核电厂重要泵齿轮箱可运行状态评价方法

摘要

本发明公开了一种核电厂重要泵齿轮箱可运行状态评价方法，包括以下步骤：S1、定期对重要泵齿轮箱的齿轮进行表面形貌检测，根据失效标准判断齿轮是否失效；S2、建立材料循环应力应变曲线，S3、确定应力历程；S4、绘制S‑N曲线；S5、建模分析：建立齿轮箱运行模型，采用应力仿真分析获取齿轮动态啮合过程中齿轮表面不同位置的应力状态；S6、疲劳寿命计算：计算齿轮组中各个部件齿轮的疲劳断裂时的寿命，同时可以得到齿轮表面不同位置的应力状态。本发明提供一种有效的齿轮箱可运行寿命评价方法，作为判断齿轮箱可运行性的有效评价手段，以提高设备运行可靠性并指导现场运维策略。

说明书

技术领域

本发明属于核电技术领域，涉及齿轮箱可运行寿命评价方法，尤其涉及一种核电厂重要泵齿轮箱可运行状态评价方法。

背景技术

核电厂重要泵组所配备齿轮箱存在传递功率大、可靠性要求高等技术特点，长期运行多次出现齿轮齿面剥落、甚至疲劳导致断齿的情况。对于核电厂重要泵组如循环水泵，如发生齿轮箱失效问题，将导致机组降功率甚至停机，造成重大经济损失。因此有必要研究核电厂重要泵齿轮箱失效机理，提前预测齿轮箱的运行寿命，并研究一套完整的齿轮箱可运行性进行评价技术方法，以指导重要泵齿轮箱现场运维工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种有效的齿轮箱可运行寿命评价方法，作为判断齿轮箱可运行性的有效评价手段，以提高设备运行可靠性并指导现场运维策略。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种核电厂重要泵齿轮箱可运行状态评价方法，包括以下步骤：

S1、定期对重要泵齿轮箱的齿轮进行表面形貌检测，根据失效标准判断齿轮是否失效，若达到失效标准，则更换新齿轮；没有达到失效标准，则进行下一步；

S2、建立材料循环应力应变曲线：依据现场使用齿轮实际材料和表面处理状态，建立以应变ε为横坐标、应力σ为纵坐标连接起来的迟滞环顶点的循环应力-应变曲线；

S3、确定应力历程：通过对接口设备进行实测或根据设计参数，确定泵电机载荷-时间历程，针对齿轮危险点位置，根据循环应力-应变曲线将载荷-时间历程转成齿轮危险点位置的局部应力-时间历程；

S4、绘制S-N曲线：制作与齿轮箱的齿轮一致的试件进行疲劳试验，测出试件断裂时的循环数N后绘制S-N曲线；

S5、建模分析：建立齿轮箱运行模型，采用应力仿真分析获取齿轮动态啮合过程中齿轮表面不同位置的应力状态；

S6、疲劳寿命计算：通过下式分别计算齿轮组中各个部件齿轮的疲劳断裂时的寿命；

式中，l-变幅载荷的应力水平级数；

n

N

D-总疲劳损伤；

N-疲劳寿命；

t

T-疲劳寿命时间，单位年。

进一步地，所述的核电厂重要泵齿轮箱可运行状态评价方法中，优选所述步骤S5中，增加不同齿轮表面粗糙度下仿真分析获取齿轮动态啮合过程中齿轮表面不同位置的应力状态。

进一步地，所述的核电厂重要泵齿轮箱可运行状态评价方法中，优选所述步骤S2中，通过金相组织取样分析获取齿轮的表面处理状态。

进一步地，所述的核电厂重要泵齿轮箱可运行状态评价方法中，优选所述步骤S3中，所述通过对接口设备的实测或根据设计参数，确定泵电机载荷-时间历程为：在泵组实际运行时，实测接口设备传递转矩、启泵初期瞬态变化的数据，计算得到传递至齿轮副的转矩；同时根据齿轮设计经验数据，以及启停冲击使用系数和齿轮副的载荷不均匀系数后得到泵电机载荷-时间历程。

进一步地，所述的核电厂重要泵齿轮箱可运行状态评价方法中，优选所述步骤S4中，绘制S-N曲线指：对试件进行疲劳试验，在一定平均应力σm或一定的循环特征R下施加不同的应力幅，测出试件断裂时的循环数N；以σmax为纵坐标，N为横坐标，画点并连接得相应于的S-N曲线。

