO/TR 15144-1，采用風(fēng)電齒輪箱載荷譜對(duì)齒輪進(jìn)行微點(diǎn)蝕計(jì)算，微點(diǎn)蝕安全系數(shù)須滿(mǎn)足1.2。

4 齒輪微點(diǎn)蝕影響因素分析

從上頁(yè)圖1齒輪微點(diǎn)蝕產(chǎn)生機(jī)理示意圖中可以看出，引起齒輪微點(diǎn)蝕的原因較多：部分屬于齒輪箱的設(shè)計(jì)因素，譬如齒輪的設(shè)計(jì)、齒輪的微觀修形、齒輪的潤(rùn)滑方式等；部分屬于齒輪箱的加工制造因素，譬如齒面的粗糙度；還有部分原因?qū)儆邶X輪箱的后期運(yùn)維因素，譬如齒輪箱的潤(rùn)滑油質(zhì)量不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求等。這也意味著一臺(tái)高可靠的風(fēng)電齒輪箱,它的設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)維都必須滿(mǎn)足一定的要求。

下面就以某1 MW風(fēng)電齒輪箱的高速級(jí)齒輪為例，依據(jù)圖1的分析，通過(guò)調(diào)整相關(guān)參數(shù)來(lái)確認(rèn)齒輪微點(diǎn)蝕的影響因素及影響程度。1 MW齒輪箱的部分參數(shù)如下：

齒輪箱功率為1100kW；潤(rùn)滑油為某品牌VG320潤(rùn)滑油；潤(rùn)滑油溫度為70℃；潤(rùn)滑方式為強(qiáng)制噴油潤(rùn)滑；齒數(shù)為28（高速軸）/113（齒輪）；模數(shù)為 5.2；壓力角為20°；螺旋角為14.4°；齒寬為140 mm（高速軸）/135 mm（齒輪）；變位系數(shù)為0.381 0（高速軸）/0.943 0（齒輪）；中心距為380 mm；轉(zhuǎn)速為1725（r·min-1）（高速軸）/427.5（r·min-1）（齒輪）。

我們依據(jù) ISO/TR 15144-1：2014（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ISO/TR15144-1）對(duì)該齒輪進(jìn)行額定載荷的微點(diǎn)蝕計(jì)算，計(jì)算軟件為KISSSOFT，得出該高速級(jí)齒輪的抗微點(diǎn)蝕安全系數(shù)為3.705。下面我們就針對(duì)圖1的分析，對(duì)部分參數(shù)調(diào)整并重新計(jì)算。

4.1 齒輪設(shè)計(jì)系數(shù)

圖1中提到齒輪的設(shè)計(jì)系數(shù)影響著齒輪的微點(diǎn)蝕，我們對(duì)齒輪參數(shù)的變位系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)我們將齒輪變位系數(shù)從0.943 0改為0.561 5，高速軸的變位系數(shù)從0.381 0改為0.762 4，然后再對(duì)齒輪副進(jìn)行計(jì)算。我們發(fā)現(xiàn)，齒輪與高速軸的微點(diǎn)蝕安全系數(shù)從3.705變?yōu)?.776，上升了約28.9%。由此可見(jiàn)，齒輪的變位系數(shù)對(duì)齒輪的微點(diǎn)蝕安全系數(shù)存在較大影響。

4.2 齒面局部應(yīng)力

4.2.1 齒輪齒向載荷分布系數(shù)

齒輪箱在傳遞功率時(shí)，由于受載荷的作用，各個(gè)零部件都會(huì)產(chǎn)生程度不同的彈性變形。這些變形會(huì)引起齒輪的齒廓和齒向曲線的變形，使齒輪在嚙合過(guò)程中，產(chǎn)生偏載，導(dǎo)致齒面局部應(yīng)力過(guò)大，繼而可能引起齒面微點(diǎn)蝕。綜合考慮齒輪剛度、軸承剛度、軸承游隙、箱體剛度和運(yùn)行載荷等，計(jì)算齒輪所需的齒廓修形以及齒向修形，以降低齒輪出現(xiàn)微點(diǎn)蝕的可能性。

