重載齒輪箱加速疲勞壽命試驗技術規(guī)范 編制說明

1《重載齒輪箱加速疲勞壽命試驗技術規(guī)范》（征求意見稿）編制說明本項目是根據(jù)國標委〔2023〕37號文—《國家標準化管理委員會關于下達2023年第二批推薦性國家標準計劃及相關標準外文版計劃》的要求，計劃編號20230617-T-604，項目名稱“重載齒輪箱加速疲勞壽命試驗技術規(guī)范”進行制定。主要起草單位：重慶大學，計劃完成時間2025年2月。（1）起草階段：起草牽頭單位在標準立項后，就積極開展工作，聯(lián)絡在行業(yè)內有一定影響的企業(yè)、研究單位、高等院校組建標準起草工作組，并在對標準的具體內容素材消化的基礎上，提出標準草案討論稿。2024年1月20日，由全國減速機標準化技術委員會在重慶大學主持召開了《重載齒輪箱加速疲勞壽命試驗技術規(guī)范》國家標準制定的工作組首次會議，正式成立了標準起草工作組。工作組對標準草案的討論稿展開了討論，明確了編寫要求，并落實組織分工、工作計劃及進度安排。2024年4月份前，在各起草人陸續(xù)完成各部分的初稿和審稿后，合稿完成本標準征求意見稿的討論稿。2024年5月11日在江蘇南京召開第二次工作組會議，對征求意見稿的討論稿逐條討論，形成對征求意見稿修改的指導性意見。二次會議后，又經過1個多月的研討和修改，于6月底完成征求意見稿的編制。本文件由重慶大學、南京高速齒輪制造有限公司、太原重工股份有限公司、重慶齒輪箱有限責任公司、山東華成中德傳動設備有限公司、江蘇泰隆減速機股份有限公司、江蘇省減速機產品質量監(jiān)督檢驗中心、湖南南方宇航高精傳動有限公司、大連理工大學、中船重工（重慶）西南裝備研究院有限公司、沃德傳動（天津）股份有限公司、寧波東力傳動設備有限公司、電子科技大學、東南大學、河南蒲瑞精密機械有限公司、蘇州亞太精睿傳動科技股份有限公司、杭州杰牌傳動科技有限公司、河南省瑞歌傳動機械有限公司、雙環(huán)傳動（重慶）精密科技有限責任公司、河南同濟減速機有限公司、重慶清平機械有限責任公司、索特傳動設備有限公司。工作組主要成員：魏靜，何愛民，孫義忠，吉科峰，石佳，鞠國強，趙穎，丁軍，蔡云龍，胡云波，王永慧，黃洪鐘，談佳樂，孫洪利，周亞政，殷平，陶常彬，丁為民，翁貴祥，錢華明，郭仕博，任偉杰，李紅建，袁志高，張應，李想，吳超凡、古城超、李支強、宋保伸、楊鑫銳、葛敬廣、陸建江。所做工作：魏靜擔任起草工作組組長，全面協(xié)調標準起草工作，負責標準的具體起草與編寫，對各方面的意見和建議進行歸納、分析處理。何愛民、孫義忠負責標準第2稿草稿和第3稿草稿的編寫。吉2科峰，石佳，鞠國強，趙穎，丁軍，蔡云龍，胡云波，王永慧，黃洪鐘，談佳樂，孫洪利，周亞政，殷平，陶常彬，丁為民，翁貴祥，郭仕博，任偉杰，李紅建，袁志高、古城超、李支強、宋保伸、楊鑫銳、葛敬廣、陸建江負責收集、分析國內外相關技術文獻和資料，結合實際應用經驗，對標準的技術內容進行資料的查證、校對，參與標準技術內容的討論。張應，李想，吳超凡負責附錄A、附錄B和附錄C的編寫。丁軍、蔡云龍對整體標準內容進行語言文字、標準化作了全面審核。錢華明對標準中涉及的圖進行修改，編輯。（1）遵循“面向市場、服務產業(yè)、自主制定”原則制定本標準。