进一步地，所述的核电厂重要泵齿轮箱可运行状态评价方法中，优选所述步骤S5中，所述建立齿轮箱运行模型为：依据齿轮箱设计或实测参数，采用有限元方法建立齿轮箱运行的三维模型。

进一步地，所述的核电厂重要泵齿轮箱可运行状态评价方法中，优选所述步骤S5中，所述应力仿真分析是将齿轮箱按照个齿轮啮合作用分成至少两个局部啮合结构进行仿真分析。

进一步地，所述的核电厂重要泵齿轮箱可运行状态评价方法中，优选所述步骤S5中，应力仿真分析依据不同齿轮部件的材料属性、表面摩擦状态条件，分别计算齿轮组中各个部件齿轮的疲劳断裂时的寿命，同时得到齿轮表面不同位置的应力状态。

本发明以核电厂重要泵组实际工作工况为基础，利用检测、仿真计算与现场实际工作工况相结合的手段，计算齿轮箱工作过程中最大应力区域，并模拟计算齿轮箱轮齿结构理论运行剩余寿命。该评价方法可靠、作为齿轮箱现场运行在役检查及制定相关运维策略的依据。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的框图；

图2是本发明实施例的循环应力-应变曲线图；

图3本发明实施例的材料的S-N曲线图；

图4本发明实施例的太阳轮-行星轮局部结构的离散化模型；

图5本发明实施例的太阳轮的离散网格细化示意图；

图6本发明实施例的太阳轮的离散网格细化局部放大图；

图7本发明实施例的行星轮-内齿圈局部结构的离散化模型；

图8本发明实施例的内齿圈的离散网格细化示意图；

图9本发明实施例的内齿圈的离散网格细化局部放大图；

图10本发明实施例的不同粗糙度下各个齿轮寿命曲线图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，一种核电厂重要泵齿轮箱可运行状态评价方法，包括以下步骤：

S1、定期对重要泵齿轮箱的齿轮进行表面形貌检测，根据失效标准判断齿轮是否失效，若达到失效标准，则更换新齿轮；没有达到失效标准，则进行下一步。

表面形貌检测采用三维非接触式表面形貌仪。三维非接触式表面形貌仪是机械领域常用仪器，不对其进行详细描述。

检测项目包括表面三维形貌、齿面微点蚀和点蚀的深度和大小及其分布。

失效判断标准见JB/T5664-2007或根据运行经验建议直接报废或继续运行。

S2、建立材料循环应力应变曲线：依据现场使用齿轮实际材料和表面处理状态，建立以应变ε为横坐标、应力σ为纵坐标连接起来的迟滞环顶点的循环应力-应变曲线；循环应力-应变曲线是机械领域常规技术，在此不再赘述。

由于载荷-时间历程的确定需要通过接口设备的实测参数或设计参数，主要包括：材料和表面处理状态。其中，齿轮材料根据实际应用场合不同，可以采用不同的材料，例如：钢、铝合金材料。

通过金相组织取样分析获取齿轮的表面处理状态。表面处理状态为热处理状态，热处理包括渗碳热处理、渗氮热处理和一般热处理。

S3、确定应力历程：通过对接口设备进行实测或根据设计参数，确定泵电机载荷-时间历程，针对齿轮危险点位置，根据循环应力-应变曲线将载荷-时间历程转成齿轮危险点位置的局部应力-时间历程；

具体地，所述通过对接口设备进行实测或根据设计参数，确定泵电机载荷-时间历程为：在泵组实际运行时，实测传递转矩、启泵初期瞬态变化的数据，计算得到传递至齿轮副的转矩；同时根据齿轮设计经验数据，以及启停冲击使用系数和齿轮副的载荷不均匀系数后得到泵电机载荷-时间历程。

该步骤的计算和转换是本领域的常规技术，在此不再赘述。

S4、绘制S-N曲线：制作与齿轮箱的齿轮一致的试件进行疲劳试验，测出试件断裂时的循环数N后绘制S-N曲线。

S-N曲线是指外加应力水平和标准试样疲劳寿命之间关系的曲线，这种曲线通常都是表示中值疲劳寿命与外加应力间的关系，所以也称为中值S-N曲线。具体地，绘制S-N曲线指：对试件进行疲劳试验，在一定平均应力σ

