風力發電機組齒輪箱評估指南

風力發電機組齒輪箱評估指南

1.1本指南適用于水平軸風力發電機組（風輪掃掠面積大于或等于40ｍ２）中使用平行軸或行星齒輪傳動的齒輪箱。
1.2本指南根據中國船級社《風力發電機組認證規范》對風力發電機組齒輪箱的設計評估及制造檢驗的內容、方法及程序作出規定。
2. 齒輪箱的設計評估
2.1送審文件
當申請我社對齒輪箱進行設計評估時，設計方至少應向我社提交以下圖紙及技術文件：
（1） 齒輪箱裝配圖、部件圖、箱體圖、傳動軸和齒輪的單獨部件圖及附有材料數據的零件清單；
（2） 所有傳扭零部件的強度分析報告，齒輪軸承尺寸及在功率傳輸過程中重要螺紋連接件的分析報告；
（3） 潤滑系統圖及有關監控裝置和輔助設備資料；
（4） 防腐技術要求；
（5） 采用該齒輪箱的風力發電機組的技術規格書，其中應包括對齒輪箱的技術參數要求（備查）。
2.2齒輪箱的設計原則應符合本社《風力發電機給認證規范》第6.5.2條的要求。
2.3齒輪箱的設計載荷
（1） 風力發電機組安裝地點的典型載荷譜是齒輪箱計算的基礎。載荷譜既可以通過測量又可以根據本社《風力發電機組認證規范》第４章計算確定。
（2） 齒輪箱傳扭零件在運行中，同時承受驅動力矩施加的靜載荷和動載荷。動載荷取決于驅動側（風輪）和被驅動側（發電機）的特性，驅動部分和被驅動部分（軸和聯軸器）的質量、剛度和阻尼值，以及外界條件作用在風力發電機組上的載荷。
（3） 當采用實測載荷譜計算時，取動載荷放大因子KA＝1。
（4） 當采用本社規范計算載荷譜時，放大因子KA應按規范中相應規定選取。
2.4 齒輪箱的極限載荷
（1） 應按本社接受的規范／標準對輪齒進行極限狀態分析，且應提供齒根抗斷裂疲勞強度和齒面抗點蝕強度的計算報告。
（2） 應對抗斷裂和抗點蝕進行靜強度分析。
2.5 強度計算
2.5.1齒輪
（1） 靜強度計算：靜強度分析應以作用于齒輪箱上的最大轉矩為基礎。靜強度計算應按GB/T3480（或DIN3990）規定的方法進行。安全系數的選取應符合本社《風力發電機組認證規范》6.5.3條的要求。
（2） 疲勞強度計算：輪齒的疲勞強度分析應建立在輪齒應力分析和確定其疲勞特性（S－N曲線）基礎上。前者可根據載荷譜采用應力分析程序進行，后者可查有關手冊或通過試驗獲得。疲勞損傷破壞根據線性損傷累積理論來確定。疲勞分析可按GB/T3480或DIN3990規定的方法進行。安全系數的選取應符合本社《風力發電機組認證規范》第6.5.3條的要求。
2.5.2 軸及其連接件
（1） 所有的軸均應進行疲勞強度和靜強度分析。對連接件（如鍵、伸縮接頭）一般可僅進行靜強度分析。
（2） 靜強度計算應以最大轉矩為基礎，其最大計算應力相對于材料的屈服點應具有大于1.1倍的安全系數。
（3） 疲勞強度計算應符合本社《風力發電機組認證規范》6.5.4的要求。
（4） 在功率傳輸過程中采用螺紋聯接時，應按有關標準進行螺紋聯接強度分析。
（5） 如箱體要承受風輪載荷時，應對箱體進行強度或變形的有限元分析。
2.5.3 滾動軸承
（1） 軸承應按GB/T6391或軸承制造商的計算指南進行計算。
（2） 軸承在最大載荷下的靜承載能力fs系數應不小于2.0。輸入軸軸承的靜強度計算須計入風輪的附加靜負荷。
（3） 軸承使用壽命采用擴展壽命計算方法進行，計算中所用的失效概率設定為10％。
（4） 計算壽命應不小于130000小時。
2.6 齒輪箱設計評估檢驗項目表
在齒輪箱設計評估過程中，可參照以下檢驗項目表，逐項審查是否符合本社規范及本社接受的其它規范或標準的要求。

