摘要:大型化、高可靠性、長(zhǎng)服役周期已經(jīng)成為當(dāng)今世界風(fēng)電裝備發(fā)展的方向,這給大型風(fēng)電裝備的傳動(dòng)齒輪箱的設(shè)計(jì)制造技術(shù)帶來(lái)了一系列的挑戰(zhàn)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,影響風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)服役的關(guān)鍵問(wèn)題是關(guān)鍵機(jī)械零部件的失效故障。近年來(lái)各國(guó)在關(guān)鍵零部件損傷失效機(jī)理方面開(kāi)展的基礎(chǔ)研究工作,為風(fēng)電齒輪箱系統(tǒng)的先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的研究與發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。必須緊扣風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)制造技術(shù)的基礎(chǔ)理論和發(fā)展方向,才能真正縮短我國(guó)與世界先進(jìn)國(guó)家在風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造水平方面的顯著技術(shù)差距。
關(guān)鍵詞:風(fēng)電齒輪箱;失效問(wèn)題;設(shè)計(jì)制造技術(shù);研究展望
0引言
近年來(lái)中國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,2011年全國(guó)新增裝機(jī)容量達(dá)18GW,居世界第一。以華銳風(fēng)電科技(集團(tuán))股份有限公司、金風(fēng)科技股份有限公司、國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司為代表的一批本土風(fēng)電裝備及關(guān)鍵零部件制造企業(yè)正在迅速崛起,推動(dòng)我國(guó)發(fā)展成為世界上最大的風(fēng)電裝備制造基地。但我國(guó)自主風(fēng)電裝備制造仍然面臨著一些深層次的問(wèn)題,值得深思,且直接體現(xiàn)在以下兩方面:一是中國(guó)區(qū)域氣候特點(diǎn)明顯,北方具有沙塵、低溫、冰雪等惡劣工況,東南沿海具有臺(tái)風(fēng)、鹽霧等惡劣工況,這與歐洲的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)況(IEC61400-1)差異明顯,使得在引進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上制造的風(fēng)電裝備的可靠性不足,故障率較高。我國(guó)北方的大型陸上風(fēng)場(chǎng)普遍存在的長(zhǎng)時(shí)間干燥揚(yáng)塵的低溫氣候,對(duì)風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行的影響非常大,會(huì)導(dǎo)致葉片表面損傷乃至脆斷,而且液壓系統(tǒng)密封不良、污染、液壓油黏度增大等會(huì)產(chǎn)生工作不良及安全問(wèn)題,齒輪箱密封潤(rùn)滑系統(tǒng)功能退化、低溫停機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間后變速箱內(nèi)油溫低、黏稠等都會(huì)降低系統(tǒng)壽命[1],而西歐的海洋性暖溫帶氣候則要溫和得多,對(duì)風(fēng)電設(shè)備的性能影響也小。二是當(dāng)前國(guó)內(nèi)的風(fēng)機(jī)開(kāi)發(fā)與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家還存在著明顯代差。歐美風(fēng)電裝備制造企業(yè)已經(jīng)跨域了5~6MW 的水平,正在大力推進(jìn)10MW 級(jí)風(fēng)電裝備的研制工作,而國(guó)產(chǎn)主流機(jī)型還處于1灡5~3MW 的級(jí)別。更重要的是我國(guó)風(fēng)電制造企業(yè)在核心技術(shù)上基本處于引進(jìn)吸收和模仿階段,尚未具備系統(tǒng)性的裝備自主研發(fā)能力,引進(jìn)的是產(chǎn)品線及部分生產(chǎn)技術(shù),但是沒(méi)有形成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力和生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)發(fā)能力。這也是我國(guó)在風(fēng)電裝備開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用上與國(guó)際先進(jìn)水平差距顯著的重要原因。分析近年來(lái)我國(guó)風(fēng)電裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程,多數(shù)風(fēng)電裝備制造企業(yè)的技術(shù)能力與實(shí)際的設(shè)備可靠運(yùn)行要求之間還存在著顯著的差距。從風(fēng)電裝備服役運(yùn)行中的主要技術(shù)問(wèn)題做起,探究相關(guān)的設(shè)計(jì)制造科學(xué)理論與先進(jìn)技術(shù)方法,提升自主設(shè)計(jì)能力及制造技術(shù)能力,已成為我國(guó)風(fēng)電裝備制造產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的重大課題。因此,《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》和《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》 (2010)中都明確提出了“重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備暠、“提高風(fēng)電技術(shù)裝備水平,有序推進(jìn)風(fēng)電規(guī)模化發(fā)展暠等要求。
