风电齿轮箱齿轮微点蚀的根源及对策

吴伟强

（南京安维士传动技术股份有限公司， 江苏 南京 210019）

引言

中国自21世纪初起大力发展风力发电技术，截至当前，风力发电机的年装机量以及总装机量均占世界前列。根据技术不同，风力发电机的结构多种，但一般以包含增速齿轮箱的双馈式风力发电机为主要发展方向。

根据相关数据显示，风力发电机的主要失效部件是齿轮箱，而齿轮箱的主要失效点是齿轮与轴承。微点蚀作为齿轮早期潜在的失效模式，在风力发电齿轮箱的全寿命周期中存在着扩展的可能性，可能导致齿轮点蚀、剥落、断齿等，影响着齿轮箱的运行可靠性。本文通过研究齿轮微点蚀的产生机理，结合当前风力发电齿轮箱以及齿轮的相关指导标准，分析微点蚀产生的原因，提出相应的对策及措施，以满足风力发电齿轮箱的高可靠性需求。

1 齿轮微点蚀概述

齿面疲劳是在过大的当量接触切应力作用下，在齿轮表面、次表面或表层下产生疲劳裂纹并进一步扩展而形成的一种齿面损伤。

微点蚀作为齿面疲劳的一种，是一种过载薄膜条件下运转时，轮齿工作面的接触疲劳损伤。损伤面上，肉眼可见为无光泽、霜状表面。放大后可见密密麻麻成片的微小蚀坑或微小裂纹。初期的微点蚀可通过抛磨降低扩展的可能性。

在风电齿轮箱的运行过程中，微点蚀不一定会扩展，在不扩展的前提下齿轮箱仍可以正常运行。但如果微点蚀一旦继续扩展并且恶化，严重时可导致齿面点蚀，甚至齿面剥落、以及齿轮断齿[1]。

2 齿轮微点蚀产生机理

齿轮微点蚀产生的机理根据微点蚀的定义就可以看出，是齿面在载荷较大（一般为超载）情况下并且齿面润滑条件差引起的。因此，我们将齿轮齿面微点蚀的产生原因分为两大类：载荷过大和润滑条件差。同时，从我们可以控制的角度，我们将这两大类的原因细化为多个子原因，具体见图1。

图1 齿轮微点蚀产生机理

3 齿轮微点蚀计算标准

风力发电齿轮箱设计标准有很多，常用的有GB/T19073（以下简称GB/T19073），AGMA6006-a03（以下简称 AGMA6006），IEC61400-4（以下简称IEC61400）,Guideline for the Certification of Wind Turbines（以下简称 GL）等。

目前AGMA 6006等标准暂无齿轮微点蚀计算要求，只要求计算齿轮的接触强度、弯曲强度等。IEC61400标准里面提到齿轮的微点蚀受润滑油膜厚度、材料及微观组织、表面粗糙度、啮合状况、载荷分布以及运行状况影响，也提到可以通过ISO/TR151 44-1计算评估齿轮微点蚀出现的可能性，建议对齿轮微点蚀的影响因素进行评估，但并未给出具体要求值。

GL要求依据ISO/TR 15144-1，采用风电齿轮箱载荷谱对齿轮进行微点蚀计算，微点蚀安全系数须满足1.2。

4 齿轮微点蚀影响因素分析

从上页图1齿轮微点蚀产生机理示意图中可以看出，引起齿轮微点蚀的原因较多：部分属于齿轮箱的设计因素，譬如齿轮的设计、齿轮的微观修形、齿轮的润滑方式等；部分属于齿轮箱的加工制造因素，譬如齿面的粗糙度；还有部分原因属于齿轮箱的后期运维因素，譬如齿轮箱的润滑油质量不满足设计要求等。这也意味着一台高可靠的风电齿轮箱,它的设计、制造以及运维都必须满足一定的要求。

