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南高齿陈强:风电主齿轮箱可靠性设计措施和计算方法

2019-09-24  来源:中国风力发电网  [已有0人评论]  [有偿投稿]
核心提示: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。
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。)

 
 

(来源:能见App)

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