總體上說(shuō),因主傳動(dòng)鏈機(jī)械故障導(dǎo)致停機(jī)的時(shí)間占據(jù)了風(fēng)機(jī)故障停機(jī)時(shí)間的40%~60%甚至更多,是影響系統(tǒng)性能和可靠服役的關(guān)鍵問(wèn)題 (國(guó)產(chǎn)風(fēng)電齒輪箱的問(wèn)題更顯著一些)。導(dǎo)致這些機(jī)械故障產(chǎn)生的主要外在因素可以歸納為極端氣候條件、長(zhǎng)期交變載荷作用、惡劣工作環(huán)境與復(fù)雜載荷的綜合作用等,而主要的內(nèi)在原因則可以追溯到傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及裝配質(zhì)量技術(shù)等問(wèn)題。目前新一代風(fēng)機(jī)隨著單機(jī)容量的增大,部件的尺寸、質(zhì)量、系統(tǒng)復(fù)雜程度都在增加,同時(shí)包括海上風(fēng)機(jī)在內(nèi)的裝備發(fā)展對(duì)系統(tǒng)可靠性的要求在進(jìn)一步提高,因此對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)問(wèn)題如果不給予更大重視,必然會(huì)增加系統(tǒng)的故障率,降低服役可靠性。
本文從近年來(lái)風(fēng)電裝備批量投入運(yùn)行之后出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題入手,重點(diǎn)討論了國(guó)內(nèi)外在風(fēng)電齒輪箱的關(guān)鍵失效規(guī)律研究與相應(yīng)的新型設(shè)計(jì)制造技術(shù)方面的進(jìn)展,對(duì)目前風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)制造方面國(guó)內(nèi)外的技術(shù)差距提出了一些看法。
1暋關(guān)鍵零部件的失效問(wèn)題調(diào)查與分析
根據(jù)國(guó)內(nèi)外近年來(lái)的風(fēng)電裝備故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),MW 級(jí)風(fēng)電裝備的故障主要集中在齒輪箱、發(fā)電機(jī)、低速軸、高速軸、槳葉、電氣系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件(圖1),傳動(dòng)鏈特別是齒輪箱系統(tǒng)中由關(guān)鍵零部件失效引發(fā)故障而導(dǎo)致停機(jī)的時(shí)間占機(jī)組總停機(jī)時(shí)間的比例居高不下,成為影響機(jī)組可靠性的主要原因之一[2]。
1.1暋風(fēng)電齒輪箱中存在的主要技術(shù)問(wèn)題齒輪箱系統(tǒng)作為整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的核心部件,受到通過(guò)葉片系統(tǒng)傳遞來(lái)的低速?gòu)?qiáng)載荷的擾動(dòng)沖擊作用,同時(shí)承載齒輪箱的機(jī)艙系統(tǒng)在陣風(fēng)作用下也有較大幅度的擺動(dòng),再加上內(nèi)部的溫度及潤(rùn)滑狀態(tài)的變動(dòng),因此,關(guān)鍵零部件(齒輪、軸承、主軸等)的失效等問(wèn)題是目前最主要、影響最大的裝備故障。近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者們圍繞著風(fēng)電裝備傳動(dòng)系統(tǒng)的失效問(wèn)題,開(kāi)展了一系列的調(diào)查研究[3](圖2)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外關(guān)于風(fēng)電齒輪箱質(zhì)量問(wèn)題的統(tǒng)計(jì),常見(jiàn)故障主要有以下幾類(lèi)[4]:
(1)齒輪輪齒損傷。輪齒的損傷是目前比例大且影響相對(duì)較大的損傷形式(圖3~圖5)。風(fēng)電增速箱上承受的載荷變化比較大,特別是由極限風(fēng)速或湍流工況引起的系統(tǒng)過(guò)載以及由調(diào)距或機(jī)械制動(dòng)等引起的瞬時(shí)峰值載荷,盡管瞬時(shí)峰值載荷在整個(gè)運(yùn)行周期中作用時(shí)間不長(zhǎng),但是卻對(duì)齒輪特別是齒面損傷有極大影響。輪齒齒面損傷的常見(jiàn)規(guī)律可歸納為“點(diǎn)蝕—剝落—斷齒暠三部曲。考慮到潤(rùn)滑不良、熱處理和安裝調(diào)試等狀況,由于齒面在交變載荷下承受過(guò)大的接觸剪應(yīng)力、過(guò)多的應(yīng)力循環(huán)次數(shù),因此齒面容易發(fā)生膠合、點(diǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中總是雙向受力,受齒輪精度、強(qiáng)度的影響,容易出現(xiàn)疲勞斷齒現(xiàn)象;太陽(yáng)輪具有結(jié)構(gòu)小、載荷大的特點(diǎn),其精度保持性低,易誘發(fā)失效。