FE-SAFE软件提供了了一个全面的材料疲劳特性材料库和材料库管理系统，含有上百种常用的钢、铝合金材料的疲劳材料，并且通过该软件可以直接形成S-N曲线。FE-SAFE提供的S-N曲线为双对数坐标下的曲线。

在无法通过现有资料和已有齿轮疲劳试验S-N曲线，则可以利用材料的抗拉强度(UTS)和弹性模量E近似成材料疲劳数据。

S5、建模分析：建立齿轮箱运行模型，采用应力仿真分析获取齿轮动态啮合过程中齿轮表面不同位置的应力状态。

所述建立齿轮箱运行模型为：依据齿轮箱设计或实测参数，采用有限元方法建立齿轮箱运行的三维模型。

所述应力仿真分析是将齿轮箱按照个齿轮啮合作用分成至少两个局部啮合结构进行仿真分析。

S6、疲劳寿命计算：通过下式分别计算齿轮组中各个部件齿轮的疲劳断裂时的寿命：

式中，l-变幅载荷的应力水平级数；

ni-各应力水平下的循环次数；

Ni-各应力水平下材料发生疲劳破坏时的极限循环次数；

D-总疲劳损伤；

N-疲劳寿命；

ts-仿真时间，单位秒；

T-疲劳寿命时间，单位年。

以下以核电厂CRF循环水泵齿轮箱为例进行详细说明。

核电厂CRF循环水泵齿轮箱包含一套行星齿轮减速装置，由一个太阳轮、内齿圈、行星架、四个行星轮组成。其中太阳轮由电动机轴驱动，泵轴由行星架驱动。

一种核电厂重要泵齿轮箱可运行状态评价方法，包括以下步骤：

S1、定期对重要泵齿轮箱的齿轮进行表面形貌检测，根据失效标准判断齿轮是否失效，若达到失效标准，则更换新齿轮；没有达到失效标准，则进行下一步。

本步骤中，表面形貌检测采用三维非接触式表面形貌仪，三维非接触式表面形貌测量仪采用的是国际最前端的白光轴向色差技术(又称为白光准共聚焦技术)实现快速，高分辨率，大范围的三维表面形貌测量及相关参数测量的。主要用于检测齿面粗糙度，检测项目包括表面三维形貌、齿面微点蚀和点蚀的深度和大小及其分布，其中可以达到精确的点蚀坑数量，微点蚀直径精确到0.001mm。点蚀、剥落的失效判断标准见JB/T5664-2007或根据运行经验建议直接报废或继续运行。

本实施例中对太阳轮、内齿圈、行星架、四个行星轮进行检测，检测结果为：

表1三维表面形貌测量检测结果

通过JB/T5664-2007标准对比，上述行星齿轮减速装置没有达到失效标准，可以继续运行。为了进一步预测该行星齿轮减速装置的剩余运行寿命，进行以下步骤。

如果是新齿轮，则无需进行S1步骤，直接进行S2步骤。

S2、建立材料循环应力应变曲线：依据现场使用齿轮实际材料和表面处理状态，建立以应变ε为横坐标、应力σ为纵坐标连接起来的迟滞环顶点的循环应力-应变曲线。

CRF循环水泵齿轮箱中其主要结构为：行星轮、太阳轮、内齿圈，其中行星轮和太阳轮材料为BS970 G655M13，表面热处理，热处理方式为渗碳淬火；内齿圈材料为BS970722M24T，表面热处理，热处理方式为渗氮。

根据以上材料特征，建立如图2所示的循环应力-应变曲线。

S3、确定应力历程：通过接口设备的实测参数或设计参数，在泵组实际运行时，实测传递转矩、启泵初期瞬态变化的数据，计算得到传递至齿轮副的转矩；同时根据齿轮设计经验数据，以及启停冲击使用系数和齿轮副的载荷不均匀系数后得到泵电机载荷-时间历程，针对齿轮危险点位置，根据循环应力-应变曲线将载荷-时间历程转成齿轮危险点位置的局部应力-时间历程。