（2）本文件制定嚴格按GB/T1.1-2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》要求進行。（3）與國家法規(guī)、法律和有關標準相一致。2.1概述考慮到國內外暫無關于重載齒輪箱加速疲勞壽命試驗技術規(guī)范的相關標準，本文件結合重載齒輪箱的應用特點，在參考其他有關標準的基礎上，立足于當前對技術和知識的認知水平，以方便應用為目的，自成體系，自我完備。本文件的起草過程中與企業(yè)、研究單位、高等院校等就重載齒輪箱的加速疲勞壽命試驗問題展開了廣泛討論，認真收集了各行業(yè)專家的意見及建議，查閱了大量的文獻及標準資料，最終確定了本文件的編寫原則、并逐漸完善了本文件的內容。對更具體的細節(jié)內容將在相關章節(jié)中說明。2.2范圍本文件規(guī)定了重載齒輪箱加速疲勞壽命試驗技術規(guī)范的術語和定義、符號、試驗系統(tǒng)、試驗條件、試驗前的準備、試驗流程和拆卸、檢查及失效判定等。本文件適用于風力發(fā)電、礦用挖掘、采煤和海工裝備等應用場合中額定功率不小于1000kW或額定轉矩不小于100kN·m的齒輪箱加速疲勞壽命試驗。2.3術語和定義、符號本文件凡是和GB/T3374.1《齒輪術語和定義第1部分：幾何學定義》中同名的術語，都和GB/T3374.1采用同樣的符號。本標準定義如下：31）重載齒輪箱Heavy-dutygearbox額定功率不小于1000kW或額定轉矩不小于100kN·m的重載齒輪箱（以下簡稱：齒輪箱）。2）載荷譜Loadspectrum表征載荷大小、變化和出現(xiàn)頻次之間的圖形、表格、矩陣或其他概率特征值的統(tǒng)稱。3）循環(huán)Cycle循環(huán)性重復作用的力、應力等最小的時間段。[來源：GB/T6398--2017，3.2]4）失效Failure齒輪箱一個或多個技術指標不可逆地超出了允許值，或組成齒輪箱的零部件（不包括易損件）發(fā)生了物理性損壞。注：易損件主要指橡膠類密封件，也可包括潤滑劑，但不包括齒輪、軸承、軸、5）失效模式Failuremode齒輪箱失效的表現(xiàn)形式。6）疲勞壽命Fatiguelife達到疲勞失效判據(jù)的實際循環(huán)數(shù)。[來源：GB/T10623--2008，7.10]7）加速疲勞壽命試驗Acceleratedfatiguelifetesting在不改變失效機理的前提下，一種通過施加高于額定載荷水平的疲勞試驗模式，用于采用高于額定轉矩或轉速等工況，通過縮短試驗時間對齒輪箱進行疲勞壽命評估。2.4加速載荷譜的編制齒輪箱加速疲勞壽命試驗載荷譜的編制是本標準文件的核心內容。本文件基于Palmgren-Miner線性累積損傷理論進行加速疲勞壽命試驗載荷譜的編制，該損傷理論具體描述為：在規(guī)律性變幅循環(huán)應力作用下，各應力對材料造成的損傷是獨立進行的，并可以線性地累積成總損傷，當各應力的壽命損傷率之和等于1時，材料將會發(fā)生疲勞失效，其失效條件為：Σ=1.0xx式中：nx——第x個應力水平下的實際循環(huán)次數(shù)；Nx——第x個應力水平下齒輪箱所能承受的總循環(huán)次數(shù)，即壽命，由材料的S-N曲線得到。