风力发电机组齿轮箱评估指南

风力发电机组齿轮箱评估指南

1.1本指南适用于水平轴风力发电机组（风轮扫掠面积大于或等于40ｍ２）中使用平行轴或行星齿轮传动的齿轮箱。
1.2本指南根据中国船级社《风力发电机组认证规范》对风力发电机组齿轮箱的设计评估及制造检验的内容、方法及程序作出规定。
2. 齿轮箱的设计评估
2.1送审文件
当申请我社对齿轮箱进行设计评估时，设计方至少应向我社提交以下图纸及技术文件：
（1） 齿轮箱装配图、部件图、箱体图、传动轴和齿轮的单独部件图及附有材料数据的零件清单；
（2） 所有传扭零部件的强度分析报告，齿轮轴承尺寸及在功率传输过程中重要螺纹连接件的分析报告；
（3） 润滑系统图及有关监控装置和辅助设备资料；
（4） 防腐技术要求；
（5） 采用该齿轮箱的风力发电机组的技术规格书，其中应包括对齿轮箱的技术参数要求（备查）。
2.2齿轮箱的设计原则应符合本社《风力发电机给认证规范》第6.5.2条的要求。
2.3齿轮箱的设计载荷
（1） 风力发电机组安装地点的典型载荷谱是齿轮箱计算的基础。载荷谱既可以通过测量又可以根据本社《风力发电机组认证规范》第４章计算确定。
（2） 齿轮箱传扭零件在运行中，同时承受驱动力矩施加的静载荷和动载荷。动载荷取决于驱动侧（风轮）和被驱动侧（发电机）的特性，驱动部分和被驱动部分（轴和联轴器）的质量、刚度和阻尼值，以及外界条件作用在风力发电机组上的载荷。
（3） 当采用实测载荷谱计算时，取动载荷放大因子KA＝1。
（4） 当采用本社规范计算载荷谱时，放大因子KA应按规范中相应规定选取。
2.4 齿轮箱的极限载荷
（1） 应按本社接受的规范／标准对轮齿进行极限状态分析，且应提供齿根抗断裂疲劳强度和齿面抗点蚀强度的计算报告。
（2） 应对抗断裂和抗点蚀进行静强度分析。
2.5 强度计算
2.5.1齿轮
（1） 静强度计算：静强度分析应以作用于齿轮箱上的最大转矩为基础。静强度计算应按GB/T3480（或DIN3990）规定的方法进行。安全系数的选取应符合本社《风力发电机组认证规范》6.5.3条的要求。
（2） 疲劳强度计算：轮齿的疲劳强度分析应建立在轮齿应力分析和确定其疲劳特性（S－N曲线）基础上。前者可根据载荷谱采用应力分析程序进行，后者可查有关手册或通过试验获得。疲劳损伤破坏根据线性损伤累积理论来确定。疲劳分析可按GB/T3480或DIN3990规定的方法进行。安全系数的选取应符合本社《风力发电机组认证规范》第6.5.3条的要求。
2.5.2 轴及其连接件
（1） 所有的轴均应进行疲劳强度和静强度分析。对连接件（如键、伸缩接头）一般可仅进行静强度分析。
（2） 静强度计算应以最大转矩为基础，其最大计算应力相对于材料的屈服点应具有大于1.1倍的安全系数。
（3） 疲劳强度计算应符合本社《风力发电机组认证规范》6.5.4的要求。
（4） 在功率传输过程中采用螺纹联接时，应按有关标准进行螺纹联接强度分析。
（5） 如箱体要承受风轮载荷时，应对箱体进行强度或变形的有限元分析。
2.5.3 滚动轴承
（1） 轴承应按GB/T6391或轴承制造商的计算指南进行计算。
（2） 轴承在最大载荷下的静承载能力fs系数应不小于2.0。输入轴轴承的静强度计算须计入风轮的附加静负荷。
（3） 轴承使用寿命采用扩展寿命计算方法进行，计算中所用的失效概率设定为10％。
（4） 计算寿命应不小于130000小时。
2.6 齿轮箱设计评估检验项目表
在齿轮箱设计评估过程中，可参照以下检验项目表，逐项审查是否符合本社规范及本社接受的其它规范或标准的要求。