下面就以某1 MW风电齿轮箱的高速级齿轮为例，依据图1的分析，通过调整相关参数来确认齿轮微点蚀的影响因素及影响程度。1 MW齿轮箱的部分参数如下：

齿轮箱功率为1100kW；润滑油为某品牌VG320润滑油；润滑油温度为70℃；润滑方式为强制喷油润滑；齿数为28（高速轴）/113（齿轮）；模数为 5.2；压力角为20°；螺旋角为14.4°；齿宽为140 mm（高速轴）/135 mm（齿轮）；变位系数为0.381 0（高速轴）/0.943 0（齿轮）；中心距为380 mm；转速为1725（r·min-1）（高速轴）/427.5（r·min-1）（齿轮）。

我们依据 ISO/TR 15144-1：2014（以下简称ISO/TR15144-1）对该齿轮进行额定载荷的微点蚀计算，计算软件为KISSSOFT，得出该高速级齿轮的抗微点蚀安全系数为3.705。下面我们就针对图1的分析，对部分参数调整并重新计算。

4.1 齿轮设计系数

图1中提到齿轮的设计系数影响着齿轮的微点蚀，我们对齿轮参数的变位系数进行适当调整。当我们将齿轮变位系数从0.943 0改为0.561 5，高速轴的变位系数从0.381 0改为0.762 4，然后再对齿轮副进行计算。我们发现，齿轮与高速轴的微点蚀安全系数从3.705变为4.776，上升了约28.9%。由此可见，齿轮的变位系数对齿轮的微点蚀安全系数存在较大影响。

4.2 齿面局部应力

4.2.1 齿轮齿向载荷分布系数

齿轮箱在传递功率时，由于受载荷的作用，各个零部件都会产生程度不同的弹性变形。这些变形会引起齿轮的齿廓和齿向曲线的变形，使齿轮在啮合过程中，产生偏载，导致齿面局部应力过大，继而可能引起齿面微点蚀。综合考虑齿轮刚度、轴承刚度、轴承游隙、箱体刚度和运行载荷等，计算齿轮所需的齿廓修形以及齿向修形，以降低齿轮出现微点蚀的可能性。

以上述的齿轮为例，其余参数不变，当齿轮与高速轴的齿向载荷分布系数从1.25提高到1.15的时候，齿轮与高速轴的微点蚀安全系数从3.705变为3.9，上升了约5.2%。由此可见，齿轮的齿向载荷分布系数对齿轮的微点蚀安全系数存在影响。

4.2.2 齿轮修缘

上述提及的齿轮齿向载荷分布要求只是齿轮微观修形的一个方向。通过对风电齿轮箱的运行情况进行统计调研，我们发现齿轮的微点蚀主要出现在齿轮齿廓的根部以及齿轮端部。这个符合齿轮的低速重载、高速滑动区、高应力区容易发生微点蚀的理论。因此，在齿轮齿向均载的基础上，选择合理的齿顶修缘以及端部修缘参数就显得非常重要，可以有效降低齿根/齿顶，以及齿端的应力值。以上述齿轮参数为例，当齿轮与高速轴的齿顶修缘从0改为0.1Mn（Mn为法向模数）时，齿轮与高速轴的微点蚀安全系数从3.437变为3.705，上升了7.8%。由此可见，齿轮的齿顶/齿端修缘对齿轮的微点蚀安全系数存在影响。