4從而，對于某原始載荷中的載荷Tx造成的疲勞損傷度Ux：式中：Ux——第x個應力水平Tx造成的疲勞損傷度；Tx——原始載荷譜中第x個應力水平；p——Woehler損傷線的斜率。對于給定的原始載荷譜（假定有m個載荷序列）條件下，齒輪箱輪齒損傷度可表達為：對于加速疲勞壽命試驗載荷譜（假定有q個載荷序列）條件下，齒輪箱輪齒損傷度可表達為：式中：Uy——加速疲勞壽命試驗載荷譜中第y個應力水平Ty造成的疲勞損傷度；ny——加速疲勞壽命試驗載荷譜中第y個應力水平下的實際循環(huán)次數(shù)；Ny——加速疲勞壽命試驗載荷譜中第y個應力水平下齒輪箱所能承受的總循環(huán)次數(shù)；Ty——加速疲勞壽命試驗載荷譜中第y個應力水平。給定加速疲勞壽命試驗載荷譜下齒輪箱輪齒損傷度等于原始載荷譜下的損傷度，則有：最終基于Palmgren-Miner法則和載荷譜的損傷度等效，可以采用恒定應力加載、步進應力加載、序進應力加載、正反向循環(huán)加載、多級載荷譜加載等方式進行加速疲勞壽命試驗載荷譜的編制。另外需要特別說明的是，本標準文件的加速載荷譜編制過程中，加速系數(shù)的選取應保證軸承、連接件、結構件的強度校核，使齒輪失效形式不發(fā)生改變。齒輪箱加速疲勞試驗載荷譜編制流程如圖1所示，具體編制步驟如下：步驟一：原始載荷譜處理。對重載齒輪箱的原始載荷譜進行統(tǒng)計分析，得到包括轉矩、循環(huán)次數(shù)及其占比等信息的有效統(tǒng)計載荷譜；步驟二：載荷序列檢驗。對載荷序列進行正態(tài)分布檢驗，如服從正態(tài)分布，則采用基于正態(tài)分布的加速試驗載荷譜編制方法，反之，則采用基于“多級載荷譜加載”的加速試驗載荷譜編制方法；步驟三：有效統(tǒng)計載荷譜的等效計算。計算有效統(tǒng)計載荷譜等效到額定轉矩下的各級等效轉矩及其作用時間；5步驟四：加速疲勞試驗載荷譜的編制。結合有效統(tǒng)計載荷譜的等效轉矩及其作用時間，計算加速疲勞試驗載荷譜中各級轉矩及其相對加載時間；步驟五：加速系數(shù)K的迭代計算。利用有效統(tǒng)計載荷譜和加速疲勞試驗載荷譜的損傷度等效，分別迭代計算齒輪箱按接觸疲勞等效和彎曲疲勞等效到額定轉矩下的加速系數(shù)；步驟六：單周期加速疲勞試驗載荷譜的詳細制定。結合獲取的加速疲勞試驗載荷譜與工程實際需求，制定詳細的齒輪箱單周期加速疲勞試驗載荷譜。原始載荷譜處理VV載荷序列檢驗VVV加速疲勞試驗載荷譜的編制加速系數(shù)K的迭代計算單周期加速疲勞試驗載荷譜的詳細制定圖1加速疲勞壽命試驗載荷譜的編制流程2.5加速疲勞壽命試驗步驟在完成齒輪箱加速疲勞壽命試驗載荷譜的編制后，對其進行加速疲勞試驗，具體實施步驟如下：步驟一：按照JB/T5558對試驗類別及要求的規(guī)定進行空載試驗。步驟二：在空載試驗合格后，按齒輪箱額定負荷的25%、50%、75%進行逐級加載并各運轉15min，加載至100%額定負荷運行，直至達到系統(tǒng)熱平衡。步驟三：負載試驗合格后，按本文件規(guī)定的方法編制的試驗載荷譜，進行加速疲勞壽命試驗，具體需要檢查并記錄以下內容：a）每隔30min或每階段（小于30min）記錄轉速、轉矩、功率、軸承和潤滑油溫度、室溫。