(2)軸承問(wèn)題。軸承是齒輪箱中另一個(gè)重要故障源。在載荷作用下,由于安裝、潤(rùn)滑、污染和工作環(huán)境等因素,軸承出現(xiàn)了磨損、超負(fù)載、過(guò)熱、腐蝕、導(dǎo)電、疲勞等現(xiàn)象,使軸承產(chǎn)生點(diǎn)蝕、裂紋、表面剝落等問(wèn)題而失效,從而使齒輪箱發(fā)生損壞 (圖6~圖7)。例如在低速輸入端,低速重載情況比較典型,良好的潤(rùn)滑條件難以形成,這是造成主軸軸承損壞的重要原因。目前比較典型的是高速端的軸承,它更容易出問(wèn)題,因?yàn)榘l(fā)電機(jī)軸和齒輪箱高速軸連接中通常存在角度偏差和徑向偏移,它們隨輸出功率的變化而變化;這會(huì)產(chǎn)生一定頻率的軸向和徑向的擾動(dòng)力,從而引起軸承溫升而使軸承損壞。
(3)密封與潤(rùn)滑相關(guān)問(wèn)題。齒輪箱漏油問(wèn)題大多可歸結(jié)為原有結(jié)構(gòu)缺陷在惡劣工作環(huán)境影響下的結(jié)果。齒輪箱的接口端和管接頭處由于存在密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不合理或者密封質(zhì)量問(wèn)題(包括低溫和振動(dòng)載荷情況下的油封老化等),均有可能發(fā)生漏油,同時(shí)漏油處也容易造成外部灰塵進(jìn)入箱體而污染潤(rùn)滑油。傳動(dòng)系統(tǒng)的潤(rùn)滑問(wèn)題也非常突出,傳動(dòng)鏈及齒輪箱中各類(lèi)由潤(rùn)滑不充分導(dǎo)致的問(wèn)題出現(xiàn)得也較多。潤(rùn)滑不充分非常容易導(dǎo)致傳動(dòng)副的關(guān)鍵接觸區(qū)的干磨,這是齒面、主軸、承等磨損的根源之一。例如,在低速重載的齒輪傳動(dòng)中,要求潤(rùn)滑脂黏附性強(qiáng)、承載力大,一般采用添加二硫化鉬或石墨的高黏度潤(rùn)滑脂進(jìn)行潤(rùn)滑;國(guó)內(nèi)有時(shí)把用于主軸軸承的潤(rùn)滑脂(低黏附性、高流動(dòng)性)用來(lái)做齒輪的潤(rùn)滑脂,造成齒面潤(rùn)滑脂流失過(guò)快從而形成少潤(rùn)滑狀況。又如高速端的圓錐滾子軸承承受了一定的軸向力,潤(rùn)滑條件較差時(shí)就會(huì)出現(xiàn)高溫過(guò)熱情況。另外,長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)之后在接觸部位出現(xiàn)了磨損,潤(rùn)滑油質(zhì)會(huì)包含雜質(zhì)污染,引起過(guò)熱等故障。此外,我國(guó)北方寒冷的氣候條件也會(huì)影響到潤(rùn)滑系統(tǒng),比如氣溫較低時(shí)潤(rùn)滑油黏度較高,機(jī)組啟動(dòng)時(shí)可能導(dǎo)致油泵過(guò)載。
(4)總的結(jié)構(gòu)與裝配方面的問(wèn)題。大型風(fēng)電傳動(dòng)齒輪箱區(qū)別于普通齒輪箱的最大特點(diǎn)就在于所承受載荷的無(wú)規(guī)律性(風(fēng)速多為3~25m/s),當(dāng)前主流的1灡5~3灡0MW 齒輪箱的最大功率幅值可能達(dá)到名義功率值的3~4倍(反轉(zhuǎn)可以達(dá)到2倍左右)。這對(duì)風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)中剛度較低的空心低速中間軸、行星輪系等零部件的影響相當(dāng)顯著,因?yàn)橹髁?span>3MW 齒輪箱的長(zhǎng)和寬通常在3m 以上,總質(zhì)量在20t以上,輸入力矩在2MN·m 左右,在這個(gè)尺度上,材料加工問(wèn)題、輸送和組裝過(guò)程中的損壞、轉(zhuǎn)子的不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象,而連接部件的軸偏心、軸承和支撐部件的組裝有誤等各類(lèi)技術(shù)原因[5]導(dǎo)致的零部件制造、裝配誤差的絕對(duì)值相對(duì)較大。風(fēng)電齒輪箱中傳動(dòng)系的裝配偏心誤差、齒距誤差及平行度誤差等,在復(fù)雜載荷 (特別是在超過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)荷下工作時(shí)導(dǎo)致扭矩過(guò)大)下會(huì)進(jìn)一步惡化傳動(dòng)件的配合接觸狀態(tài),擴(kuò)大輪系結(jié)構(gòu)的偏心誤差等,從而誘發(fā)振動(dòng)問(wèn)題,進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力集中加劇及結(jié)構(gòu)失效等現(xiàn)象的出現(xiàn)(圖8)。張立勇[6]認(rèn)為,內(nèi)齒圈偏心誤差對(duì)齒輪箱中的載荷分布不均勻的影響最大。
