南高齿陈强：风电主齿轮箱可靠性设计措施和计算方法
中国风力发电网讯：9月19日 ， 由中国可再生能源学会风能专业委员会主办 ， 中车株洲电力机车研究所有限公司承办 ， 金风科技、远景能源、明阳智慧能源、海装风电、施耐德电气协办的"2019第三届中国风电设备质量与可靠性论坛"在株洲召开 。
南高齿计算分析高级工程师陈强出席大会并发表了题为《风电主齿轮箱可靠性设计措施和计算方法》的主旨演讲 。以下为发言全文：
陈强：大家好 ， 我来自南高齿计算分析部 ， 可靠性计算这块在我们部门 ， 主要是负责定量计算的工作 ， 这也是我今天介绍的重点 ， 简单提一下我们公司 ， 相信在业界的话 ， 也有一定知名度了 ， 这个月底的话 ， 就是我们五十周年的庆祝 ， 去年取得了很好的成绩 ， 目前是2018年度机械工业全国百强 ， 我们排在45位 ， 在风电产品上 ， 我们现在已经形成了从1.5兆瓦到6兆瓦 ， 和系列产品的标准化品牌 ， 目前我们正在运行的风电主齿轮箱已经超过了6万台套 ， 这方面来说 ， 我们相对于我们竞争对手 ， 在做可靠性分析 ， 有一个很大的优势 。
我准备首先介绍一下 ， 我们现在主齿轮箱在设计方面的发展趋势 ， 然后对我们现在可靠性设计的措施进行一个概述 。今天借助这个机会 ， 详细了解到了我们现在风电行业面临平价政策的影响 ， 对于我们主齿轮箱 ， 也承受了传递过来的压力 。目前来说的话 ， 我们正在向高扭矩密度 ， 高可靠度 ， 以及轻量化发展 ， 但是我们做到现在这个程度 ， 已经在核心技术领域 ， 可以和国内外竞争对手相提并论的一个阶段 ， 我们认为这三点来说的话 ， 是相辅相成的 。从技术手段来说的话 ， 我们以提高扭矩密度为技术手段 ， 以及轻量化推进低成本 。
为了介绍扭矩密度现在的发展准确以及发展趋势 ， 我引用了国际会议的一篇论文 ， 这篇论文的话 ， 是西门子的一个工程师 ， 他做了一个演讲 ， 介绍了风电主齿轮箱在近十年内 ， 它扭矩密度方向发展趋势 。在五年前的话 ， 我们主要是在做2兆瓦的机型 ， 当时主要是一级行星级两级平行级的技术路线 ， 在100到110 。在进入2兆瓦到3兆瓦 ， 我们已经转化到两级行星级一级平行级的技术路线 ， 在这个基础之上 ， 我们尝试过增加行星轮个数 ， 从三个到四个 ， 目前主流的话还是四个 ， 现在已经尝试了五个六个 ， 但是五个六个之后又带来了很多新的问题 ， 一个是对行星轮轴承的挑战 ， 不管是我们做的一些设计计算 ， 还是说现实中拿到的一个轴承样本方案来看的话 ， 都会给我们设计方案造成影响 ， 一个的话是轴承接触压力会增加很多 ， 通常的话 ， 很难找到满足设计规范的方案 。另外一个来说 ， 由于尺寸增加 ， 引起齿轮箱外径尺寸增加 。对于这两点来说的话 ， 一个的话是我们在齿轮方案上 ， 进行了一些匹配 ， 另外一点的话 ， 我们在滑动轴承技术方面的应用 ， 也能在一定程度上解决这个问题 。
从设计方面来说的话 ， 我们现在更主要关注的是齿轮 ， 齿轮方面 ， 做了一些拓展性的研究 ， 也有一定的应用成果 。另外不得不提的一点 ， 我们现在随着结构链方案做得越来越深入 ， 我们现在对结构链 ， 也已经建立的一个完整的计算流程 。
制造方面 ， 装备的制造精度 ， 以及热处理的状态 ， 还有一些关键点都做出了一些积累 ， 现在已经做到150 ， 我们的目标是在170 ， 这个是他们做的总结 ， 就是关于我刚才讲到的内容 。
可靠度的设计措施 ， 可靠性系统工程 ， 我们今天已经听到了很多概念 ， 它是一个统计综合的学科 ， 贯穿了我们产品的整个生命周期 ， 我们依据了VDA6.3体系建立的产品研发流程 ， 在每个关键点的话 ， 我们都会组织技术专家进行评审 ， 目前我们可靠性设计工作的话 ， 主要是从产品的概念开始 ， 一直持续到详细设计阶段 ， 可靠性设计阶段的话 ， 一部分是分析风险 ， 另外一部分的话 ， 我们是为了降低风险 ， 风险从我们的经验来看的话 ， 确实 ， 从可靠度系统研究工程来看的话 ， 一个是继承的风险 ， 一个是新增的风险 ， 继承的风险主要是经验教训的积累 ， 获得了一些积累 ， 但是在新的产品中 ， 这也是一个宝贵的经验 。然后新内容的分析 ， 主要是对设计变更做出一些预防措施 。
这里我想展示的是 ， 目前我们围绕可靠性设计采取的措施 ， 严格意义来讲 ， 几乎是我们所有的手段都在这了 ， 不光是从设计的开发流程 ， 以及技术 ， 现在FMEA的应用 ， 以及对设计规范、材料规范 ， 这些方面的关注 ， 对于实验方面的话 ， 我们现在已经有完善的实验 ， 齿轮箱实验 。