轉速、轉矩每次至少記錄5組數(shù)據(jù)，并記錄運轉時間；b）檢查試驗臺架是否運行正常、齒輪箱殼體結合面、端蓋、潤滑系統(tǒng)或管路的滲漏情況，有無異響、沖擊，是否報警；c）記錄所有工況下的振動、噪聲，并形成表格；d）試驗過程中至少進行3次停機檢查，記錄齒輪點蝕、膠合、斷裂和接觸斑點等情況，并拍照形成表格；6e）試驗過程中允許更換潤滑油；f）除齒輪外的其他零部件，如軸、軸承、潤滑油等在試驗過程中的不正?，F(xiàn)象均應記錄；g）試驗終止判定：試驗測試過程中，若發(fā)現(xiàn)下列情況之一，則需立即終止試驗，待排除故障后再繼續(xù)試驗：①連接處松動；②運行不平穩(wěn)，有異響、沖擊；③溫度、壓力超過允許值；④振動、噪聲超過允許值。2.6齒輪箱失效判定在完成加速疲勞壽命試驗后，需對齒輪箱進行拆卸檢查，以來檢驗齒輪箱是否失效，是否滿足壽命要求，最終實現(xiàn)其可靠性設計驗證。其中，輪齒接觸斑點按GB/Z18620.4和GB/T11365進行檢查，失效判定按JB/T5664和表1進行。表1輪齒檢查內容及判定標準123a.點蝕區(qū)寬度占齒高的80%時；45678本文件依據(jù)標準驗證結果。并在南高齒、重齒、太重等公司1.5MW、2.5MW、4.5MW等多個產品7上進行試驗驗證。下面以南高齒4.5MW風電主齒輪箱新品加速疲勞壽命試驗驗證案例。南京高速齒輪制造有限公司在2018～2019年進行4.5MW新品加速疲勞壽命試驗，累積對兩臺齒輪箱樣機共進行463.53小時的加載及超載試驗驗證。步驟額定扭矩百分比高速級扭矩總持續(xù)時間高速級輸出轉速備注138%10726.64275%2117153282284352855538107.8420642342746576.21850810.40.0339-60%-16936.81-1500-100%-282281-1670-135%-38107.80.5-1670Sum463.538位置趨勢圖LSS輸入軸LSS行星級ISS行星級9平行級低速軸高速軸葉片側軸承高速軸電機側軸承結論試驗中全程持續(xù)監(jiān)控齒輪箱各級振動變化趨勢，通過對比齒輪箱各級在試驗開始及結束階段振動幅值，無明顯差異，符合預期。4.1齒面檢查位置齒面檢查齒輪齒中葉片側LSS齒圈齒面結論齒面有輕微接觸痕跡，符合預期LSS行星輪1嚙合齒面行星輪2行星輪3行星輪4結論齒面正常，齒端部輕微接觸痕跡，符合預期LSS行星輪1行輪太輪合面星與陽嚙齒行星輪2行星輪3行星輪4結論齒面正常，齒端部輕微接觸痕跡，符合預期LSS輪齒面結論齒面正常，齒端部輕微接觸痕跡，符合預期IMS齒圈齒面結論齒面有輕微接觸痕跡，符合預期IMS行星輪1行輪齒嚙星與圈合行星輪2齒面行星輪3結論齒面正常IMS行星輪1行輪太輪合面星與陽嚙齒行星輪2行星輪3結論齒面正常IMS輪齒面結論齒面正常平級輪面行齒齒結論齒面正常速軸齒面結論齒面正常4.2軸承檢查位置軸承檢測軸承內圈滾道面滾子表面外圈滾道面LSS行星架葉片側軸承N/A結論滾子及滾道面正常LSS行星架電機側軸承N/A結論滾子及滾道面正常LSS行星輪軸承N/A結論滾子及滾道面正常IMS行星架葉片側軸承N/A結論滾子及滾道面正常IMS行星架電機側軸