受無(wú)規(guī)律變向載荷的風(fēng)力乃至于強(qiáng)陣風(fēng)的沖擊作用,風(fēng)電裝備常年經(jīng)受酷暑嚴(yán)寒和極端溫差的影響以及風(fēng)沙和近海鹽霧的侵害,因而傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的故障———齒輪、軸承、主軸的失效以及油液等問(wèn)題目前影響最大,其失效機(jī)理研究已成為長(zhǎng)壽命、高可靠性風(fēng)電裝備制造中的世界性難題。在我國(guó),由于材料、制造等基礎(chǔ)工業(yè)上的落后,傳動(dòng)系統(tǒng)的失效故障問(wèn)題非常突出,更需要從引發(fā)系統(tǒng)失效的科學(xué)規(guī)律方面進(jìn)行深入研究。
1.2傳動(dòng)系統(tǒng)失效的規(guī)律研究
最近20多年來(lái),歐美國(guó)家的風(fēng)電裝備基礎(chǔ)研究取得了很大的進(jìn)步,他們通過(guò)廣泛而持續(xù)的故障調(diào)查,系統(tǒng)研究失效的過(guò)程與故障發(fā)生的規(guī)律。一些著名的研究機(jī)構(gòu),如美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(NREL)、Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)電研究所、丹麥技術(shù)大學(xué)可持續(xù)能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Ris熈DTU)等所完成的研究成果為世界風(fēng)電裝備的大發(fā)展提供了關(guān)鍵的理論基礎(chǔ)。NREL在2007年開(kāi)始的齒輪箱可靠性協(xié)同研究(gearboxreliabili灢tycollaborative,GRC)項(xiàng)目[7飊8]是近年來(lái)所開(kāi)展的最具影響的風(fēng)電齒輪箱技術(shù)調(diào)查和研究工作之一,該研究從廣泛的齒輪箱失效數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)開(kāi)始,對(duì)當(dāng)前風(fēng)電齒輪箱及關(guān)鍵的齒輪、軸承等的分析方法與模型的有效性做了大量的評(píng)估,在一系列風(fēng)機(jī)齒輪箱系統(tǒng)的故障調(diào)查和技術(shù)研究后,指出約10%的風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)故障來(lái)源于齒輪制造過(guò)程的缺陷和質(zhì)量問(wèn)題,而多數(shù)源于疲勞失效,其基本規(guī)律如下:初期源自承受惡劣外載的軸承安裝位置,在交變應(yīng)力的作用下產(chǎn)生接觸疲勞裂紋及表面磨損,出現(xiàn)剝落現(xiàn)象;表面磨損、殘屑、間隙超差及錯(cuò)位等因素相互促進(jìn)并放大,影響到軸承的配合;進(jìn)而導(dǎo)致齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生偏差,發(fā)生磨損、疲勞、膠合乃至裂紋,最終導(dǎo)致齒輪失效。美國(guó)Timken公司的調(diào)查認(rèn)定[9],影響主軸滾動(dòng)軸承磨損的主要原因不是傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)接觸疲勞,而是低周微點(diǎn)蝕磨損(low-cycle micropittingwear)。由于主軸軸承的轉(zhuǎn)速為10~20r/min,不足以長(zhǎng)期形成穩(wěn)定可靠的潤(rùn)滑油膜厚度。因此,下風(fēng)(downwind)條件下在較大的載荷、較高的應(yīng)力循環(huán)以及過(guò)小的油膜厚度等情況下,滾子滾道接觸表面發(fā)生了滑動(dòng),摩擦剪應(yīng)力導(dǎo)致粗糙表面接觸應(yīng)力的增大,并在表面附近產(chǎn)生了最大值。更廣泛的調(diào)查研究還表明,除了主軸調(diào)心滾動(dòng)軸承以外,這種微點(diǎn)蝕現(xiàn)象也是齒輪箱軸承以及傳動(dòng)齒輪本身失效的重要原因之一。趙玉良等[10]所做的經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的工作也佐證了低速齒輪系統(tǒng)中微點(diǎn)蝕的發(fā)生發(fā)展機(jī)理及其對(duì)齒輪傳統(tǒng)的性能損害,進(jìn)而指出了系統(tǒng)潤(rùn)滑條件對(duì)微點(diǎn)蝕的抑制作用。
筆者所在單位近年來(lái)與中國(guó)國(guó)電集團(tuán)“風(fēng)電設(shè)備及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室暠在風(fēng)電制造技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)研究工作方面合作較多,對(duì)我國(guó)多家骨干風(fēng)電設(shè)備整機(jī)、齒輪箱制造企業(yè)進(jìn)行過(guò)廣泛的企業(yè)調(diào)查。近期對(duì)國(guó)產(chǎn)風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了一些地面全尺寸試驗(yàn),對(duì)主流MW 級(jí)風(fēng)電裝備的齒輪-傳動(dòng)軸-箱體系統(tǒng)在耦合振動(dòng)條件下的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了全面分析,理論分析和應(yīng)用實(shí)踐都表明,國(guó)產(chǎn)風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)與國(guó)外技術(shù)成熟的終體現(xiàn)為零件的加工質(zhì)量及材料技術(shù)性能問(wèn)題)是導(dǎo)致零部件失效和系統(tǒng)故障的直接技術(shù)根源,主傳動(dòng)鏈在結(jié)構(gòu)性能上具有明顯的剛?cè)狁詈咸攸c(diǎn),在惡劣載荷條件下,裝配誤差(及結(jié)構(gòu)變形)與長(zhǎng)期服役過(guò)程中零件的磨損等具有雙向加劇的作用,最終會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵傳動(dòng)零部件發(fā)生疲勞失效。
