重载齿轮箱加速疲劳寿命试验技术规范 编制说明

1《重载齿轮箱加速疲劳寿命试验技术规范》（征求意见稿）编制说明本项目是根据国标委〔2023〕37号文—《国家标准化管理委员会关于下达2023年第二批推荐性国家标准计划及相关标准外文版计划》的要求，计划编号20230617-T-604，项目名称“重载齿轮箱加速疲劳寿命试验技术规范”进行制定。主要起草单位：重庆大学，计划完成时间2025年2月。（1）起草阶段：起草牵头单位在标准立项后，就积极开展工作，联络在行业内有一定影响的企业、研究单位、高等院校组建标准起草工作组，并在对标准的具体内容素材消化的基础上，提出标准草案讨论稿。2024年1月20日，由全国减速机标准化技术委员会在重庆大学主持召开了《重载齿轮箱加速疲劳寿命试验技术规范》国家标准制定的工作组首次会议，正式成立了标准起草工作组。工作组对标准草案的讨论稿展开了讨论，明确了编写要求，并落实组织分工、工作计划及进度安排。2024年4月份前，在各起草人陆续完成各部分的初稿和审稿后，合稿完成本标准征求意见稿的讨论稿。2024年5月11日在江苏南京召开第二次工作组会议，对征求意见稿的讨论稿逐条讨论，形成对征求意见稿修改的指导性意见。二次会议后，又经过1个多月的研讨和修改，于6月底完成征求意见稿的编制。本文件由重庆大学、南京高速齿轮制造有限公司、太原重工股份有限公司、重庆齿轮箱有限责任公司、山东华成中德传动设备有限公司、江苏泰隆减速机股份有限公司、江苏省减速机产品质量监督检验中心、湖南南方宇航高精传动有限公司、大连理工大学、中船重工（重庆）西南装备研究院有限公司、沃德传动（天津）股份有限公司、宁波东力传动设备有限公司、电子科技大学、东南大学、河南蒲瑞精密机械有限公司、苏州亚太精睿传动科技股份有限公司、杭州杰牌传动科技有限公司、河南省瑞歌传动机械有限公司、双环传动（重庆）精密科技有限责任公司、河南同济减速机有限公司、重庆清平机械有限责任公司、索特传动设备有限公司。工作组主要成员：魏静，何爱民，孙义忠，吉科峰，石佳，鞠国强，赵颖，丁军，蔡云龙，胡云波，王永慧，黄洪钟，谈佳乐，孙洪利，周亚政，殷平，陶常彬，丁为民，翁贵祥，钱华明，郭仕博，任伟杰，李红建，袁志高，张应，李想，吴超凡、古城超、李支强、宋保伸、杨鑫锐、葛敬广、陆建江。所做工作：魏静担任起草工作组组长，全面协调标准起草工作，负责标准的具体起草与编写，对各方面的意见和建议进行归纳、分析处理。何爱民、孙义忠负责标准第2稿草稿和第3稿草稿的编写。吉2科峰，石佳，鞠国强，赵颖，丁军，蔡云龙，胡云波，王永慧，黄洪钟，谈佳乐，孙洪利，周亚政，殷平，陶常彬，丁为民，翁贵祥，郭仕博，任伟杰，李红建，袁志高、古城超、李支强、宋保伸、杨鑫锐、葛敬广、陆建江负责收集、分析国内外相关技术文献和资料，结合实际应用经验，对标准的技术内容进行资料的查证、校对，参与标准技术内容的讨论。张应，李想，吴超凡负责附录A、附录B和附录C的编写。丁军、蔡云龙对整体标准内容进行语言文字、标准化作了全面审核。钱华明对标准中涉及的图进行修改，编辑。（1）遵循“面向市场、服务产业、自主制定”原则制定本标准。（2）本文件制定严格按GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》要求进行。（3）与国家法规、法律和有关标准相一致。2.1概述考虑到国内外暂无关于重载齿轮箱加速疲劳寿命试验技术规范的相关标准，本文件结合重载齿轮箱的应用特点，在参考其他有关标准的基础上，立足于当前对技术和知识的认知水平，以方便应用为目的，自成体系，自我完备。本文件的起草过程中与企业、研究单位、高等院校等就重载齿轮箱的加速疲劳寿命试验问题展开了广泛讨论，认真收集了各行业专家的意见及建议，查阅了大量的文献及标准资料，最终确定了本文件的编写原则、并逐渐完善了本文件的内容。对更具体的细节内容将在相关章节中说明。2.2范围本文件规定了重载齿轮箱加速疲劳寿命试验技术规范的术语和定义、符号、试验系统、试验条件、试验前的准备、试验流程和拆卸、检查及失效判定等。