DQZHAN技術(shù)訊：風(fēng)電齒輪箱小齒輪斷齒原因分析

風(fēng)電場(chǎng)1．5MW風(fēng)電機(jī)組齒輪箱在運(yùn)行中出現(xiàn)故障，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)中速軸小齒輪出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象。采用宏觀觀察微觀。觀察并結(jié)合相關(guān)理化性能測(cè)試，綜合分析得出齒輪的失效原因結(jié)果表明，風(fēng)電齒輪箱中速軸小齒輪斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，在斷口上觀察到清晰的疲勞弧線，裂紋源萌生于齒面接觸疲勞產(chǎn)生的蝕坑中，而導(dǎo)致齒面嚴(yán)重接觸疲勞的原因是偏載。

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，化石能源被大量開采和使用，導(dǎo)致環(huán)境嚴(yán)重污染。每到秋冬季節(jié)，北方霧霾頻發(fā)，給人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了諸多不便。解決環(huán)境污染問(wèn)題，新能源首當(dāng)其沖風(fēng)能是一種新型清潔可再生能源，合理利用風(fēng)能部分取代傳統(tǒng)化石能源越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注和重視。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日趨成熟以及風(fēng)電成本的日益下降，風(fēng)電能源比例在逐年增長(zhǎng)，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景非常廣闊。據(jù)報(bào)道，2007年底，我國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)5906MW，位居全球第五風(fēng)電機(jī)組齒輪箱工作環(huán)境惡劣，載荷也非常復(fù)雜。因此，風(fēng)電機(jī)組中的齒輪、軸承等核心部件失效問(wèn)題較多。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的齒輪箱是一個(gè)重要的機(jī)械部件，齒輪箱的主要功能是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速在風(fēng)電齒輪箱中，齒輪是關(guān)鍵傳動(dòng)部件，容易發(fā)生失效。據(jù)報(bào)道，引起齒輪失效的原因很多，包括設(shè)計(jì)不當(dāng)、制造和熱處理方法不當(dāng)、安裝和操作不當(dāng)、維護(hù)不當(dāng)?shù)容^為常見的齒輪破壞形式有齒面磨損、膠合、接觸疲勞、塑性變形以及輪齒折斷等。其中，疲勞斷裂*為常見，如點(diǎn)蝕、剝落等導(dǎo)致的彎曲疲勞，嚴(yán)重時(shí)輪齒會(huì)發(fā)生折斷。齒輪傳動(dòng)是一種重要的傳動(dòng)方式，通過(guò)輪齒接觸傳遞能動(dòng)能。在齒面嚙合過(guò)程中，發(fā)生相對(duì)滾動(dòng)接觸齒面比較容易產(chǎn)生接觸疲勞，如形成麻點(diǎn)或微點(diǎn)蝕坑，隨后在這些蝕點(diǎn)位置會(huì)萌生疲勞裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展，會(huì)產(chǎn)生齒面剝落，甚至發(fā)生輪齒折斷。接觸疲勞是齒輪失效*早期的表現(xiàn)形式。

齒輪發(fā)生接觸疲勞時(shí)，容易在齒輪上3個(gè)位置出現(xiàn):齒頂節(jié)線附近和齒根處、發(fā)生接觸疲勞以后、齒面上會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕，在點(diǎn)蝕坑中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中、這些點(diǎn)蝕坑中可能萌生疲勞裂紋并*終導(dǎo)致輪齒斷裂。

本文研究主要研究風(fēng)電齒輪箱中速軸小齒輪的失效機(jī)理。該齒輪設(shè)計(jì)壽命20年，實(shí)際使用了5年就發(fā)生失效本研究工作能夠加深人們對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱失效機(jī)制的認(rèn)識(shí)，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，避免同類事故的發(fā)生，提高齒輪箱的服役壽命，為風(fēng)電生產(chǎn)企業(yè)減少損失。