本实施例中，齿轮箱的参数为：

表2齿轮箱主要参数

本实施例中，太阳轮上施加转矩Ta，Ta的计算方法如下：

Ta＝9550*P/n/4*KA*Kp

式中：P为电机功率4500Kw

n为太阳轮转速744rpm

KA为使用系数，考虑到启停冲击等因素按经验选取数值为1.6-1.7

Kp为行星载荷不均匀系数，考虑到行星包内部件均为浮动按经验选取的数值为1.05

行星轮上施加转矩Tc，Tc计算方法如下：

Tc＝9550*P/n/4*i*KA*Kp

式中：P为电机功率4500Kw

n为太阳轮转速744rpm

i为行星轮和太阳轮的速比，i＝Zc/Za＝34/26＝1.308

KA为使用系数，考虑到启停冲击等因素按经验选取数值为1.6-1.7

Kp为行星载荷不均匀系数，考虑到行星包内部件均为浮动按经验选取的数值为1.05。

齿面摩擦系数的选择：取内齿圈与行星轮间摩擦系数为0.05。

S4、绘制S-N曲线：对试件进行疲劳试验，测出试件断裂时的循环数N后绘制S-N曲线。

S-N曲线可以通过FE-SAFE软件直接形成，也可以通过如下方式获得。

本实施例中，由于无法通过现有资料和已有齿轮疲劳试验S-N曲线的办法得到BS970 G722M24T和BS970 G655M13的S-N曲线，故采用Seeger材料近似算法进行计算：

利用材料的抗拉强度(UTS)和弹性模量E近似成材料疲劳数据。

根据《齿轮手册》第15篇齿轮材料及其热处理中表15.2-20中国与其他国家常用钢号近似对照表，BS970 G655M13国标近似牌号为12CrNi3，再查GB/T3077-1999中12CrNi3的UTS为930MPa。

BS970 722M24T在《齿轮手册》第15篇齿轮材料及其热处理中表15.2-20中国与其他国家常用钢号近似对照表中没有近似的材料，根据《世界标准钢号手册》中续表2.12.1-1中材料722M24的材料成分(可近似认为是25Cr3Mo)与GB/T3077-1999中25Cr2Mo1VA最接近(主要看C含量和影响机械性能比较大的Cr和Mo元素)，查GB/T3077-1999中25Cr2Mo1VA的UTS为735MPa。

根据《机械设计手册》第1卷第1篇中表1-1-6材料弹性模量及泊松比，镍铬钢、合金钢弹性模量数值为206GPa，泊松比数值为0.25-0.3，根据我所长期计算齿轮的经验，确定BS970 G655M13和BS970 G722M24T的弹性模量数值为206GPa，泊松比数值为0.3。

将材料BS970 G655M13和BS970 G722M24T的抗拉强度(UTS)和弹性模量E及泊松比μ输入FE-SAFE，运用Seeger材料近似算法，得出图3材料的S-N曲线。

S5、建模分析：建立齿轮箱运行模型，采用应力仿真分析获取齿轮动态啮合过程中齿轮表面不同位置的应力状态。

通过表2中的基本参数，加上1999年郑州机械研究所在大亚湾对CRF循环水泵齿轮箱测绘所得到的行星包数据，通过KISSsoft齿轮传动设计软件建立行星齿轮箱三维简化模型。该模型为将实际运行的行星齿轮箱各种数据复制形成。

由于齿轮箱系统的结构复杂性，且各齿轮状态均为人字齿，使得系统化建模仿真难度极大，为了进一步保证仿真结果的可靠性，采用简化分析法进行仿真，具体是将整个行星传动齿轮箱按照各齿轮啮合作用分为太阳轮-行星轮啮合结构和行星轮-内齿圈啮合结构，然后对此两种局部啮合结构进行应力仿真分析。

太阳轮-行星轮仿真分析：

提取的太阳轮-行星轮三维分析模型并离散化后的计算模型如图4所示，其中为了更好的展现轮齿啮合时的应力状态，分别对太阳轮和行星轮啮合轮齿区域进行计算模型网格的细化处理，如图5-6所示，以太阳轮为例，在啮合对轮齿结构上网格的局部细化，而非啮合轮齿进行正常计算网格的离散化处理。