不過(guò),目前對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)失效原因及規(guī)律的研究還有很大的發(fā)展空間,例如大多數(shù)研究都是從各自接觸到的實(shí)際情況和部分實(shí)驗(yàn)出發(fā)歸納出零部件失效的規(guī)律,但對(duì)風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)主要零部件的失效原因及其作用規(guī)律的認(rèn)識(shí)不一,部分原因在于零部件在復(fù)雜載荷條件下的失效規(guī)律研究仍然面臨一些關(guān)鍵性困難:
(1)從葉片到低速輸入軸、軸承、齒輪、高速輸出軸、發(fā)電機(jī)等構(gòu)成了主傳動(dòng)鏈,加上偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等,形成了非常復(fù)雜的強(qiáng)關(guān)聯(lián)強(qiáng)耦合體系。這給零部件的損傷演變規(guī)律分析帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)。
(2)外部交變載荷與極端載荷,以及大慣量機(jī)組系統(tǒng)對(duì)外部變化的響應(yīng),極大地增大了關(guān)鍵零部件的損傷概率,也增加了其失效規(guī)律研究的復(fù)雜性。
(3)還必須考慮到在服役過(guò)程中零部件隨著材料老化與結(jié)構(gòu)性能退化,體現(xiàn)出不同于早期服役時(shí)缺陷擴(kuò)展、損傷演變的新特點(diǎn)。
此外,已報(bào)道的研究更多的是基于失效案例的分析,而關(guān)于復(fù)雜外載荷條件與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)關(guān)系以及對(duì)關(guān)鍵零部件的疲勞、磨損及斷裂等失效問(wèn)題的作用機(jī)理的研究仍然缺乏。在我國(guó),還鮮見(jiàn)系統(tǒng)性論述風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件失效機(jī)理和規(guī)律等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的研究報(bào)道。
2提升關(guān)鍵零部件可靠性的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)研究
為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工作環(huán)境下傳動(dòng)系統(tǒng)的長(zhǎng)服役周期及高可靠性,對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)特別是齒輪、主軸、軸承等關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝(包括材料加工工藝及表面處理工藝等)都提出了嚴(yán)格要求。基于大量的實(shí)驗(yàn)、理論分析及仿真研究,國(guó)外許多學(xué)者針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件在復(fù)雜載荷條件下的結(jié)構(gòu)、材料性能及表面物理特征等的變化規(guī)律方面進(jìn)行了大量科學(xué)研究工作,力圖以零件的“載荷狀態(tài)—材料性能—接觸連接條件暠的一體化分析研究為基礎(chǔ),找出零部件裂紋擴(kuò)展、表面微粒磨損脫落等失效過(guò)程與零件載荷、應(yīng)力分布與變化的關(guān)系,從而通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)改善零件的載荷、應(yīng)力狀態(tài),提高系統(tǒng)可靠性。Kapelevich[11]指出,考慮到風(fēng)電齒輪長(zhǎng)期承受非對(duì)稱(chēng)載荷的典型特點(diǎn),設(shè)計(jì)非對(duì)稱(chēng)齒形的齒輪能夠優(yōu)化齒輪所受應(yīng)力的分布,即通過(guò)對(duì)齒面進(jìn)行非對(duì)稱(chēng)修形或直接加工非對(duì)稱(chēng)齒形所制造出來(lái)的新型齒輪,能夠顯著改善齒輪承受的應(yīng)力情況:彎曲應(yīng)力比當(dāng)前最好的對(duì)稱(chēng)齒形齒輪減小10%~15%,從而顯著提升齒輪的可靠性和安全服役性能(圖9)。
