强冲量激励下风电齿轮依载荷谱磨损响应与诱变机理研究

The loads of wind turbine gears (WTG) present high frequency and amplitude fluctuation under the strong-impluse excitation, such as extreme gust, low-speed start or emergency braking, significantly affecting the gear wear performance and safety. This project is to reveal the WTG wear evolution mechanism corresponding to the loading spectrum (LS) based on the experimental wear data, by designing the parameters of the wear type remarkable level, the accumulation wear based on loading process, and the wear type induction. The detail research contents include: (i) designing and testing the loading devices with multiple spring oscillators in parallel connection way, to produce the high-frequency varying-amplitude semi-pulsating cyclic loading; (ii) designing the debris boundary shape parameters based on the orientation parameter of debris boundary points, to intelligently recognize and multiply classify debris, and then quantify the wear response to LS ; (iii) establishing the mathematical model of wear duration state according to the characterization parameters of current wear state, loading characteristics and wear process under LS. This study is expected to solve the problems of WTG wear quantitative assessment, elucidate the wear evolution regularity, provide the scientific evidence of WTG wear sensibility under single-factor loading, and obtain the important academic value and engineering applications.

受极端强阵风、低速启动或紧急制动等强冲量激励，风电载荷表现为高频变幅循环波动，严重影响齿轮系磨损性能和运行安全。本项目基于变载下齿轮磨损实验数据，构建磨损类型显著度参数，依载荷累计磨损量参数及磨损类型变异系数等参数，提出关联载荷的齿轮磨损性能表征方法，探究齿轮依载荷谱磨损响应及类型诱变机理。具体研究内容方法包括：（1）设计异型弹簧振子并联耦合形式的机械加载装置，获取实验用高频变幅半脉动循环载荷谱；（2）提出磨粒边界点径向辐射定位方法，基于磨粒表征参数和优化的分类回归树算法，实现磨粒类型智能识别与多级分类，量化表征齿轮依载荷谱磨损响应；（3）基于磨损类型、载荷特征及依载荷磨损历程等时间序列数据，建立风电齿轮依载荷谱磨损状态驻留数学模型。本研究解决了风电齿轮依载荷谱磨损性能的量化评估问题，阐明其磨损诱变规律，为齿轮对载荷的单因素磨损敏感度研究提供了科学依据，具有重要学术意义和工程应用价值。

风机齿轮传动系统是传递动力和运动的核心部件，在极端工况条件下，如超强阵风、低速启动和紧急制动等，极易引起的异常高能量冲击，产生初始缺陷，齿轮承受高频简谐波动载荷和初始缺陷时齿面的接触应力急剧变化，磨损加剧，运行状态极易失稳。.鉴于高能量外部激励对风电齿轮磨损性能影响严重，拆机检修又非常困难，项目采用动态加载的实验方式，深入研究了风电齿轮依载荷谱磨损特征，掌握了磨损性能变化趋势和磨损类型诱变规律，实现了对风电齿轮全寿命周期的磨损性能准确量化评估。主要研究内容以高频简谐动载、风电齿轮和磨损特征为研究要素，通过设计加载系统结构并建模，输出模拟载荷谱，基于量纲分析的相似性理论设计齿轮实验动态加载条件，依据油液磨粒监测、识别和磨痕定性分析的数据结果，对磨损性能表征指数进行数学建模，分析了不同磨损类型之间相互诱变特征。.研究结果表明，在不同工况下，由于齿轮齿面发生微观位置变化，相互啮合时产生交变接触应力较大，导致摩擦副的表面材料产生弹性塑性形变，进而使轮齿表面发生反复形变使齿面出现裂纹和剥落磨粒，从而导致严重的齿面疲劳磨损。在摩擦阻尼和辐射阻尼的作用下，载荷形式表现为高频、变幅特征，其中对磨损性能影响最大的为高频非稳定循环载荷成分，稳定阶段磨损率增大50%以上，工作寿命缩短近20%。在交变载荷的影响下，分度圆处点蚀面积相对较大，齿面点蚀面积大占观测区域的40%，拓展性点蚀较多；齿根处磨损最为严重，表面材料脆性大大增加，非常容易脱落形成磨粒，最大粒径超过90 μm，污染润滑油液加剧磨损进程。.项目揭示了齿轮依载荷谱磨损诱变机理，通过对不同齿轮进行实验，研究了不同工况下风电齿轮磨损状态的影响，充实了磨损识别方面的理论基础，促进风电齿轮在故障诊断、维修保养以及可靠性评价等方面的发展，为大型传动设备的磨损识别提供了良好的参考价值，研究内容和实验设计对风电齿轮的健康评估和标准制定都具有重要的科学意义。