行星轮上施加一个转速，太阳轮和行星轮之间通过施加接触约束使得两者进行啮合关联。

齿面摩擦系数的选择：根据《齿轮手册》第16篇齿轮装置的润滑和冷却2.3混合润滑，指出“多数闭式齿轮传动属于此种润滑状态(混合润滑)，混合润滑的摩擦系数为0.03-0.07”，按长期计算经验取太阳轮与行星轮间摩擦系数为0.05。

太阳轮-行星轮结构啮合下应力仿真结果如下：

表3太阳轮-行星轮结构啮合下应力仿真结果

行星轮-内齿圈仿真分析

提取的行星轮-内齿圈三维分析模型并离散化后的计算模型如图7所示，其中为了更好的展现轮齿啮合时的应力状态，分别对内齿圈和行星轮啮合轮齿区域进行计算模型网格的细化处理，以内齿圈为例，如图8-9所示，在啮合对轮齿结构上网格的局部细化，而非啮合轮齿进行正常计算网格的离散化处理。

内齿圈上施加一个转速，行星轮和内齿圈之间通过施加接触约束使得两者进行啮合关联。

行星轮-内齿圈结构啮合下应力仿真结果如下：

表4行星轮-内齿圈结构啮合下应力仿真结果

S6、疲劳寿命计算：通过下式分别计算齿轮组中各个部件齿轮的疲劳断裂时的寿命：

式中，l-变幅载荷的应力水平级数；

n

N

D-总疲劳损伤；

N-疲劳寿命；

t

T-疲劳寿命时间，单位年；

本步骤根据不同齿轮部件的材料属性、表面摩擦状态等条件，可以分别计算齿轮组中各个部件齿轮的疲劳断裂时的寿命，同时可以得到齿轮表面不同位置的应力状态。

齿轮组技术参数：太阳轮和行星轮选取的材料为BS970 G655M13，热处理工艺为表面渗碳淬火，其抗拉强度UTS为930MPa，弹性模量E为206GPa，泊松比为0.3；内齿圈选取的材料为BS970 G722M24T，热处理工艺为表面渗氮，其抗拉强度UTS为735MPa，弹性模量E为206GPa，，泊松比为0.3。

根据ANSYS/FE-SAFE软件分析和计算软件预测结果为：

按使用系数KA＝1.7时太阳轮预测寿命为235366.938小时，单位折算为年，预测寿命为26.9年。

按使用系数KA＝1.6时太阳轮预测寿命为243540.579小时，单位折算为年，预测寿命为27.8年。

按使用系数KA＝1.7时行星轮预测寿命为245489.266小时，单位折算为年，预测寿命为28.0年。

按使用系数KA＝1.6时行星轮预测寿命为258876.347小时，单位折算为年，预测寿命为29.6年。

按使用系数KA＝1.7时内齿圈预测寿命为229132.672小时，单位折算为年，预测寿命为26.1年。

按使用系数KA＝1.6时内齿圈预测寿命为239570.588小时，单位折算为年，预测寿命为27.3年。

取最差零部件的寿命，则整个CRF循环水泵齿轮箱内齿轮的预测寿命为26.1-26.9年。

进一步地，还可以在上述预测的基础，增加其他因素进一步推算齿轮箱寿命。

不同齿轮表面粗糙度下的齿轮寿命：以下数据均按使用系数KA为1.7时计算得出。

齿轮润滑状态的改变，将会接触齿面粗糙度的变化，进而产生齿轮失效。在这里，采用不同粗糙度下齿轮的疲劳寿命，来反映齿轮润滑状态对齿轮寿命的影响。依据CRF循环水泵齿轮箱齿轮瞬态模型，以及有限元分析结果，在FE-SAFE中输入不同的粗糙度数值可计算出不同表面粗糙度下各个齿轮的寿命，如表5和图10所示。

表5不同粗糙度下，各个齿轮的疲劳寿命

粗糙度Rz6.3对应Ra0.8或Ra1.6，为一般状态下齿轮磨齿加工达到的齿面光洁度。根据对国外齿轮多年测绘的经验及磨齿加工经验，取CRF齿轮箱中出厂时齿轮粗糙度状态为Rz6.3。

依据计算的结果可以看出，随着表面粗糙度的增加，齿轮的预测寿命在逐渐减少；而且三种齿轮的预测寿命的减小趋势是一致的。