本文件适用于风力发电、矿用挖掘、采煤和海工装备等应用场合中额定功率不小于1000kW或额定转矩不小于100kN·m的齿轮箱加速疲劳寿命试验。2.3术语和定义、符号本文件凡是和GB/T3374.1《齿轮术语和定义第1部分：几何学定义》中同名的术语，都和GB/T3374.1采用同样的符号。本标准定义如下：31）重载齿轮箱Heavy-dutygearbox额定功率不小于1000kW或额定转矩不小于100kN·m的重载齿轮箱（以下简称：齿轮箱）。2）载荷谱Loadspectrum表征载荷大小、变化和出现频次之间的图形、表格、矩阵或其他概率特征值的统称。3）循环Cycle循环性重复作用的力、应力等最小的时间段。[来源：GB/T6398--2017，3.2]4）失效Failure齿轮箱一个或多个技术指标不可逆地超出了允许值，或组成齿轮箱的零部件（不包括易损件）发生了物理性损坏。注：易损件主要指橡胶类密封件，也可包括润滑剂，但不包括齿轮、轴承、轴、5）失效模式Failuremode齿轮箱失效的表现形式。6）疲劳寿命Fatiguelife达到疲劳失效判据的实际循环数。[来源：GB/T10623--2008，7.10]7）加速疲劳寿命试验Acceleratedfatiguelifetesting在不改变失效机理的前提下，一种通过施加高于额定载荷水平的疲劳试验模式，用于采用高于额定转矩或转速等工况，通过缩短试验时间对齿轮箱进行疲劳寿命评估。2.4加速载荷谱的编制齿轮箱加速疲劳寿命试验载荷谱的编制是本标准文件的核心内容。本文件基于Palmgren-Miner线性累积损伤理论进行加速疲劳寿命试验载荷谱的编制，该损伤理论具体描述为：在规律性变幅循环应力作用下，各应力对材料造成的损伤是独立进行的，并可以线性地累积成总损伤，当各应力的寿命损伤率之和等于1时，材料将会发生疲劳失效，其失效条件为：Σ=1.0xx式中：nx——第x个应力水平下的实际循环次数；Nx——第x个应力水平下齿轮箱所能承受的总循环次数，即寿命，由材料的S-N曲线得到。4从而，对于某原始载荷中的载荷Tx造成的疲劳损伤度Ux：式中：Ux——第x个应力水平Tx造成的疲劳损伤度；Tx——原始载荷谱中第x个应力水平；p——Woehler损伤线的斜率。对于给定的原始载荷谱（假定有m个载荷序列）条件下，齿轮箱轮齿损伤度可表达为：对于加速疲劳寿命试验载荷谱（假定有q个载荷序列）条件下，齿轮箱轮齿损伤度可表达为：式中：Uy——加速疲劳寿命试验载荷谱中第y个应力水平Ty造成的疲劳损伤度；ny——加速疲劳寿命试验载荷谱中第y个应力水平下的实际循环次数；Ny——加速疲劳寿命试验载荷谱中第y个应力水平下齿轮箱所能承受的总循环次数；Ty——加速疲劳寿命试验载荷谱中第y个应力水平。给定加速疲劳寿命试验载荷谱下齿轮箱轮齿损伤度等于原始载荷谱下的损伤度，则有：最终基于Palmgren-Miner法则和载荷谱的损伤度等效，可以采用恒定应力加载、步进应力加载、序进应力加载、正反向循环加载、多级载荷谱加载等方式进行加速疲劳寿命试验载荷谱的编制。另外需要特别说明的是，本标准文件的加速载荷谱编制过程中，加速系数的选取应保证轴承、连接件、结构件的强度校核，使齿轮失效形式不发生改变。齿轮箱加速疲劳试验载荷谱编制流程如图1所示，具体编制步骤如下：步骤一：原始载荷谱处理。对重载齿轮箱的原始载荷谱进行统计分析，得到包括转矩、循环次数及其占比等信息的有效统计载荷谱；步骤二：载荷序列检验。对载荷序列进行正态分布检验，如服从正态分布，则采用基于正态分布的加速试验载荷谱编制方法，反之，则采用基于“多级载荷谱加载”的加速试验载荷谱编制方法；步骤三：有效统计载荷谱的等效计算。计算有效统计载荷谱等效到额定转矩下的各级等效转矩及其作用时间；5步骤四：加速疲劳试验载荷谱的编制。结合有效统计载荷谱的等效转矩及其作用时间，计算加速疲劳试验载荷谱中各级转矩及其相对加载时间；步骤五：加速系数K的迭代计算。利用有效统计载荷谱和加速疲劳试验载荷谱的损伤度等效，分别迭代计算齿轮箱按接触疲劳等效和弯曲疲劳等效到额定转矩下的加速系数；步骤六：单周期加速疲劳试验载荷谱的详细制定。