通過(guò)對(duì)零件表面物理特性的理論研究,找出零部件表面的材料宏觀失效與微觀結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系,從而廣泛開(kāi)展保持零件表面機(jī)械物理性能穩(wěn)定的先進(jìn)制造工藝技術(shù)研究[12飊13],對(duì)于通過(guò)制造工藝的改進(jìn)來(lái)提高風(fēng)電齒輪的可靠性也有重要意義。美國(guó)開(kāi)展了以40年系統(tǒng)服役周期和5年關(guān)鍵零部件質(zhì)量保證期為目標(biāo)的大型風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵
部件長(zhǎng)壽命抗失效的材料處理技術(shù)的研究工作, LaPlante[14]介紹了能夠顯著改善大型風(fēng)電齒輪表面的機(jī)械物理性能,采用高鉻鉬鋼(如4320、4820、9310 或18CrNiMo7-6 等)材料,直徑60灡96~91灡44cm(24~36inch),重272灡155~1360灡777kg(600~3000磅)的直接滲碳淬火(in灢tegralquenching,IQ)工藝(圖10)。邢大志[15]針對(duì)內(nèi)齒直徑大于1灡5m 的大型風(fēng)電用內(nèi)齒圈的強(qiáng)化熱處理問(wèn)題,從工藝實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)出發(fā),對(duì)比普通滲碳淬火、感應(yīng)淬火、氮化等工藝在畸變、齒根圓強(qiáng)化能力、工藝穩(wěn)定性、設(shè)備成本等方面的特點(diǎn),指出了將激光淬火技術(shù)應(yīng)用于大型內(nèi)齒圈熱處理的技術(shù)優(yōu)勢(shì):激光淬火的硬化層深度、工藝穩(wěn)定性能居中,但是它能較好地解決齒根圓的強(qiáng)化問(wèn)題,并且零件淬火后的變形程度也大大優(yōu)于感應(yīng)淬火;激光淬火與感應(yīng)淬火的抗沖擊能力接近,數(shù)據(jù)的離散性也比感應(yīng)淬火小。從整體上看,強(qiáng)調(diào)材料熱處理的重要原因是要保證齒輪的疲勞強(qiáng)度和加工精度。在風(fēng)載頻繁變化下,齒輪(特別是齒面)失效與接觸精度和硬化表層物理冶金因素有關(guān);由于齒輪箱變速比大,為了提高齒輪強(qiáng)度、傳動(dòng)平穩(wěn)性及可靠性,同時(shí)減小尺寸和質(zhì)量,表面強(qiáng)化工藝也至關(guān)重要。因此,在美國(guó)ANSI/AGMA/AWEA6006-A03《風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱設(shè)計(jì)規(guī)范》的52 項(xiàng)質(zhì)量控制項(xiàng)目中,材料熱處理就占20
改進(jìn)軸承的設(shè)計(jì)制造技術(shù)以抗擊疲勞點(diǎn)蝕磨損從而提高系統(tǒng)的性能,也是一個(gè)非常重要的研性的潤(rùn)滑失油期間對(duì)黏著磨損形成有效防護(hù),以抵制黏著磨損機(jī)制所導(dǎo)致的擦傷、微點(diǎn)蝕及微動(dòng)磨損等;滾子經(jīng)特殊設(shè)計(jì)制造能降低套圈滾道的表面粗糙度;將套圈滾道拋光,能減少滾動(dòng)力矩,提高效率。美國(guó)Timken公司在表面抗磨技術(shù)上的研究成果使得新型耐磨軸承比一般主軸和齒輪箱軸承的壽命延長(zhǎng)了3灡5倍[9]。另外,針對(duì)8~10MW 風(fēng)電機(jī)組,Siebert等[17]研究了高性能潤(rùn)滑油對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵潤(rùn)滑點(diǎn)的表面保護(hù)作用,以提高傳動(dòng)系統(tǒng)的抗疲勞性能、承受多變載荷的能力、熱穩(wěn)定性,延長(zhǎng)服役壽命。
此外,由于傳動(dòng)系統(tǒng)的制造、裝配誤差對(duì)多數(shù)機(jī)械疲勞失效的發(fā)生有著直接的影響,在惡劣外載的作用下,傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的變形和偏心等誤差與零件的損傷、磨損之間存在著明顯的雙向加劇作用,因此,提高傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的精密制造及裝配技術(shù)水平也具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。結(jié)合風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜外載條件,深入研究實(shí)際結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈咸匦院拖到y(tǒng)裝配誤差(偏心、側(cè)隙、交錯(cuò)等)的傳遞與積累規(guī)律,就能通過(guò)準(zhǔn)確的裝配質(zhì)量分析、評(píng)估和規(guī)劃為高性能風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造服務(wù)。林騰蛟等[18]研究了齒輪嚙合中載荷、表面粗糙度、殘余應(yīng)力及輪齒修形量對(duì)齒輪副疲勞壽命的影響規(guī)律,為改進(jìn)齒輪嚙合結(jié)構(gòu)的制造工藝,改善表面精度與制造,進(jìn)而提高齒輪副的疲勞壽命提供了啟示。李明[19]指出,風(fēng)電裝配中常用的過(guò)盈連接對(duì)軸心彎曲的影響較大,因此在鼓形修整時(shí)需要考慮過(guò)盈連接引起的變形,分析并探討了過(guò)盈連接各參數(shù)(外載、過(guò)盈量、摩擦因數(shù))與連接強(qiáng)度間的關(guān)系。再如,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外針對(duì)行星齒輪的裝配結(jié)構(gòu)偏心問(wèn)題發(fā)展起來(lái)的柔性銷(xiāo)軸技術(shù) (如MAAG[20]、重慶望江等風(fēng)電齒輪箱制造企業(yè)都使用了相關(guān)的技術(shù)),更是在考慮結(jié)構(gòu)彈撓性的基礎(chǔ)上對(duì)行星輪系的裝配偏差(及變形)進(jìn)行精確定量分析與研究的結(jié)果[21飊22],即通過(guò)銷(xiāo)軸—套筒構(gòu)成的懸臂梁結(jié)構(gòu)在載荷下的偏斜抵消它們彎曲時(shí)形成的偏心,以實(shí)現(xiàn)行星齒輪的自我調(diào)節(jié)(既抑制偏心誤差,又均勻分配負(fù)荷)的目的(圖11)。