表1 送 审 文 件 项 目 表
① 设计方是否提交了下述图纸： 是 否 备 注
1. 齿轮箱装配图2. 箱体详图3. 齿轮详图4. 轴系详图5. 轴承详图 6. 零部件清单（包含材料数据）7. 润滑系统图8. 润滑系统材料清单
② 设计方是否提交了下述计算书
1. 齿轮计算书2. 轴承计算书3. 轴计算书4. 箱体计算书5. 螺纹连接件计算书

表2 齿 轮 设 计 评 审 项 目 表

① 检查齿轮图中是否确定了下列参数： 是 否 备 注
1. 齿数（Z）2. 螺旋角（β）3. 面宽（b）4. 剖面变换系数（X）5. 跨距（Wk）6. 通用模数（mn）7. 通用压力角（αn）8. 端部倒角9. 边缘倒角10. 剖面修正11.螺旋修正

② 精度及公差 是 否 备 注
1. 精度说明书2. 精度等级3. 剖面总偏差4. 剖面倾斜偏差5. 剖面形式偏差6. 总的螺旋偏差7. 螺旋斜面偏差8. 螺旋形式偏差9. 单螺距偏差10. 总累积螺距偏差11. 外形尺寸公差12. 螺旋公差13. 轮齿表面硬度公差
③ 齿轮材料特性
1. 材料形式2. 合金材料3. 材料等级4. 热处理5. 有效打磨深度6. 核心硬度7. 回火表面点蚀
④ 齿轮计算书
下列参数的取值是否合理？
1. 载荷谱2. 材料等级3. 轮齿精度4. 表面硬度5. 载荷分布系数6. 动力系数7. 轮齿温度8. 润滑运动粘度9. 润滑压力－粘度系数10. 轮齿表面糙度11. 寿命12. 横向接触率13. 轴向接触率

表3 轴 承 设 计 评 审 项 目 表

① 轴承下列参数是否符合规范要求： 是 否 备 注
1. 轴承寿命2. 轴承类型3. 轴承布置4. 轴承轴与箱体的配合5. 轴承支架6. 轴承内部余量7. 轴承装配8. 润滑方式9. 行星齿轮轮缘厚度10. 轴承材料
② 轴承图是否确定了下列参数
1. 轴尺寸2. 轴材料3. 轴硬度4. 直径公差5. 长度公差6. 平直度公差7. 圆度公差8. 平行度公差9. 表面硬度公差
③ 键槽的设计是否避免了应力集中
④ 键槽边缘是否光顺
⑤ 键槽应没有延伸到轴承的边缘
⑥ 若轴采用合金钢是否具有足够硬度
⑦ 齿轮箱的装配是否会损坏轴
⑧ 轴与轴承内表面是否配合紧密
⑨ 轴计算书是否满足以下要求？
1. 是否采用认可的计算方法2. 计算扭矩时是否忽略了键的影响3. 轴与齿轮的配合是否考虑了公差4. 滑动扭矩是否足够传递峰值载荷5. 是否用最小疲劳载荷计算了变形量6. 最大变形量是否考虑了载荷分布系数7. 轴承最大斜度是否在轴承厂推荐范围内8. 疲劳安全系数9. 屈服安全系数

表4 密 封 设 计 评 审 项 目 表

① 图纸中是否确定了下列参数？ 是 否 备 注
1. 密封类型2. 密封尺寸3. 密封材料4. 密封与轴的间隙5. 轴直径、表面糙度、间隙公差6. 外壳直径、表面糙度、安装间隙
② 装配 备 注

1. 齿轮箱的装配是否可能损坏密封部件2. 是否提供了密封安装程序3. 密封件与轴的间隙是否符合密封厂家的推荐值4. 边界尺寸是否符合轴封厂家的推荐值
③ 密封设计是否符合规范或标准要求
1. 是否采用V型圈使油封与杂物隔离2. 密封寿命3. 密封类型4. 密封布置5. 密封间隙6. 密封更换

