風(fēng)電齒輪箱背對(duì)背試驗(yàn)吃色異常分析

摘要：對(duì)風(fēng)力發(fā)電齒輪箱背對(duì)背試驗(yàn)吃色異常進(jìn)行RCA分析，同時(shí)對(duì)潛在原因進(jìn)行糾正，檢查問題是否得到減緩甚至消除，以此判斷根本原因或確定主要原因范圍，并針對(duì)故障原因給出了改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;背對(duì)背試驗(yàn);RCA;行星轉(zhuǎn)動(dòng);吃色

0? ? 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，風(fēng)電行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展期，全球多個(gè)國家都確立了未來風(fēng)電等綠色能源在電力供應(yīng)中所占的比重。對(duì)于齒輪箱這一風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈中的關(guān)鍵部件的驗(yàn)證要求極高，其體現(xiàn)了齒輪箱能否符合風(fēng)電高可靠性要求。

本課題針對(duì)風(fēng)電齒輪箱試驗(yàn)中出現(xiàn)的一種異常問題進(jìn)行RCA分析，得出解決方案，并最終通過試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的有效性。

1? ? 風(fēng)電齒輪箱試驗(yàn)臺(tái)位簡介

1.1? ? 傳統(tǒng)雙饋型風(fēng)機(jī)齒輪箱結(jié)構(gòu)簡介

按照傳遞扭矩的大小，2 MW及以下雙饋齒輪箱通常采用一級(jí)行星傳動(dòng)、兩級(jí)平行軸傳動(dòng)（圖1）。

1.2? ? 試驗(yàn)臺(tái)位簡介

齒輪箱驗(yàn)證過程中應(yīng)盡量模擬真實(shí)工況設(shè)計(jì)、開發(fā)試驗(yàn)臺(tái)并對(duì)齒輪箱進(jìn)行充分驗(yàn)證。

本課題介紹的試驗(yàn)臺(tái)屬于四點(diǎn)支撐模式的背對(duì)背試驗(yàn)臺(tái)。兩臺(tái)齒輪箱低速端通過模擬主軸（剛性軸）連接，一臺(tái)齒輪箱作為主試，連接發(fā)電機(jī);另一臺(tái)作為陪試，連接電動(dòng)機(jī);發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能反饋到電動(dòng)機(jī)中;一次試驗(yàn)驗(yàn)證兩臺(tái)齒輪箱（圖2）。

2? ? 齒輪吃色簡介

齒輪的吃色是齒輪箱驗(yàn)收的一項(xiàng)重要指標(biāo)，直接體現(xiàn)為齒輪副嚙合時(shí)的接觸面積和位置。位置正確、范圍充分的吃色是保證齒輪箱在設(shè)計(jì)工況下達(dá)到滿意使用壽命的先決條件，理想的吃色與設(shè)計(jì)及有限元模擬計(jì)算時(shí)相吻合。常見的異常吃色有偏向一側(cè)（即一側(cè)嚙合充分，一側(cè)嚙合不足）、齒頂或齒根吃色不充分等。

3? ? 異常原因分析

3.1? ? 問題描述

本課題主要介紹和分析行星級(jí)吃色異常問題——齒圈吃色走S，即齒圈的吃色寬度方向在一周范圍內(nèi)出現(xiàn)規(guī)律的偏移;假想把齒圈切開，并把齒圈寬度加寬后顯示的吃色邊界是個(gè)“S”型。

3.2? ? 問題分析

根據(jù)齒輪箱結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)可以把整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：剛性軸兩端通過收縮盤連接兩臺(tái)齒輪箱的行星架是第一部分;扭力臂連接齒圈以及后面平行級(jí)部分是第二部分。這兩部分在運(yùn)行中有兩條中線：剛性軸和齒圈的中心線。理想情況下，這兩條中心線重合，這樣整個(gè)齒圈所有的齒面吃色狀態(tài)應(yīng)當(dāng)是一致的。經(jīng)過多次試驗(yàn)、模擬計(jì)算及分析，造成齒圈吃色走S的主要原因是上述兩條中心線不重合，從低速端朝高速端看，齒圈的中心線相對(duì)于剛性軸的中心線朝右下傾斜，類似于平行級(jí)由于自身重量或載荷原因朝右下落下，帶動(dòng)齒圈出現(xiàn)傾斜。以下試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了以上故障的形成。