最后一部分的话 ， 我想介绍一下我们现在正在做的可靠性定量评估方法 ， 我们齿轮箱说到底还是一个机械系统 ， 机械系统载荷可靠性 ， 和电气系统有比较大的区别 ， 一个是我们的使用环境 ， 相对来说是很复杂的 ， 故障的模式又很多的 。而且其实不太容易分辨出来 ， 可靠性数据的话 ， 这里是指可靠性数据所需要的数据库 ， 目前来说 ， 并没有一个很完善的体系 ， 零部件标准化程度的话 ， 相对于电气来说 ， 还有一定的差距 ， 同一类型零部件 ， 我们会面临很多种设计 ， 然后每一种设计 ， 所能够观测到的失效模式 ， 失效案例是很少的 ， 这样来说 ， 是一个难点 。另外还有一个就是寿命的分布 ， 对于不同的失效形式 ， 有一个很明显的变化 ， 我回头会介绍 。
在开始谈可靠度定量分析之前的话 ， 我想对目前的设计方法做一个介绍 ， 上午杨博士也对IEC61400-1做了介绍 ， 从设计方法来讲 ， 我们目前基于标准安全系数的 ， 可以认为是一个确定性的计算 ， 强度大于应力 ， 满足了强度要求 。通常我们按照标准来说的话 ， 载荷安全系数 ， 以及失效后引起的安全系数 ， 但这种方式现在来说 ， 一个不能对应力和强度 ， 不能考虑分布的规律 ， 另外我们不能通过这种方法来预估失效 ， 我们只能说判定它是可靠的 ， 但是什么条件下会失效 ， 因为我们安全系数 ， 已经把这部分的概率吃掉了 ， 我们看不到这个结果 。还有一个比较明确的问题 ， 就是我们面临了很多失效模式 ， 然后我们一种失效模式 ， 按照不同的国际标准来做一个计算 ， 这些国际标准的话 ， 都是由不同领域的专家 ， 做出结论性的经验 。这样造成一个后果 ， 不同失效模式 ， 你只是看它的失效结果 ， 哪一个安全 ， 哪一个危险 ， 而对于概率性计算的话 ， 主要还是依据应用强度概率模型 ， 我们目前已经做了一些可靠性的概率模型 ， 但目前面对的难点的话 ， 是所需要的数据库 ， 并不是很健全 。
这个是我们概括下来的话 ， 总共分为四个步骤 ， 第一个步骤的话是系统分析 ， 系统分析这个环节的话 ， 我们主要是借鉴了汽车行业的经验 ， 最终是把整个系统拆分成部件 ， 失效单元对应零部件的每一种失效模式 ， 第二步骤的话 ， 我们是对这些失效模式进行分类 ， 但这要根据我们定量分析的目的 ， 来做出这样的分类 。第三步的话 ， 是整个计算方法的一个核心 ， 主要涉及的是每一种失效模式 ， 第四种的话 ， 是我们在完成单个失效模式的评估之后 ， 怎么来评估系统失效 。我这里简单列举了一下 ， 我们主齿轮箱 ， 以及现在对系统分析 ， 然后最终得到的一个结果 。齿轮箱开始的话 ， 我们会把它按照中间级和高速级来 ， 还有一个结构链 。以中间级为例 ， 我们中间级为大轮和小轮 ， 以及轴和轴承 ， 我们又把这个小轮单独拿出来 ， 小轮失效模式典型来说的话 ， 有齿面点蚀、齿根断裂、齿面断裂、磨损、微点蚀以及胶合 。第二步骤的失效模式分类 ， 目前我们因为主要想评估下架的失效模式 ， 所以我们现在A类的话 ， 严重度是比较高的 ， 然后现在的话 ， 我们已经把齿跟齿面疲劳平时的破坏 ， 还有轴承的 ， 放在A类 。B类的话 ， 我们主要有齿轮的胶合、微点蚀 。第三步核心的话 ， 对于不同失效模式的话 ， 建立不同物理模型 ， 每种物理模型都对应一个概率统计的数据模型 。
这是我们做高度定量第一阶段 ， 计算的一个计算方法 ， 主要是依据了 ， 一个是我们设计结果 ， 第二个的话 ， 材料方面的话 ， 我们主要参照的是ISO标准 ， 失效概率分布选择的话 ， 我们主要选择了两参数的Weibull函数 ， 这个的话是汽车行业 ， 现在有一本书 ， 这是德国的一个教授 ， 然后做了一个汽车行业可靠度定量计算的一个数据 ， 尤其要关注的一个是形状参数 ， 形状参数的话 ， 它有一个推荐值 。这个是我们现在在做的第二阶段 ， 因为第一阶段的话 ， 不管是材料 ， 还是载荷 ， 都与我们风电行业面临的形势是有区别的 。从模型来说的话 ， 主要是算出干涉区域它的概率 ， 对于疲劳的话 ， 我们现在主要依据SN曲线的结果 。
这个是我们对轴承次表面微点蚀失效模式做的一个验证 ， 汽车行业推出的形状参数 ， 对应圆柱滚子轴承的是1.35 ， 根据我们的后市场数据 ， 做出来的结果 ， 参数是1.44 ， 从形状参数来看 ， 我们这个结果相对来说和ISO更接近一些 。
最后一个步骤是系统可靠度计算 ， 目前因为我们涉及到的失效模式的话 ， 都是会引起下架的A类失效 ， 整个系统的话 ， 是串联的系统 ， 计算方法实际上没有太多的技术难点 ， 从可靠度单元 ， 然后先评估零部件的可靠度 ， 然后接下来评估系统可靠度 。以上就是我准备的报告 ， 谢谢大家 。
（标题为编者所加 ， 文字未经发言嘉宾本人审阅 。）
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