风电齿轮箱背对背试验吃色异常分析

摘要：对风力发电齿轮箱背对背试验吃色异常进行RCA分析，同时对潜在原因进行纠正，检查问题是否得到减缓甚至消除，以此判断根本原因或确定主要原因范围，并针对故障原因给出了改进建议。

关键词：风力发电;背对背试验;RCA;行星转动;吃色

0    引言

进入21世纪以来，风电行业进入高速发展期，全球多个国家都确立了未来风电等绿色能源在电力供应中所占的比重。对于齿轮箱这一风机传动链中的关键部件的验证要求极高，其体现了齿轮箱能否符合风电高可靠性要求。

本课题针对风电齿轮箱试验中出现的一种异常问题进行RCA分析，得出解决方案，并最终通过试验验证了方案的有效性。

1    风电齿轮箱试验台位简介

1.1    传统双馈型风机齿轮箱结构简介

按照传递扭矩的大小，2 MW及以下双馈齿轮箱通常采用一级行星传动、两级平行轴传动（图1）。

1.2    试验台位简介

齿轮箱验证过程中应尽量模拟真实工况设计、开发试验台并对齿轮箱进行充分验证。

本课题介绍的试验台属于四点支撑模式的背对背试验台。两台齿轮箱低速端通过模拟主轴（刚性轴）连接，一台齿轮箱作为主试，连接发电机;另一台作为陪试，连接电动机;发电机发出的电能反馈到电动机中;一次试验验证两台齿轮箱（图2）。

2    齿轮吃色简介

齿轮的吃色是齿轮箱验收的一项重要指标，直接体现为齿轮副啮合时的接触面积和位置。位置正确、范围充分的吃色是保证齿轮箱在设计工况下达到满意使用寿命的先决条件，理想的吃色与设计及有限元模拟计算时相吻合。常见的异常吃色有偏向一侧（即一侧啮合充分，一侧啮合不足）、齿顶或齿根吃色不充分等。

3    异常原因分析

3.1    问题描述

本课题主要介绍和分析行星级吃色异常问题——齿圈吃色走S，即齿圈的吃色宽度方向在一周范围内出现规律的偏移;假想把齿圈切开，并把齿圈宽度加宽后显示的吃色边界是个“S”型。

3.2    问题分析

根据齿轮箱结构及试验台结构可以把整个系统分为两个部分：刚性轴两端通过收缩盘连接两台齿轮箱的行星架是第一部分;扭力臂连接齿圈以及后面平行级部分是第二部分。这两部分在运行中有两条中线：刚性轴和齿圈的中心线。理想情况下，这两条中心线重合，这样整个齿圈所有的齿面吃色状态应当是一致的。经过多次试验、模拟计算及分析，造成齿圈吃色走S的主要原因是上述两条中心线不重合，从低速端朝高速端看，齿圈的中心线相对于刚性轴的中心线朝右下倾斜，类似于平行级由于自身重量或载荷原因朝右下落下，带动齿圈出现倾斜。以下试验结果也证实了以上故障的形成。

3.2.1    应力试验

在试验出现“S”问题的同时，应力分布试验结果也发现了齿圈根部应力异常。图3展示了几个齿的正常应力分布，其中A～G代表齿宽方向同一齿根的应力数值，三条不同颜色的应力线代表齿圈三等分部位选择齿的齿根应力。应力图显示三个齿的应力线基本平行，每个齿宽度方向受力均匀。图4则显示不同位置（对角线位置）齿的应力线出现了交叉，这是典型的行星架中心和齿圈中心相对倾斜后导致齿圈两端啮合位置和啮合侧隙变化在应力上的体现。

3.2.2    对平行级箱体进行支撑

由于怀疑试验过程中平行级朝右下方落下，所以用千斤顶对相应位置进行支撑、补偿这个位移后应当得到改善的吃色效果。

下次试验时在平行级箱体下进行支撑，通过水平尺和激光对中仪矫正支撐的量。试验后发现齿圈的“S”问题得到极大的改观。

3.3    原因分析

问题现象得到了初步分析和证实后，需进一步分析造成现象的背后原因。轴线交角至少预示了两方面可能的原因：

3.3.1    试验台搭建

多次试验中发现了“S”问题出现的位置相同，但幅度不同，所以台位搭建是其中一个影响因子。

3.3.2    齿圈刚度

齿圈是薄壁件，出现以上问题是在某个力的作用下齿圈的电机侧通过连接螺栓被拉离了原始位置，致使齿圈中心线偏离。

4    改进方案

找到了导致“S”问题的可能原因后，即可对应讨论改善方案：

（1）试验台搭建过程中可以预先支撑平行级右下方，保持齿轮箱水平。此时可适配扭力臂支撑下垫片，卸掉支撑后通过多次试验结果看是否需要提前增加右侧扭力臂下垫片（垫高），在批量试验搭台位时，提前用此补偿量垫片补偿。

（2）在空间允许的条件下，提高齿圈的刚度。可以增加齿圈壁厚或适当提高齿圈调质硬度。

5    结语

本课题简要分析了齿轮箱背对背试验中出现的“S”接触异常问题的原因和改进措施建议，基本的思路可以用来参考分析其他类似问题。案例中提到问题的原因是行星架轴心线和齿圈中心线形成异常交叉是一个相对概念，并不一定是齿圈变形或行星架受力随平行级下落导致。分析时要具体分析齿圈、行星架和平行级箱体刚度，最好的方法是借助有限元等模拟计算软件。

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[3] Cylindrical gears-Code of inspection practice-Part 4：Recommendations relative to surface texture and tooth contact pattern checking：ISO 10064-4—1998[S].

收稿日期：2020-05-19

作者简介：郭方鹏（1983—），男，江苏人，东南大学MBA在读，高级工程师，研究方向：风电齿轮箱开发和新产品开发标准。