3.2.1? ? 應(yīng)力試驗(yàn)

在試驗(yàn)出現(xiàn)“S”問題的同時(shí)，應(yīng)力分布試驗(yàn)結(jié)果也發(fā)現(xiàn)了齒圈根部應(yīng)力異常。圖3展示了幾個(gè)齒的正常應(yīng)力分布，其中A～G代表齒寬方向同一齒根的應(yīng)力數(shù)值，三條不同顏色的應(yīng)力線代表齒圈三等分部位選擇齒的齒根應(yīng)力。應(yīng)力圖顯示三個(gè)齒的應(yīng)力線基本平行，每個(gè)齒寬度方向受力均勻。圖4則顯示不同位置（對(duì)角線位置）齒的應(yīng)力線出現(xiàn)了交叉，這是典型的行星架中心和齒圈中心相對(duì)傾斜后導(dǎo)致齒圈兩端嚙合位置和嚙合側(cè)隙變化在應(yīng)力上的體現(xiàn)。

3.2.2? ? 對(duì)平行級(jí)箱體進(jìn)行支撐

由于懷疑試驗(yàn)過程中平行級(jí)朝右下方落下，所以用千斤頂對(duì)相應(yīng)位置進(jìn)行支撐、補(bǔ)償這個(gè)位移后應(yīng)當(dāng)?shù)玫礁纳频某陨Ч?/p>

下次試驗(yàn)時(shí)在平行級(jí)箱體下進(jìn)行支撐，通過水平尺和激光對(duì)中儀矯正支撐的量。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)齒圈的“S”問題得到極大的改觀。

3.3? ? 原因分析

問題現(xiàn)象得到了初步分析和證實(shí)后，需進(jìn)一步分析造成現(xiàn)象的背后原因。軸線交角至少預(yù)示了兩方面可能的原因：

3.3.1? ? 試驗(yàn)臺(tái)搭建

多次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了“S”問題出現(xiàn)的位置相同，但幅度不同，所以臺(tái)位搭建是其中一個(gè)影響因子。

3.3.2? ? 齒圈剛度

齒圈是薄壁件，出現(xiàn)以上問題是在某個(gè)力的作用下齒圈的電機(jī)側(cè)通過連接螺栓被拉離了原始位置，致使齒圈中心線偏離。

4? ? 改進(jìn)方案

找到了導(dǎo)致“S”問題的可能原因后，即可對(duì)應(yīng)討論改善方案：

（1）試驗(yàn)臺(tái)搭建過程中可以預(yù)先支撐平行級(jí)右下方，保持齒輪箱水平。此時(shí)可適配扭力臂支撐下墊片，卸掉支撐后通過多次試驗(yàn)結(jié)果看是否需要提前增加右側(cè)扭力臂下墊片（墊高），在批量試驗(yàn)搭臺(tái)位時(shí)，提前用此補(bǔ)償量墊片補(bǔ)償。

（2）在空間允許的條件下，提高齒圈的剛度?？梢栽黾育X圈壁厚或適當(dāng)提高齒圈調(diào)質(zhì)硬度。

5? ? 結(jié)語

本課題簡要分析了齒輪箱背對(duì)背試驗(yàn)中出現(xiàn)的“S”接觸異常問題的原因和改進(jìn)措施建議，基本的思路可以用來參考分析其他類似問題。案例中提到問題的原因是行星架軸心線和齒圈中心線形成異常交叉是一個(gè)相對(duì)概念，并不一定是齒圈變形或行星架受力隨平行級(jí)下落導(dǎo)致。分析時(shí)要具體分析齒圈、行星架和平行級(jí)箱體剛度，最好的方法是借助有限元等模擬計(jì)算軟件。

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收稿日期：2020-05-19

作者簡介：郭方鵬（1983—），男，江蘇人，東南大學(xué)MBA在讀，高級(jí)工程師，研究方向：風(fēng)電齒輪箱開發(fā)和新產(chǎn)品開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。