實(shí)驗(yàn)材料與方法

研究對(duì)象是風(fēng)電齒輪箱中的中速軸小齒輪，該齒輪為斜齒輪圓柱齒輪，齒輪材質(zhì)為20CrNiMo。

失效齒輪的宏觀形貌采用**數(shù)碼相機(jī)記錄。同時(shí)，斷口形貌還采用了超景深體視顯微鏡進(jìn)行觀察和記錄局部微觀特征采用FEIQuanta。600掃描電鏡進(jìn)行表征金相組織表征采用O-LYMPUSGX71金相顯微鏡，在輪齒上垂直于齒面切割金相樣品，觀察截面金相組織首先將樣品在400#～2000#砂紙上依次打磨，并用金剛石拋光膏拋光后，采用無(wú)水乙醇清洗后冷風(fēng)吹干。采用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液腐蝕金相組織金相觀察結(jié)束后，采用熱鑲制作樣品進(jìn)行硬化層顯微硬度梯度測(cè)試，采用的儀器是AH43全自動(dòng)顯微硬度儀齒輪表面粗糙度采用A-StepIQ表面輪廓儀進(jìn)行分析。失效小齒輪現(xiàn)場(chǎng)宏觀像如圖1所示：從圖1a中可以看到，一些輪齒損傷嚴(yán)重，輪齒折斷。

結(jié)果與討論

1齒輪斷口觀察

圖2分別為從不同方向觀察的其中1支輪齒掉塊的宏觀像。在輪齒掉塊斷口上可見到明顯的疲勞特征，即疲勞弧線(圖2a中黑色箭頭所指)。根據(jù)疲勞弧線的形狀判斷，疲勞源位于圖2a中白色箭頭所指的位置。樣品傾轉(zhuǎn)一個(gè)較小的角度后，在疲勞源處觀察到齒面上出現(xiàn)了麻點(diǎn)區(qū)，從顏色上看，麻點(diǎn)區(qū)為發(fā)白的條帶狀(圖2b中黑色箭頭所指)在麻點(diǎn)區(qū)靠近斷口一側(cè)，還可見明顯的剝落區(qū)(圖2b中白色箭頭所指)。

２齒輪疲勞源區(qū)形貌觀察

通過(guò)輪齒斷口和掉塊斷口宏觀觀察與對(duì)比，找出了掉塊的對(duì)偶斷口。圖3為輪齒對(duì)偶斷口的體視顯微鏡圖像。圖3a給出了疲勞源在掉塊上的位置，很顯然，疲勞源位于齒面剝落坑的底部。圖3b給出了在對(duì)偶斷口上疲勞源的位置。此外，在對(duì)偶斷口上還發(fā)現(xiàn)許多次疲勞源，這說(shuō)明導(dǎo)致掉塊的載荷相對(duì)較大。從斷口上瞬斷區(qū)和疲勞斷口面積的對(duì)比看，瞬斷區(qū)面積遠(yuǎn)小于疲勞斷口面積，這說(shuō)明輪齒疲勞傾向于高周疲勞。

３齒面微觀觀察

宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，一些輪齒齒面發(fā)生了嚴(yán)重的剝落。為了分析剝落坑產(chǎn)生的原因，采用掃描電子顯微鏡對(duì)輪齒工作齒面B端剝落位置進(jìn)一步放大觀察，結(jié)果如圖4所示：在齒面上可以見到明顯的麻點(diǎn)，一些裂紋分布在麻點(diǎn)區(qū)中，部分裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生了蝕坑，局部還形成了較大剝落坑對(duì)圖4a黑框中所指區(qū)域進(jìn)一步放大觀察，發(fā)現(xiàn)在蝕坑底部存在明顯的疲勞弧線，其裂紋源位于圖4b黑框標(biāo)示位置。據(jù)此分析，齒面先發(fā)生了接觸疲勞產(chǎn)生了麻點(diǎn)，隨后麻點(diǎn)擴(kuò)展形成了微裂紋，微裂紋在齒面工作應(yīng)力的反復(fù)作用下萌生疲勞裂紋，疲勞裂紋擴(kuò)展后，導(dǎo)致齒面硬化層剝落形成點(diǎn)蝕坑。

４齒面壓痕形貌觀察

從宏觀上看，失效的輪齒端部有明顯的壓痕，在壓痕處已經(jīng)發(fā)生了明顯的塑性變形。圖5為部分編號(hào)輪齒所示AB兩端端部的體視顯微鏡圖像，可見，輪齒端部有明顯的壓痕，在壓痕處，齒面上發(fā)生接觸疲勞，產(chǎn)生了麻點(diǎn)區(qū)。通過(guò)多支輪齒的對(duì)比觀察發(fā)現(xiàn)，輪齒B端壓痕較A端顯著，說(shuō)明在工況條件下B端承受的載荷高于A端，所以B端塑性變形更嚴(yán)重。同時(shí)因接觸疲勞產(chǎn)生的麻點(diǎn)，B端麻點(diǎn)區(qū)面積明顯較A端大，A端麻點(diǎn)區(qū)破壞較輕，幾乎看不到顯著塑性變形。

