風電齒輪箱背對背試驗吃色異常分析

摘要：對風力發電齒輪箱背對背試驗吃色異常進行RCA分析，同時對潛在原因進行糾正，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，并針對故障原因給出了改進建議。

關鍵詞：風力發電;背對背試驗;RCA;行星轉動;吃色

0? ? 引言

進入21世紀以來，風電行業進入高速發展期，全球多個國家都確立了未來風電等綠色能源在電力供應中所占的比重。對于齒輪箱這一風機傳動鏈中的關鍵部件的驗證要求極高，其體現了齒輪箱能否符合風電高可靠性要求。

本課題針對風電齒輪箱試驗中出現的一種異常問題進行RCA分析，得出解決方案，并最終通過試驗驗證了方案的有效性。

1? ? 風電齒輪箱試驗臺位簡介

1.1? ? 傳統雙饋型風機齒輪箱結構簡介

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行星傳動、兩級平行軸傳動（圖1）。

1.2? ? 試驗臺位簡介

齒輪箱驗證過程中應盡量模擬真實工況設計、開發試驗臺并對齒輪箱進行充分驗證。

本課題介紹的試驗臺屬于四點支撐模式的背對背試驗臺。兩臺齒輪箱低速端通過模擬主軸（剛性軸）連接，一臺齒輪箱作為主試，連接發電機;另一臺作為陪試，連接電動機;發電機發出的電能反饋到電動機中;一次試驗驗證兩臺齒輪箱（圖2）。

2? ? 齒輪吃色簡介

齒輪的吃色是齒輪箱驗收的一項重要指標，直接體現為齒輪副嚙合時的接觸面積和位置。位置正確、范圍充分的吃色是保證齒輪箱在設計工況下達到滿意使用壽命的先決條件，理想的吃色與設計及有限元模擬計算時相吻合。常見的異常吃色有偏向一側（即一側嚙合充分，一側嚙合不足）、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出現規律的偏移;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“S”型。

3.2? ? 問題分析

根據齒輪箱結構及試驗臺結構可以把整個系統分為兩個部分：剛性軸兩端通過收縮盤連接兩臺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部分是第二部分。這兩部分在運行中有兩條中線：剛性軸和齒圈的中心線。理想情況下，這兩條中心線重合，這樣整個齒圈所有的齒面吃色狀態應當是一致的。經過多次試驗、模擬計算及分析，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，齒圈的中心線相對于剛性軸的中心線朝右下傾斜，類似于平行級由于自身重量或載荷原因朝右下落下，帶動齒圈出現傾斜。以下試驗結果也證實了以上故障的形成。

3.2.1? ? 應力試驗

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

3.2.2? ? 對平行級箱體進行支撐

由于懷疑試驗過程中平行級朝右下方落下，所以用千斤頂對相應位置進行支撐、補償這個位移后應當得到改善的吃色效果。

下次試驗時在平行級箱體下進行支撐，通過水平尺和激光對中儀矯正支撐的量。試驗后發現齒圈的“S”問題得到極大的改觀。

3.3? ? 原因分析

問題現象得到了初步分析和證實后，需進一步分析造成現象的背后原因。軸線交角至少預示了兩方面可能的原因：

3.3.1? ? 試驗臺搭建

多次試驗中發現了“S”問題出現的位置相同，但幅度不同，所以臺位搭建是其中一個影響因子。

3.3.2? ? 齒圈剛度

齒圈是薄壁件，出現以上問題是在某個力的作用下齒圈的電機側通過連接螺栓被拉離了原始位置，致使齒圈中心線偏離。

4? ? 改進方案

找到了導致“S”問題的可能原因后，即可對應討論改善方案：

（1）試驗臺搭建過程中可以預先支撐平行級右下方，保持齒輪箱水平。此時可適配扭力臂支撐下墊片，卸掉支撐后通過多次試驗結果看是否需要提前增加右側扭力臂下墊片（墊高），在批量試驗搭臺位時，提前用此補償量墊片補償。

（2）在空間允許的條件下，提高齒圈的剛度。可以增加齒圈壁厚或適當提高齒圈調質硬度。

5? ? 結語

本課題簡要分析了齒輪箱背對背試驗中出現的“S”接觸異常問題的原因和改進措施建議，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相對概念，并不一定是齒圈變形或行星架受力隨平行級下落導致。分析時要具體分析齒圈、行星架和平行級箱體剛度，最好的方法是借助有限元等模擬計算軟件。

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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MBA在讀，高級工程師，研究方向：風電齒輪箱開發和新產品開發標準。