南高齿陈强：风电主齿轮箱可靠性设计措施和计算方法

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。）