3暋國(guó)內(nèi)外在風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造技術(shù)領(lǐng)域的差距
自20世紀(jì)90年代開(kāi)始,在引進(jìn)吸收的基礎(chǔ)上,我國(guó)風(fēng)電裝備制造業(yè)迅速崛起,目前已經(jīng)發(fā)展
成為世界上最大的風(fēng)電裝備制造基地。與先進(jìn)國(guó)家相比,我國(guó)在自主的風(fēng)電裝備特別是核心零部件的研制技術(shù)方面有較大的差距[23],主要表現(xiàn)在以下幾方面:
(1)歐美風(fēng)電裝備制造強(qiáng)國(guó)已經(jīng)針對(duì)本土風(fēng)場(chǎng)環(huán)境建立了比較完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(如IEC、GL等),并以此為基礎(chǔ)形成了適合其特點(diǎn)的載荷分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造技術(shù)體系。我國(guó)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境較歐美國(guó)家惡劣,目前卻仍然沒(méi)有建立起具有本國(guó)特點(diǎn)的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境載荷譜;在風(fēng)電裝備的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模、載荷分析與計(jì)算等方面的研究與國(guó)際先進(jìn)水平差距相對(duì)較大;本土企業(yè)大多直接購(gòu)買(mǎi)國(guó)外的軟件(如GH 等)進(jìn)行裝備設(shè)計(jì)或者購(gòu)買(mǎi)圖紙甚至于借助逆向工程。這是目前我國(guó)本土風(fēng)電裝備開(kāi)發(fā)能力顯著落后于國(guó)際先進(jìn)水平的直接原因之一。
(2)在風(fēng)電裝備關(guān)鍵零部件的失效機(jī)理和全壽命安全評(píng)定方面,目前國(guó)際風(fēng)電裝備普遍設(shè)計(jì)的穩(wěn)定運(yùn)行周期至少為20年,歐美國(guó)家目前正在開(kāi)發(fā)能支撐裝備25~40年服役周期的關(guān)鍵技術(shù)。借助于歐美國(guó)家在材料的機(jī)械物理性能研究上的優(yōu)勢(shì)及其長(zhǎng)期工作積累,歐美國(guó)家在風(fēng)電裝備關(guān)鍵零部件的失效問(wèn)題上做了大量的工作,從宏微觀層面深入研究了零部件失效的規(guī)律,形成了較為實(shí)用的可靠性分析方法,并建立了大型的設(shè)備—材料可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)等。比較而言,國(guó)內(nèi)風(fēng)電裝備通常在運(yùn)轉(zhuǎn)5年之內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)關(guān)鍵故障。這主要是因?yàn)槲覈?guó)在風(fēng)電裝備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制造科學(xué)方面與國(guó)際先進(jìn)水平存在著明顯的差距,本土風(fēng)電裝備制造企業(yè)雖然發(fā)展迅速但自主研發(fā)能力不足,研究積累更為欠缺。
(3)在滿(mǎn)足復(fù)雜環(huán)境下安全服役需求的大型風(fēng)電裝備制造技術(shù)方面,根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì) (EWEA)2011大會(huì)披露的未來(lái)10年風(fēng)電裝備發(fā)展路線圖,歐美國(guó)家已經(jīng)制定了在5年內(nèi)開(kāi)發(fā)測(cè)試10~15MW 的風(fēng)電裝備,未來(lái)10年將開(kāi)發(fā)測(cè)試20MW 的超大型風(fēng)電裝備,這涉及了包括多尺度結(jié)構(gòu)熱冷加工和處理在內(nèi)的關(guān)鍵零部件成形控性理論及其制造工藝方法等多方面的工作。目前我國(guó)基本掌握了3MW 以下風(fēng)電裝備的主要制造技術(shù)。由于我國(guó)在關(guān)鍵零部件加工及處理技術(shù)上還比較落后,裝備的質(zhì)量亟待提高。要在未來(lái)10年追趕歐美國(guó)家在超大型(10~20MW)、長(zhǎng)壽命 (20年甚至更長(zhǎng))風(fēng)電裝備關(guān)鍵技術(shù)上的研究步伐,仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
