兆瓦级风电齿轮箱微点蚀分析及设计优化

摘要：由于运行环境及工况恶劣，风电齿轮箱易出现微点蚀现象，该问题近年来引起业界广泛关注。本文研究了齿面粗糙度、润滑油温度、压力角、螺旋角对微点蚀的影响，并结合试验研究验证了优化设计方法。关键词：微点蚀

齿面粗糙度

润滑油温度

压力角

螺旋角

油膜厚度1前言微点蚀是一种疲劳现象，发生在处于滑滚摩擦的弹流润滑或边界润滑区域。载荷、速度、温度、油膜厚度、润滑油添加剂等均会影响微点蚀萌生。微点蚀通常发生在105至106应力循环，伴随微小点蚀坑出现。微小点蚀坑与表面呈一定角度，位于表面下约10-20μm，25-100μm长、10-20μm宽。微点蚀又俗称灰斑，通常出现在重载的渗碳齿面。图1展示了微点蚀的低倍放大图（15倍），图2展示了微点蚀高倍放大照片。微点蚀会降低齿面精度，增加动载及噪音。通常而言，微点蚀自身危害有限，但极限发展成宏观点蚀，直至齿面失效。风电齿轮箱运行环境恶劣、载荷复杂，且可靠性要求高。风电齿轮箱设计寿命20年，但部分齿面在短时间内便出现了失效。微点蚀作为风电齿轮箱的一类问题已引起广泛关注。2010年，国际齿轮协会标准化组织起草了微点蚀计算文档：ISO/TR15144-1。德国劳氏船级社在2010年风电机组认证规范中第一次对微点蚀安全系数提出了要求。微点蚀发生在处于弹流或边界润滑的赫兹接触应力作用区域。影响微点蚀发生的原因较多，许多学者对相关因素进行了研究。研究了微点蚀引起的齿面剥落问题，发现齿面粗糙度、润滑、齿形、齿面滑移速度是影响微点蚀发生的主因。研究了齿面粗糙度对微点蚀的影响，认为齿轮运行前应进行充分磨合。研究了提高齿面粗糙度对改善微点蚀发生的效果，试验结果表明齿轮镜面可以避免微点蚀发生。研究结果表明齿轮啮合副具有一定的硬度差，可以降低微点蚀发生概率。研究了润滑油添加剂、油温、啮合速度、齿轮修形、齿面粗糙度对微点蚀的影响。着重研究润滑油化学成分对微点蚀的影响。研究结果表明，齿面粗糙度差、齿轮滑动速度大以及高载荷均会增加微点蚀风险。上述研究集中在微点蚀的成因及扩展分析上，研究对象主要为小模数齿轮，且对各影响因素缺乏量化分析。本文基于ISO/TR15144-1对影响微点蚀成因的主要参数进行了分析，提出了优化设计方案，并结合2兆瓦风电齿轮箱台架测试进行了试验验证。2微点蚀主要影响参数微点蚀安全系数计算基于实际油膜厚度与许用油膜厚度比值，若比值小于安全系数要求则易出现微点蚀。文献10规定了风电齿轮箱微点蚀计算公式（1），（2）及安全系数要求。2.1齿面粗糙度由公式1可见，微点蚀安全系数与齿面粗糙度成反比。基于FZG测试齿轮副对不同粗糙度与微点蚀安全系数的关系进行了分析，详见表1、2。图3展示了微点蚀安全系数随齿面粗糙度的变化。2.2油膜厚度由公式1、2可见，微点蚀安全系数与润滑油膜厚度成正比。在风电齿轮箱设计中，传递功率、速比、中心距及润滑油种类属于设计输入要求，变动空间较小。因此，本文着重研究对许用润滑油膜厚度影响较大的压力角、螺旋角、变位系数及润滑油温。以某2兆瓦风电齿轮箱行星级为例，采用正交试验方法，假设压力角、螺旋角、变位系数及润滑油温均存在三个水平，建立正交试验矩阵分析不同组合下微点蚀安全系数。表3为主要计算参数。表4为正交试验矩阵。表5展示了不同参数水平对许用油膜厚度的影响。此外，本文就不同参数对微点蚀影响程度进行了分析，详见表6-9。通过上述分析，得出以下结论：（1）温度对润滑油膜影响较大。因此在风电齿轮箱设计中应尽可能降低润滑油温。（2）压力角应尽可能取大，虽然它对润滑油膜的贡献率只有6.9%。（3）虽然螺旋角对润滑油膜的贡献率只有3.6%，但大螺旋角可以减少摩擦功耗。（4）在齿轮中心距许可范围，应尽可能取较大变位系数，以提高油膜厚度。3案例研究某2兆瓦风电齿轮箱经过台架型式试验后，太阳轮出现了微点蚀现象。图6、7展示了微点蚀照片。结合上述微点蚀各相关参数的影响分析，对该产品太阳轮进行了润滑油温及压力角优化设计。优化后基于相同工况再次进行台架型式试验，太阳轮经过1.23e8次应力循环后未出现微点蚀现象。4结论本文基于ISO/TR15144-1就齿面粗糙度、油膜厚度对微点蚀的影响进行了分析。重点研究了不同设计参数