基于载荷条件及失效相关的风电齿轮箱寿命建模

Considering the situation that the 20 years service life of wind turbine gearbox in china is of low confidence, this project will study the life modeling of wind turbine gearbox by combining theoretical analysis and data validation method, which is based on the probabilistic criteria of component failure and the statistical dependences among component failure events. The research mainly includes two parts. (1) Using stationary process, Poisson process and Gamma process to describe the random behavior of fatigue load, extreme load and strength degradation of components, respectively, we will develop the component dynamic reliability model under the conditions in which fatigue load coexist with extreme load is developed. (2) Introducing Copula Theory to describe the failure dependence among gearbox components, we will explore the relationship between gearbox performance and all independent components performance, and furthermore establish the gearbox life model based on failure dependences. All research results are integrated to form a basic method for life modeling of wind turbine gearbox from system level to component level. This project will solve the key scientific problems in life design of wind turbine gearbox, and is correspond with two important research directions determined in developing strategy for Chinese mechanical engineering discipline for the future 5-10 years. This project will also provide effective approach for building and improving the design theory and standards of wind turbine gearbox in china with important academic contributions and practical application prospects.

针对我国风电齿轮箱20年设计寿命置信度不高的现状，本项目将基于零件失效的概率判据及零件失效过程的统计相关性，采用理论分析与数据验证相结合的方法研究风电齿轮箱寿命建模问题。内容包括：⑴采用平稳过程、Poisson过程和Gamma过程分别描述疲劳载荷、极端载荷及强度退化的随机行为，建立疲劳载荷与极端载荷共存环境下齿轮箱零件的动态可靠度模型；⑵引入Copula理论描述齿轮箱零件失效过程的相关性，揭示齿轮箱整体性能与各独立零件性能之间的统计学关系，建立基于失效相关的齿轮箱寿命模型。研究结果综合形成"系统级到零件级"的风电齿轮箱寿命建模的基本方法。本项目旨在解决风电齿轮箱寿命设计的关键科学问题，符合未来5-10年我国机械工程学科发展战略部署的两个重要研究方向。为建立和完善我国风电齿轮箱的设计理论及设计标准提供有效途径，具有重要的理论意义和工程价值。

由于风电齿轮箱长期在复杂工况条件下服役，齿轮箱各零件之间以及同一零件不同失效模式之间均存在统计相关性。本项目以此为工程背景，研究了复杂载荷环境下风电齿轮箱可靠性分析与寿命设计的若干基础问题，主要成果如下：(1) 在齿轮箱零件动态可靠度建模方面，以齿轮箱零件特定的载荷环境(疲劳载荷与极端载荷共存)及其强度退化的宏观特征(随机性和不可逆性)为切入点。首先，运用平稳过程和Poisson过程分别描述疲劳载荷与极端载荷的作用规律，并根据载荷谱及机组运行记录确定出两种随机模型中的特征参数；然后，采用Gamma过程描述齿轮箱零件强度的随机退化量，针对强度退化数据的缺失问题，提出利用P-S-N曲线对Gamma过程特征参数进行求解的一般方法；最后，基于应力-强度干涉理构建了疲劳载荷与极端载荷共存条件下齿轮箱零件的动态可靠度模型，并给出了其失效的概率判据。(2) 在基于Copula函数的齿轮箱系统寿命建模方面，以齿轮箱零件失效过程的相关性描述为切入点，考虑不同层面(零件层面和系统层面)失效相关性的非线性及非对称性特征。首先，将齿轮箱传动链拆分为若干个典型传动副，并选择合适类型的二元Copula函数描述其失效相关性；然后，针对齿轮箱系统失效相关性的复杂性与多变性问题，采用线性组合的方式构造出能够灵活反映齿轮箱传动链全部组成零件失效相关性的多维混合Copula函数；最后，根据零件寿命分布函数及构造的混合Copula函数建立了失效相关条件下齿轮箱系统的寿命模型。(3) 在基于现场数据的齿轮箱及其零部件寿命统计建模方面，从故障数据与无故障数据两个方面入手，运用Bayes方法和最优置信限法确定了齿轮箱及其零部件的寿命分布规律，验证了所建模型(齿轮箱零件动态可靠度模型和齿轮箱系统寿命模型)的有效性。上述成果综合形成“系统级到零件级”的风电齿轮箱寿命建模理论与方法，为风电齿轮箱可靠性设计提供了必要的理论依据。