表5 润 滑 系 统 设 计 评 审 表

① 图中提供了下列润滑系统参数吗： 是 否 备 注
1. 润滑系统材料清单2. 润滑系统备件清单3. 润滑系统维护手册4. 润滑油类型5. 润滑油粘度6. 润滑油质量7. 润滑油更换间隔期
② 润滑系统设计
1. 润滑油质量是否符合要求2. 油泵容量是否足够3. 释放阀压力是否≥3.5bar4. 过滤器易于更换吗？5. 润滑油冷却器容量是否足够6. 加热器容量是否足够7. 润滑管系内表面是否打了油漆8. 润滑管系内表面是否光顺9. 排油口是否处在最低点 签发齿轮

2.7 评估结论
本社确认齿轮箱的设计符合本社规范及本社接受的相关标准的要求后，将箱设计评估符合证明，并在相应的图纸、技术文件上盖评估合格章。
3.齿轮箱的检验
3.1齿轮箱的制造厂应按本社《产品检验规则》的要求向本社申请产品检验。3.2齿轮箱的型式认可
有下列情况之一时，齿轮箱生产厂应向本社申请型式认可：
（1） 新产品的试制定型鉴定时；
（2） 产品的设计、工艺等方面有重大改变时；
（3） 出厂检验的结果与上次型式认可有较大差异时。
3.3型式认可后的制造检验
本社验船师在齿轮箱的制造过程中应到工厂进行有重点的检验，如对主要材料、零部件、工序质量进行检查和监督。见证有关的试验、测量等，并包括审查有关质量记录和核查外购的或分包方提供的材料、零部件是否符合要求，及在产品完工后参加有关试验和进行检查。检验满意后，在齿轮箱上加以本社检验标志和其它有关项目（如产品证书号等）的标识，并颁发产品合格证书。
3.4检验项目与方法
除另有规定外，齿轮箱的检验项目和检验方法应符合表1的规定。
表1 检验项目和方法
序号 检验项目 型式检验 出厂检验 检验方法
1 材质 △ △ GB/T8539等有关标准
2 外观 △ △ 目测
3 接触斑点 △ － GB/T13924
4 清洁度 △ － JB/T7929
5 空载试验 △ * 表2
6 性能试验 △ － 表2
7 齿面接触疲劳寿命试验 △ － 表2
8 噪声 △ － GB/T6404
9 振动 △ － GB/T8543
10 空载功率损耗 △ △ 表2
11 密封 △ △ 目测
注：打“△“为进行的检验项目；对“－”为不作规定的检验项目；打“*”为按照制造厂试验台位作部分加载试验。
3.5运载试验
齿轮箱运转试验应符合表2的规定。

表2试验内容

序 号 项目名称 试验项目 说明
序号 试验内容
I 空载试验 在额定转速下，正、反两方向运转不少于1h。要求：
1 连接件、紧固件不松动；
2 密封处接合处不漏油、不渗油；
3 运转平稳、无冲击；
4 润滑充分。检查轴承和油池温度。每5min记录一次油压、油温。
II 性能试验 空载试验合格后，在额定转速下进行逐级加载试验。按规定25％、50％、75％的额定负载各运转30min。按100％额定负载运转120min，110%超负载运转30min，要求： 可根据制造厂试验条件确定加载要求
5 在正常运转情况下，每隔10min测定并记录一次转速、负载（扭矩）、油温、油压及各轴承挡外壳温度。
6 在额定转速和100％额定负载下，测定齿轮箱的噪声、振动。 可根据制造厂试验条件，在台位最大负荷下进行
7 齿面接触斑点，轮齿齿面状况检查
III 空载功率损耗测定 8 在额定转速，油温稳定在45℃～65℃，空载工况下测定齿轮箱功率损耗。
IV 齿面接触疲劳寿命试验 9 在额定负荷下高速齿轮的应力循环数：调质齿轮、淬火齿轮为5×107。检验项目与本表序号5～7相同。 允许用工业应用试验代替疲劳寿命试验

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