(4)近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)大型風(fēng)電裝備制造發(fā)展迅速,產(chǎn)業(yè)界多將注意力放在國(guó)外產(chǎn)品圖紙的消化和零部件加工上,對(duì)裝配工作的重視還不夠,對(duì)裝配精度及質(zhì)量分析等的深入研究工作就更少了,這就造成國(guó)內(nèi)風(fēng)電設(shè)備零部件加工的設(shè)施及質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到一定的水平,但由于裝配技術(shù)瓶頸,風(fēng)電裝備的總成性能和可靠性卻比較低的現(xiàn)狀。另外,還明顯存在諸如高強(qiáng)連接螺栓斷裂、螺栓力矩不足或超標(biāo)、齒輪嚙合間隙超差過(guò)大、關(guān)鍵零部件在裝配時(shí)發(fā)生損傷破壞(如軸表面存在凹坑、對(duì)中精度不足)等技術(shù)質(zhì)量問(wèn)題[24]。裝配是風(fēng)電齒輪箱制造中的重要環(huán)節(jié),花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng),對(duì)最終性能影響大,必須深入研究大型風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的先進(jìn)裝配技術(shù),提出適應(yīng)風(fēng)電設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)、具有可操作性的理論和方法,為產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展服務(wù)。
國(guó)內(nèi)風(fēng)電裝備的產(chǎn)業(yè)發(fā)展(包括傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造中存在的隱患)近年來(lái)已經(jīng)廣受關(guān)注,例如張立勇等[25]指出,國(guó)內(nèi)大型風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展必須解決基礎(chǔ)載荷數(shù)據(jù)及載荷處理方法、齒輪早期點(diǎn)蝕、軸承早期損壞、大型斜齒內(nèi)齒圈制造及密封等方面的迫切問(wèn)題。其實(shí),隱藏在我國(guó)風(fēng)電裝備制造企業(yè)自主開(kāi)發(fā)能力弱這一表象下的實(shí)質(zhì)是復(fù)雜工作條件下大型化、長(zhǎng)壽命、高可靠性風(fēng)電裝備關(guān)鍵零部件的制造科學(xué)研究的不足以及系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)控制與壽命安全評(píng)估領(lǐng)域的顯著差距。因此,在“大型化、長(zhǎng)服役周期、高可靠性暠已經(jīng)成為未來(lái)10年世界風(fēng)電裝備發(fā)展方向的大背景下,研究傳動(dòng)系統(tǒng)的損傷故障機(jī)理,探索先進(jìn)設(shè)計(jì)制造工藝已成為提高我國(guó)風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平的必由之路。
4結(jié)語(yǔ)
近年來(lái)世界各國(guó)在“超大型、長(zhǎng)服役周期、高可靠性暠風(fēng)電裝備制造技術(shù)的研究正走向一個(gè)高潮。這些研究工作也為我國(guó)通過(guò)6~10MW 乃至以上的大型風(fēng)電裝備的研制,突破關(guān)鍵零部件的損傷規(guī)律、關(guān)鍵零部件制造工藝與技術(shù)等挑戰(zhàn),形成自主的風(fēng)電裝備制造理論,指明了重要的研究方向:必須從基礎(chǔ)做起,牢牢把握風(fēng)電裝備外部交變載荷的作用特點(diǎn),以復(fù)雜載荷下齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的響應(yīng)機(jī)制為基礎(chǔ),深入探索關(guān)鍵零部件損傷的演變與性能的退化規(guī)律,從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料工藝等方面提出能夠確保復(fù)雜工作條件下關(guān)鍵零部件性能穩(wěn)定的理論方法;進(jìn)而針對(duì)目前困擾國(guó)內(nèi)大型風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,特別是齒輪的失效與制造工藝改進(jìn)、軸承損壞、行星輪系的均載設(shè)計(jì)與制造工藝改進(jìn)、裝配工藝的優(yōu)化與質(zhì)量提升等問(wèn)題,開(kāi)展應(yīng)用技術(shù)研究以改善大型風(fēng)電齒輪箱的可靠性。這對(duì)于推動(dòng)我國(guó)大型風(fēng)電裝備傳動(dòng)系統(tǒng)研制技術(shù)的跨越式發(fā)展,提升我國(guó)重大工程裝備的先進(jìn)制造水平與競(jìng)爭(zhēng)力,促進(jìn)我國(guó)整個(gè)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,都具有十分重要的意義。
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