结合获取的加速疲劳试验载荷谱与工程实际需求，制定详细的齿轮箱单周期加速疲劳试验载荷谱。原始载荷谱处理VV载荷序列检验VVV加速疲劳试验载荷谱的编制加速系数K的迭代计算单周期加速疲劳试验载荷谱的详细制定图1加速疲劳寿命试验载荷谱的编制流程2.5加速疲劳寿命试验步骤在完成齿轮箱加速疲劳寿命试验载荷谱的编制后，对其进行加速疲劳试验，具体实施步骤如下：步骤一：按照JB/T5558对试验类别及要求的规定进行空载试验。步骤二：在空载试验合格后，按齿轮箱额定负荷的25%、50%、75%进行逐级加载并各运转15min，加载至100%额定负荷运行，直至达到系统热平衡。步骤三：负载试验合格后，按本文件规定的方法编制的试验载荷谱，进行加速疲劳寿命试验，具体需要检查并记录以下内容：a）每隔30min或每阶段（小于30min）记录转速、转矩、功率、轴承和润滑油温度、室温。转速、转矩每次至少记录5组数据，并记录运转时间；b）检查试验台架是否运行正常、齿轮箱壳体结合面、端盖、润滑系统或管路的渗漏情况，有无异响、冲击，是否报警；c）记录所有工况下的振动、噪声，并形成表格；d）试验过程中至少进行3次停机检查，记录齿轮点蚀、胶合、断裂和接触斑点等情况，并拍照形成表格；6e）试验过程中允许更换润滑油；f）除齿轮外的其他零部件，如轴、轴承、润滑油等在试验过程中的不正常现象均应记录；g）试验终止判定：试验测试过程中，若发现下列情况之一，则需立即终止试验，待排除故障后再继续试验：①连接处松动；②运行不平稳，有异响、冲击；③温度、压力超过允许值；④振动、噪声超过允许值。2.6齿轮箱失效判定在完成加速疲劳寿命试验后，需对齿轮箱进行拆卸检查，以来检验齿轮箱是否失效，是否满足寿命要求，最终实现其可靠性设计验证。其中，轮齿接触斑点按GB/Z18620.4和GB/T11365进行检查，失效判定按JB/T5664和表1进行。表1轮齿检查内容及判定标准123a.点蚀区宽度占齿高的80%时；45678本文件依据标准验证结果。并在南高齿、重齿、太重等公司1.5MW、2.5MW、4.5MW等多个产品7上进行试验验证。下面以南高齿4.5MW风电主齿轮箱新品加速疲劳寿命试验验证案例。南京高速齿轮制造有限公司在2018～2019年进行4.5MW新品加速疲劳寿命试验，累积对两台齿轮箱样机共进行463.53小时的加载及超载试验验证。步骤额定扭矩百分比高速级扭矩总持续时间高速级输出转速备注138%10726.64275%2117153282284352855538107.8420642342746576.21850810.40.0339-60%-16936.81-1500-100%-282281-1670-135%-38107.80.5-1670Sum463.538位置趋势图LSS输入轴LSS行星级ISS行星级9平行级低速轴高速轴叶片侧轴承高速轴电机侧轴承结论试验中全程持续监控齿轮箱各级振动变化趋势，通过对比齿轮箱各级在试验开始及结束阶段振动幅值，无明显差异，符合预期。4.1齿面检查位置齿面检查齿轮齿中叶片侧LSS齿圈齿面结论齿面有轻微接触痕迹，符合预期LSS行星轮1啮合齿面行星轮2行星轮3行星轮4结论齿面正常，齿端部轻微接触痕迹，符合预期LSS行星轮1行轮太轮合面星与阳啮齿行星轮2行星轮3行星轮4结论齿面正常，齿端部轻微接触痕迹，符合预期LSS轮齿面结论齿面正常，齿端部轻微接触痕迹，符合预期IMS齿圈齿面结论齿面有轻微接触痕迹，符合预期IMS行星轮1行轮齿啮星与圈合行星轮2齿面行星轮3结论齿面正常IMS行星轮1行轮太轮合面星与阳啮齿行星轮2行星轮3结论齿面正常IMS轮齿面结论齿面正常平级轮面行齿齿结论齿面正常速轴齿面结论齿面正常4.2轴承检查位置轴承检测轴承内圈滚道面滚子表面外圈滚道面LSS行星架叶片侧轴承N/A结论滚子及滚道面正常LSS行星架电机侧轴承N/A结论滚子及滚道面正常LSS行星轮轴承N/A结论滚子及滚道面正常IMS行星架叶片侧轴承N/A结论滚子及滚道面正常IMS行星架电机侧轴