表1 送 審 文 件 項 目 表
① 設計方是否提交了下述圖紙： 是 否 備 注
1. 齒輪箱裝配圖2. 箱體詳圖3. 齒輪詳圖4. 軸系詳圖5. 軸承詳圖 6. 零部件清單（包含材料數據）7. 潤滑系統圖8. 潤滑系統材料清單
② 設計方是否提交了下述計算書
1. 齒輪計算書2. 軸承計算書3. 軸計算書4. 箱體計算書5. 螺紋連接件計算書

表2 齒 輪 設 計 評 審 項 目 表

① 檢查齒輪圖中是否確定了下列參數： 是 否 備 注
1. 齒數（Z）2. 螺旋角（β）3. 面寬（b）4. 剖面變換系數（X）5. 跨距（Wk）6. 通用模數（mn）7. 通用壓力角（αn）8. 端部倒角9. 邊緣倒角10. 剖面修正11.螺旋修正

② 精度及公差 是 否 備 注
1. 精度說明書2. 精度等級3. 剖面總偏差4. 剖面傾斜偏差5. 剖面形式偏差6. 總的螺旋偏差7. 螺旋斜面偏差8. 螺旋形式偏差9. 單螺距偏差10. 總累積螺距偏差11. 外形尺寸公差12. 螺旋公差13. 輪齒表面硬度公差
③ 齒輪材料特性
1. 材料形式2. 合金材料3. 材料等級4. 熱處理5. 有效打磨深度6. 核心硬度7. 回火表面點蝕
④ 齒輪計算書
下列參數的取值是否合理？
1. 載荷譜2. 材料等級3. 輪齒精度4. 表面硬度5. 載荷分布系數6. 動力系數7. 輪齒溫度8. 潤滑運動粘度9. 潤滑壓力－粘度系數10. 輪齒表面糙度11. 壽命12. 橫向接觸率13. 軸向接觸率

表3 軸 承 設 計 評 審 項 目 表

① 軸承下列參數是否符合規范要求： 是 否 備 注
1. 軸承壽命2. 軸承類型3. 軸承布置4. 軸承軸與箱體的配合5. 軸承支架6. 軸承內部余量7. 軸承裝配8. 潤滑方式9. 行星齒輪輪緣厚度10. 軸承材料
② 軸承圖是否確定了下列參數
1. 軸尺寸2. 軸材料3. 軸硬度4. 直徑公差5. 長度公差6. 平直度公差7. 圓度公差8. 平行度公差9. 表面硬度公差
③ 鍵槽的設計是否避免了應力集中
④ 鍵槽邊緣是否光順
⑤ 鍵槽應沒有延伸到軸承的邊緣
⑥ 若軸采用合金鋼是否具有足夠硬度
⑦ 齒輪箱的裝配是否會損壞軸
⑧ 軸與軸承內表面是否配合緊密
⑨ 軸計算書是否滿足以下要求？
1. 是否采用認可的計算方法2. 計算扭矩時是否忽略了鍵的影響3. 軸與齒輪的配合是否考慮了公差4. 滑動扭矩是否足夠傳遞峰值載荷5. 是否用最小疲勞載荷計算了變形量6. 最大變形量是否考慮了載荷分布系數7. 軸承最大斜度是否在軸承廠推薦范圍內8. 疲勞安全系數9. 屈服安全系數

表4 密 封 設 計 評 審 項 目 表

① 圖紙中是否確定了下列參數？ 是 否 備 注
1. 密封類型2. 密封尺寸3. 密封材料4. 密封與軸的間隙5. 軸直徑、表面糙度、間隙公差6. 外殼直徑、表面糙度、安裝間隙
② 裝配 備 注

1. 齒輪箱的裝配是否可能損壞密封部件2. 是否提供了密封安裝程序3. 密封件與軸的間隙是否符合密封廠家的推薦值4. 邊界尺寸是否符合軸封廠家的推薦值
③ 密封設計是否符合規范或標準要求
1. 是否采用V型圈使油封與雜物隔離2. 密封壽命3. 密封類型4. 密封布置5. 密封間隙6. 密封更換