4.3 齿面粗糙度

根 据 GB/T19073、AGMA6006、IEC61400 以 及GL的要求，风电齿轮箱的齿面粗糙度须达到下面的要求。

高速级齿轮：Ra0.8（GB/T19073），Ra0.7（IEC6140 0/AGMA6006）。

中间级齿轮：Ra0.8（GB/T 19073），Ra0.7（IEC6140 0/AGMA6006）。

低速级齿轮：Ra0.8（GB/T 19073），Ra0.6（IEC6140 0/AGMA6006）。

太阳轮、行星轮：Ra0.4（GB/T19073），Ra0.5（IEC61 400/AGMA6006）。

从目前的标准来看，低速重载行星级的齿面粗糙度要求比较高，主要还是因为微点蚀更容易发生在低速重载的齿轮上。通常情况下，齿轮的最后一道加工工序是齿轮磨齿，这道工序直接影响着齿轮的粗糙度。目前国内风电齿轮箱制造厂家采用的都是进口磨齿机，磨齿后齿轮的粗糙度基本可以达到上述标准的需求。譬如高速级齿轮副一般都能达到Ra0.6以上。但如果需要达到更好的粗糙度，那么就必须在齿轮的磨齿工序之后增加表面抛光或者超精加工等工序。

以上述齿轮参数为例，当齿轮与高速轴的齿面粗糙度从Ra0.6改为Ra0.4时，齿轮与高速轴的微点蚀安全系数从3.705变为5.617，上升了51.6%。由此可见，齿轮的齿面粗糙度对齿轮的微点蚀安全系数影响非常明显。

4.4 润滑结构相关

齿轮啮合区的润滑油温高、润滑方式差也是导致齿轮微点蚀的重要原因。目前风电齿轮箱齿轮常用的润滑方式主要有两种，一是油浴润滑，二是强制喷油润滑。

油浴润滑是将齿轮浸入到润滑油中至一定深度，以油池中的润滑油润滑齿轮。由于齿轮浸在润滑油中，在同等条件下，齿轮的润滑油膜更易形成（ISO/TR 15144-1，齿轮浸入润滑比强制喷射润滑的热交换更好）。但实际运行过程中，油浴润滑的润滑油清洁度、油温等都影响着齿轮的啮合性能。而强制喷油润滑是将齿轮箱的润滑油通过油泵吸出，经过滤器过滤，再通过冷却风扇进入齿轮箱内部各润滑点。此润滑方式需要设计复杂的润滑油路，但优点很明显。

1）润滑油经过冷却后温度降低，喷到齿面可以降低齿轮表面的温度。齿轮啮合区的润滑油温度直接影响着润滑油膜的状态，也就影响着齿轮的微点蚀安全系数。以上述齿轮参数为例，当进入齿轮啮合区的润滑油温度从70℃下降到65℃时，齿轮的微点蚀安全系数从3.705变为4.064，上升了9.7%。由此可见，润滑齿轮的润滑油温度对齿轮的微点蚀安全系数存在影响。

2）润滑油经过滤系统过滤后，比油池的润滑油干净。虽然ISO/TR 15144-1里目前暂无润滑油清洁度对齿轮微点蚀的影响公式，但在齿轮箱的实际运行中，润滑油中的微观颗粒会在某些场合破坏齿轮啮合所需的油膜，导致油膜失效，继而导致齿轮发生微点蚀等失效形式。

因此，在条件允许的情况下，尽可能采用强制喷油可以降低齿轮表面温度、啮合区润滑油温度、润滑油清洁度等，提高齿轮的抗微点蚀能力。

4.5 润滑油质量

目前风电齿轮箱润滑油基本为合成油，拥有优异的微点蚀性能。根据FZG微点蚀FVAProc No.54测试方法可以获得润滑油的失效等级。失效等级越高，润滑油的微点蚀能力越强，齿轮越不易发生微点蚀。以上述齿轮参数为例，当齿轮箱润滑油微点蚀测试失效等级从10降低为9的时候，齿轮与高速轴的微点蚀安全系数从3.705变为3.387，降低了9.4%。由此可见，润滑齿轮的润滑油性能对齿轮的微点蚀安全系数存在影响。

表1 齿轮微点蚀各因素的影响程度

5 结语

风电齿轮箱的齿轮微点蚀的影响因素很多，结合上述的理论及计算分析，归纳如下。

从表1可以看出，要保证风电齿轮箱的高可靠性，降低风电齿轮箱齿轮微点蚀发生的几率，就需要从设计、加工制造、运行维护等各方面加以考虑。只有每个环节做到最优，才能保证齿轮箱的可靠运行。