以上述的齒輪為例，其余參數(shù)不變，當(dāng)齒輪與高速軸的齒向載荷分布系數(shù)從1.25提高到1.15的時(shí)候，齒輪與高速軸的微點(diǎn)蝕安全系數(shù)從3.705變?yōu)?.9，上升了約5.2%。由此可見(jiàn)，齒輪的齒向載荷分布系數(shù)對(duì)齒輪的微點(diǎn)蝕安全系數(shù)存在影響。

4.2.2 齒輪修緣

上述提及的齒輪齒向載荷分布要求只是齒輪微觀修形的一個(gè)方向。通過(guò)對(duì)風(fēng)電齒輪箱的運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)齒輪的微點(diǎn)蝕主要出現(xiàn)在齒輪齒廓的根部以及齒輪端部。這個(gè)符合齒輪的低速重載、高速滑動(dòng)區(qū)、高應(yīng)力區(qū)容易發(fā)生微點(diǎn)蝕的理論。因此，在齒輪齒向均載的基礎(chǔ)上，選擇合理的齒頂修緣以及端部修緣參數(shù)就顯得非常重要，可以有效降低齒根/齒頂，以及齒端的應(yīng)力值。以上述齒輪參數(shù)為例，當(dāng)齒輪與高速軸的齒頂修緣從0改為0.1Mn（Mn為法向模數(shù)）時(shí)，齒輪與高速軸的微點(diǎn)蝕安全系數(shù)從3.437變?yōu)?.705，上升了7.8%。由此可見(jiàn)，齒輪的齒頂/齒端修緣對(duì)齒輪的微點(diǎn)蝕安全系數(shù)存在影響。

4.3 齒面粗糙度

根 據(jù) GB/T19073、AGMA6006、IEC61400 以 及GL的要求，風(fēng)電齒輪箱的齒面粗糙度須達(dá)到下面的要求。

高速級(jí)齒輪：Ra0.8（GB/T19073），Ra0.7（IEC6140 0/AGMA6006）。

中間級(jí)齒輪：Ra0.8（GB/T 19073），Ra0.7（IEC6140 0/AGMA6006）。

低速級(jí)齒輪：Ra0.8（GB/T 19073），Ra0.6（IEC6140 0/AGMA6006）。

太陽(yáng)輪、行星輪：Ra0.4（GB/T19073），Ra0.5（IEC61 400/AGMA6006）。

從目前的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，低速重載行星級(jí)的齒面粗糙度要求比較高，主要還是因?yàn)槲Ⅻc(diǎn)蝕更容易發(fā)生在低速重載的齒輪上。通常情況下，齒輪的最后一道加工工序是齒輪磨齒，這道工序直接影響著齒輪的粗糙度。目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電齒輪箱制造廠家采用的都是進(jìn)口磨齒機(jī)，磨齒后齒輪的粗糙度基本可以達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)的需求。譬如高速級(jí)齒輪副一般都能達(dá)到Ra0.6以上。但如果需要達(dá)到更好的粗糙度，那么就必須在齒輪的磨齒工序之后增加表面拋光或者超精加工等工序。

以上述齒輪參數(shù)為例，當(dāng)齒輪與高速軸的齒面粗糙度從Ra0.6改為Ra0.4時(shí)，齒輪與高速軸的微點(diǎn)蝕安全系數(shù)從3.705變?yōu)?.617，上升了51.6%。由此可見(jiàn)，齒輪的齒面粗糙度對(duì)齒輪的微點(diǎn)蝕安全系數(shù)影響非常明顯。

4.4 潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)相關(guān)

齒輪嚙合區(qū)的潤(rùn)滑油溫高、潤(rùn)滑方式差也是導(dǎo)致齒輪微點(diǎn)蝕的重要原因。目前風(fēng)電齒輪箱齒輪常用的潤(rùn)滑方式主要有兩種，一是油浴潤(rùn)滑，二是強(qiáng)制噴油潤(rùn)滑。