表5 潤 滑 系 統 設 計 評 審 表

① 圖中提供了下列潤滑系統參數嗎： 是 否 備 注
1. 潤滑系統材料清單2. 潤滑系統備件清單3. 潤滑系統維護手冊4. 潤滑油類型5. 潤滑油粘度6. 潤滑油質量7. 潤滑油更換間隔期
② 潤滑系統設計
1. 潤滑油質量是否符合要求2. 油泵容量是否足夠3. 釋放閥壓力是否≥3.5bar4. 過濾器易于更換嗎？5. 潤滑油冷卻器容量是否足夠6. 加熱器容量是否足夠7. 潤滑管系內表面是否打了油漆8. 潤滑管系內表面是否光順9. 排油口是否處在最低點 簽發齒輪

2.7 評估結論
本社確認齒輪箱的設計符合本社規范及本社接受的相關標準的要求后，將箱設計評估符合證明，并在相應的圖紙、技術文件上蓋評估合格章。
3.齒輪箱的檢驗
3.1齒輪箱的制造廠應按本社《產品檢驗規則》的要求向本社申請產品檢驗。3.2齒輪箱的型式認可
有下列情況之一時，齒輪箱生產廠應向本社申請型式認可：
（1） 新產品的試制定型鑒定時；
（2） 產品的設計、工藝等方面有重大改變時；
（3） 出廠檢驗的結果與上次型式認可有較大差異時。
3.3型式認可后的制造檢驗
本社驗船師在齒輪箱的制造過程中應到工廠進行有重點的檢驗，如對主要材料、零部件、工序質量進行檢查和監督。見證有關的試驗、測量等，并包括審查有關質量記錄和核查外購的或分包方提供的材料、零部件是否符合要求，及在產品完工后參加有關試驗和進行檢查。檢驗滿意后，在齒輪箱上加以本社檢驗標志和其它有關項目（如產品證書號等）的標識，并頒發產品合格證書。
3.4檢驗項目與方法
除另有規定外，齒輪箱的檢驗項目和檢驗方法應符合表1的規定。
表1 檢驗項目和方法
序號 檢驗項目 型式檢驗 出廠檢驗 檢驗方法
1 材質 △ △ GB/T8539等有關標準
2 外觀 △ △ 目測
3 接觸斑點 △ － GB/T13924
4 清潔度 △ － JB/T7929
5 空載試驗 △ * 表2
6 性能試驗 △ － 表2
7 齒面接觸疲勞壽命試驗 △ － 表2
8 噪聲 △ － GB/T6404
9 振動 △ － GB/T8543
10 空載功率損耗 △ △ 表2
11 密封 △ △ 目測
注：打“△“為進行的檢驗項目；對“－”為不作規定的檢驗項目；打“*”為按照制造廠試驗臺位作部分加載試驗。
3.5運載試驗
齒輪箱運轉試驗應符合表2的規定。

表2試驗內容

序 號 項目名稱 試驗項目 說明
序號 試驗內容
I 空載試驗 在額定轉速下，正、反兩方向運轉不少于1h。要求：
1 連接件、緊固件不松動；
2 密封處接合處不漏油、不滲油；
3 運轉平穩、無沖擊；
4 潤滑充分。檢查軸承和油池溫度。每5min記錄一次油壓、油溫。
II 性能試驗 空載試驗合格后，在額定轉速下進行逐級加載試驗。按規定25％、50％、75％的額定負載各運轉30min。按100％額定負載運轉120min，110%超負載運轉30min，要求： 可根據制造廠試驗條件確定加載要求
5 在正常運轉情況下，每隔10min測定并記錄一次轉速、負載（扭矩）、油溫、油壓及各軸承擋外殼溫度。
6 在額定轉速和100％額定負載下，測定齒輪箱的噪聲、振動。 可根據制造廠試驗條件，在臺位最大負荷下進行
7 齒面接觸斑點，輪齒齒面狀況檢查
III 空載功率損耗測定 8 在額定轉速，油溫穩定在45℃～65℃，空載工況下測定齒輪箱功率損耗。
IV 齒面接觸疲勞壽命試驗 9 在額定負荷下高速齒輪的應力循環數：調質齒輪、淬火齒輪為5×107。檢驗項目與本表序號5～7相同。 允許用工業應用試驗代替疲勞壽命試驗

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