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齿轮箱故障等级评价模型研究 贾兴 【摘 要】根据齿轮箱出现故障的原因,介绍了齿轮箱的四种主要故障形式——齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合以及断齿.齿轮箱在出现以上故障过程中均可产生磨损颗粒,磨粒的大小、尺寸、形状、累积速率均可反映齿轮箱的故障程度.在线磨粒检测传感已广泛应用于风电齿轮箱磨粒的监测,但现有的在线磨粒监测传感器缺少评价齿轮箱故障等级的数学模型,无法根据齿轮箱的运行工况提供智能报警功能,需要人为进行预警限值的设定.通过将现有离线检测和在线监测技术进行结合,构建齿轮箱故障等级预测的数学模型,从而指导齿轮箱磨损颗粒的研究和故障程度的判别. 【期刊名称】《科技视界》 【年(卷),期】2018(000)007 【总页数】3页(P109-110,125) 【关键词】齿轮箱;故障等级;数学模型 【作 者】贾兴 【作者单位】通标标准技术服务(天津)有限公司,中国 天津 300300 【正文语种】中 文 【中图分类】TM315;TH132.41 随着环境的污染和能源的短缺，世界各国越来越重视可再生能源的开发与利用。风能是一种环保、清洁的可再生能源，近年来得到大力发展，2015年上半年，我国风力发电行业企业数量达到739家，全国累计安装风机机组9.3万台，累计装机容量1.45亿千瓦。2016年，中国风电新增装机量2337万千瓦，累计装机容量1.69亿千瓦，其中，海上风机新增装机量59万千瓦，累积装机容量163万千瓦。长期处于恶劣的工作环境下，使得风机的损坏率高达40%至50%，风机发生故障的主要部位是齿轮箱，齿轮箱一旦发生故障，将会造成严重的经济损失。通常，齿轮箱发生故障的原因主要有三个：（1）设计生产上的缺陷；（2）齿轮箱震动故障；（3）齿轮箱润滑不良造成轴承、齿面的过早磨损[1-2]。在齿轮的运转过程中，齿面啮合所承受的载荷不均匀以及齿轮啮入、啮出产生的冲击均易引起齿轮表面的磨损、点蚀、胶合，严重时甚至造成断齿[3]。齿面的磨损、点蚀等均可产生磨粒，磨粒是反映齿轮箱故障程度的重要指标。实践证明，当齿轮箱中油液磨粒数量迅速增加时，往往意味着油膜间隙遭到了破坏，齿轮箱可能将发生破坏。通过对风电齿轮箱润滑油中的磨粒进行监测可以及时获得齿轮和轴承表面的磨损程度，判断设备的损坏情况[4]。现有的磨粒在线监测传感器可以监测齿轮油中磨粒的尺寸、数量和累计速度，但不能有效判断齿轮箱的故障程度，不能对齿轮箱的故障程度做出智能判断，因此研究风电齿轮箱故障等级预测模型具有重要的现实意义。1 齿轮箱主要故障形式齿轮箱作为风机中传递动力的重要部件，长期处于交变载荷状态下，并且工作环境恶劣，容易产生不同程度的损伤或者破坏，如齿面磨损、齿轮变形或折断，导致风机发生故障。据资料统计，在齿轮箱故障中齿轮故障占60%，轴承故障占20%[5]。齿轮箱的主要故障形式有齿面磨损、齿轮点蚀、齿轮胶合和断齿。1.1 齿面磨损根据齿面磨损机制不同，齿轮磨损主要分为疲劳磨损、腐蚀磨损和磨粒磨损。疲劳磨损是在循环应力作用下，齿面出现疲劳裂纹的现象。腐蚀磨损是由环境介质产生的化学反应。磨粒磨损是砂石或者金属颗粒随着齿轮的运转对齿面造成的磨损。以上三种磨损形式可能同时存在，一种磨损形式甚至可能加速其它磨损的产生。同时，齿轮的磨损可以改变齿轮的轮廓，增大齿轮的侧隙。1.2 齿轮点蚀齿轮在啮合过程中，不仅具有相对的滚动，还有相对的滑动，同时具有相反的摩擦力方向，由此出现脉动载荷现象。若齿轮长期处于脉动载荷作用下，齿面会产生局部的塑性变形，出现微点蚀，微点蚀的深度约 为 10～20μm， 长 度 约为 25～100μm， 宽 度 约 为 10～20μm。随着微点蚀的扩大，将会形成点蚀，点蚀会引起齿轮精度的降低，噪音和动载荷变大，严重时导致齿轮的失效[6]。1.3 齿轮胶合高温容易引起齿轮的胶合。当齿轮载荷过高时，齿轮箱内齿轮将高速旋转，齿轮表面的温度会迅速升高，当温度到达一定程度时，会破坏润滑剂的性能，导致齿轮油的润滑性能迅速下滑，齿轮表面的油膜破裂，两个摩擦副互相接触，从而致使金属面破裂，严重时齿面与其他金属黏在一起，导致胶合[7]现象的发生。1.4 断齿齿轮长期处于高负载状况下，当其根部所承受的应力超出了材料的极限，齿轮表面将会产生疲劳裂纹，在此情况下齿轮若依然处于运转状态，随着疲劳裂纹的加深，最终导致齿轮折断[8]。Sheng[9]通过对750kW风机进行在线油液监测研究发现，齿轮箱在启动和停止过程中齿轮油的污染度会升高，污染颗粒数量增加，表明齿轮箱的磨损多发生在设备起停阶段。在齿轮箱磨损颗粒中，磨损颗粒的尺寸主要集中在 100μm～800μm，而数量较多的磨粒主要集中在 200μm～400μm。采用磨粒在线监测传感器可以有效地监测磨粒的尺寸