油浴潤(rùn)滑是將齒輪浸入到潤(rùn)滑油中至一定深度，以油池中的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑齒輪。由于齒輪浸在潤(rùn)滑油中，在同等條件下，齒輪的潤(rùn)滑油膜更易形成（ISO/TR 15144-1，齒輪浸入潤(rùn)滑比強(qiáng)制噴射潤(rùn)滑的熱交換更好）。但實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，油浴潤(rùn)滑的潤(rùn)滑油清潔度、油溫等都影響著齒輪的嚙合性能。而強(qiáng)制噴油潤(rùn)滑是將齒輪箱的潤(rùn)滑油通過(guò)油泵吸出，經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾，再通過(guò)冷卻風(fēng)扇進(jìn)入齒輪箱內(nèi)部各潤(rùn)滑點(diǎn)。此潤(rùn)滑方式需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的潤(rùn)滑油路，但優(yōu)點(diǎn)很明顯。

1）潤(rùn)滑油經(jīng)過(guò)冷卻后溫度降低，噴到齒面可以降低齒輪表面的溫度。齒輪嚙合區(qū)的潤(rùn)滑油溫度直接影響著潤(rùn)滑油膜的狀態(tài)，也就影響著齒輪的微點(diǎn)蝕安全系數(shù)。以上述齒輪參數(shù)為例，當(dāng)進(jìn)入齒輪嚙合區(qū)的潤(rùn)滑油溫度從70℃下降到65℃時(shí)，齒輪的微點(diǎn)蝕安全系數(shù)從3.705變?yōu)?.064，上升了9.7%。由此可見(jiàn)，潤(rùn)滑齒輪的潤(rùn)滑油溫度對(duì)齒輪的微點(diǎn)蝕安全系數(shù)存在影響。

2）潤(rùn)滑油經(jīng)過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾后，比油池的潤(rùn)滑油干凈。雖然ISO/TR 15144-1里目前暫無(wú)潤(rùn)滑油清潔度對(duì)齒輪微點(diǎn)蝕的影響公式，但在齒輪箱的實(shí)際運(yùn)行中，潤(rùn)滑油中的微觀顆粒會(huì)在某些場(chǎng)合破壞齒輪嚙合所需的油膜，導(dǎo)致油膜失效，繼而導(dǎo)致齒輪發(fā)生微點(diǎn)蝕等失效形式。

因此，在條件允許的情況下，盡可能采用強(qiáng)制噴油可以降低齒輪表面溫度、嚙合區(qū)潤(rùn)滑油溫度、潤(rùn)滑油清潔度等，提高齒輪的抗微點(diǎn)蝕能力。

4.5 潤(rùn)滑油質(zhì)量

目前風(fēng)電齒輪箱潤(rùn)滑油基本為合成油，擁有優(yōu)異的微點(diǎn)蝕性能。根據(jù)FZG微點(diǎn)蝕FVAProc No.54測(cè)試方法可以獲得潤(rùn)滑油的失效等級(jí)。失效等級(jí)越高，潤(rùn)滑油的微點(diǎn)蝕能力越強(qiáng)，齒輪越不易發(fā)生微點(diǎn)蝕。以上述齒輪參數(shù)為例，當(dāng)齒輪箱潤(rùn)滑油微點(diǎn)蝕測(cè)試失效等級(jí)從10降低為9的時(shí)候，齒輪與高速軸的微點(diǎn)蝕安全系數(shù)從3.705變?yōu)?.387，降低了9.4%。由此可見(jiàn)，潤(rùn)滑齒輪的潤(rùn)滑油性能對(duì)齒輪的微點(diǎn)蝕安全系數(shù)存在影響。

表1 齒輪微點(diǎn)蝕各因素的影響程度

5 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)電齒輪箱的齒輪微點(diǎn)蝕的影響因素很多，結(jié)合上述的理論及計(jì)算分析，歸納如下。

從表1可以看出，要保證風(fēng)電齒輪箱的高可靠性，降低風(fēng)電齒輪箱齒輪微點(diǎn)蝕發(fā)生的幾率，就需要從設(shè)計(jì)、加工制造、運(yùn)行維護(hù)等各方面加以考慮。只有每個(gè)環(huán)節(jié)做到最優(yōu)，才能保證齒輪箱的可靠運(yùn)行。