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テクノロジーニュース

遊星歯車/平歯車装置の信頼性を決定する新しいガイドライン

2020.07.10  基礎

著書:Dirk Strasser工学博士、VDMA駆動技術組織Dirk Stemmjack技術担当官

翻訳:西部商工株式会社 瀬尾拓海

風力発電業界では、パワートレインの信頼性が大きな役割を果たしています。

特に数メガワットの洋上アプリケーションでは、ドライブトレーンの計画外の交換により、非常に高いコストが発生する可能性があります。

したがって、風力発電所のオペレーターの期待は、システムの信頼性を予測することです。 VDMA(駆動技術組織)のリーダーシップのもと、標準化論文23904「風力タービンの信頼性評価」が2019年10月に発行されました。

これまで、風力ギアボックスはIEC 61400-4に従って設計されています。 これは、ギアユニット内のすべての関連する負荷運搬の最小安全要件を指定します。これは、さまざまな動作および極端な負荷に対して満たす必要があります(参照3)。 たとえば、歯車の歯は、ISO 6336-3およびISO 6336-2に基づいて設計されており、歯の根元とフランクの負荷容量、およびスカッフィングとマイクロピッチングの負荷係数の最小の安全係数に従って、 ISO / TS 633620またはISO / TS 6336-21およびISO / TS 6336-22で設計されています。 シャフトはDIN 743に従って設計され、VDI 2230に従ってボルト締結、構造部品はFKMガイドライン「鋼と鋳鉄で作られた機械部品の寸法」および「破壊力学」(参照4)に従って設計され、計算の境界条件を指定します。 すべての計算方法に共通するのは、それらが安全コンセプトに基づいていることです。 つまり、許容荷重は、安全係数の形で発生する荷重で評価されます。 標準化ペーパー23904は、風力タービンのギアボックスのシステム信頼性を計算する方法を提供します(図1)。 この方法は基本的に、Bertsche Engineering Corporationによる故障確率の統計的決定の原理に基づいています(参照5)。

図1システムの信頼性
図2機能要素の決定(参照1)

理論的な計算アプローチは、実際の運用で発生するすべての故障メカニズムに利用できるわけではありません。 本方法は、認められた技術の規則に従って疲労寿命を説明できる故障メカニズムに限定されます。  したがって、信頼性に影響を与えるパラメータを調査し、歯車の設計を比較することが可能です。 システムの信頼性を完全に予測することはまだ不可能です。 この目的のために、これまで計算できなかった故障メカニズムの計算アプローチ、または関連する統計的分布を将来決定する必要があります。

図3システム要素

次のステップでは、いわゆるシステム要素が故障モード効果分析(FMEA)に基づいて決定されます。 システム要素は、機能要素の障害メカニズムを記述します。 たとえば、歯根の曲げ疲労や穴食い損傷により、歯車が故障する可能性があります(図3)。

次に、システム要素が分類されます。これにより、システム要素は、検討中のシステムの信頼性関連(A1、A2、B)および中立(C)に分類されます(図4)。 A1は、計算方法が利用可能な要素(例:ISO 6336)を表し、A2は、計算方法が利用できない要素を表します。 カテゴリーBの要素は、非決定論的なエラー分布(例:スカッフィングまたはスミアリング)によって特徴付けられます。 したがって、これらの要素の信頼性を予測するには、経験と実験を使用する必要があります。 カテゴリーCの要素はシステムの信頼性とは無関係であるため、計算では考慮されません。 現在の信頼性計算では、A1および一部A2のシステム要素が考慮されます。 分類は現在の最新技術に対応しており、A2要素で認められた計算手法が利用可能になった場合は調整されます。

システムの信頼性は、システム要素の信頼性を掛けることによって決定されます。 これは、故障モードが互いに独立しており、故障が機能要素の故障(ブール条件)につながることを前提としています(図5)。

このメソッドは、A1システム要素の計算アプローチを提供します。

図4システム要素の分類
図5システムの信頼性の計算(参照6)

コンポーネントRの信頼性は、3パラメータのワイブル分布を使用して計算されます。 これらは、形状パラメータβ、故障確率F(η)= 63.2%の特性寿命η、および疲労解析で故障のない時間として解釈されることが多い位置パラメータγです。 信頼性R(t)= 1–F(t)は、故障確率の補数です。 コンポーネントの寿命Bxが別の故障確率F(Bx)= x%に対して指定されている場合、寿命B10は次のように計算されます。

フォームパラメータとftbの推奨事項は、本論文で説明しています。この方法はさらに、エラーモードの歯根の破損とインボリュート歯車のピッチングの拡張計算アプローチを提供します。 ISO 6336-6(参照2)に基づいて、特定の荷重スペクトルの損傷合計が決定され、基礎となるヴェーラー曲線と比較されます。 反復的に、スペクトルは時間とともに拡張され、対応する故障確率が各計算ステップで計算されます。 これにより、システム要素の稼働時間における故障確率が求められます(図6)。

メソッドの本質的な内容はIEC 61400-4に移行されました。 エディション2の発行には、ギアボックスの信頼性の決定に関する章が含まれ、VDMAへの参照があります。 IEC 61400-4 Edition 2は2021年に閲覧可能になります。

図6 ISO 6336-6に基づく損傷の累積に基づく故障確率の反復的な決定

Dirk Strasser工学博士は、ベルギーのZF Wind PowerのギアボックスおよびイノベーションR&Dのシニアエキスパートです。Dirk Stemmjackは、VDMAトレードアソシエーション、パワートランスミッションエンジニアリング、ISO/TC 14およびISO/TC 60/SC 2委員会マネージャーのテクニカルアドバイザーです。

参考文献

  • IEC 61400-4:2012, Wind turbines – Part 4: Design requirements for wind turbine gearboxes
  • ISO 6336-6, Calculation of load capacity of spur and helical gears — Part 6: Calculation of service life under variable loads
  • ISO 6336-6, Calculation of load capacity of spur and helical gears — Part 6: Calculation of service life under variable loads
  • VDMA 23901:2016, Komponenten und Systeme für Windenergieanlagen in kalter Umgebung
  • VDMA 23902:2014, Leitlinie für den bruchmechanischen Nachweis von Planetenträgern aus EN-GJS-700-2 für Getriebe von Windenergieanlagen
  • Bertsche B.: Reliability in Automotive and Mechanical Engineering. SpringerVerlag, Berlin Heidelberg, 2008
  • Haibach E., Betriebsfestigkeit – Verfahren und Daten zur Bauteilberechnung, 3., korrigierte und ergänzte Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2006