５金相檢驗(yàn)

金相組織檢驗(yàn)包括硬化層金相組織檢驗(yàn)、心部材質(zhì)金相組織檢驗(yàn)和疲勞源區(qū)夾雜物檢驗(yàn)圖6為齒輪表面和齒輪心部的微觀組織，可見，接近齒面處齒輪的組織為馬氏體和粒狀的滲碳體，而齒輪的心部組織為貝氏體。在疲勞源區(qū)未見明顯的夾雜或缺陷(圖7)，由此推斷并非材料缺陷引起的疲勞開裂，而是應(yīng)力集中促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生。

６硬度測(cè)試

齒輪硬度測(cè)試分為兩部分:齒面硬度和心部硬度。風(fēng)電齒輪箱中速軸小齒輪對(duì)齒面的硬度要**洛氏硬度HＲC58～62，齒面硬度略低于標(biāo)準(zhǔn)要求。風(fēng)電齒輪箱中速軸小齒輪對(duì)心部的硬度要**HＲC33～45，心部硬度測(cè)試結(jié)果為洛氏硬度均值HＲC為35，基本滿足要求。

根據(jù)金相組織分析結(jié)果，齒輪表面采用了滲碳淬火，有硬化層，因而采用全自動(dòng)顯微硬度儀對(duì)齒面節(jié)圓附近A端中間和B端分別進(jìn)行硬度梯度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果未發(fā)現(xiàn)差異(圖8a)。根據(jù)ISO2639和ISO6336標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于滲碳層深度的定義和要求:滲碳層深度是以表面到顯微硬度HV550處的距離，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)失效齒輪滲碳層深度進(jìn)行分析和計(jì)算，滲碳層深度約為2．0mm，參考圖8b中ISO6336關(guān)于硬化層深度的數(shù)值要求，這一數(shù)值落在硬度的*優(yōu)值區(qū)間中，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

失效原因分析

疲勞是金屬構(gòu)件*主要的失效形式，美國(guó)金屬手冊(cè)。對(duì)構(gòu)件疲勞破壞給出了明確的定義:疲勞斷裂是由周期性載荷引起的，表現(xiàn)出宏觀脆性。

根據(jù)輪齒斷口上的疲勞弧線判斷，在性質(zhì)上輪齒失效是疲勞斷裂。據(jù)文獻(xiàn)介紹，輪齒在實(shí)際受力時(shí)相當(dāng)于懸臂梁，相互嚙合的齒輪在嚙合的部位既存在滾動(dòng)同時(shí)又存在滑動(dòng)，所以齒輪在服役過(guò)程中會(huì)受壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力作用。在齒輪箱工作過(guò)程中，相互嚙合的齒輪每嚙合一次，輪齒受一次彎曲應(yīng)力的作用，所以輪齒在這種循環(huán)載荷作用和下萌生了疲勞裂紋，疲勞裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致輪齒折斷。根據(jù)齒輪斷口上瞬斷區(qū)和疲勞斷口的面積對(duì)比，可以推斷出齒輪的疲勞屬于高周疲勞。

根據(jù)斷口微觀觀察結(jié)果，疲勞裂紋并未直接在齒面萌生，而是萌生于剝落坑的底部。這說(shuō)明齒面上先產(chǎn)生了剝落坑，剝落坑的產(chǎn)生導(dǎo)致齒面幾何形狀發(fā)生顯著變化導(dǎo)致在剝落坑底部產(chǎn)生應(yīng)力集中，在疲勞源區(qū)的并未發(fā)現(xiàn)夾雜等缺陷，這說(shuō)明應(yīng)力集中是疲勞裂紋萌生的主要原因同時(shí)也說(shuō)明剝落坑在時(shí)間序列上早于疲勞裂紋萌生。

根據(jù)齒面微觀觀察結(jié)果，剝落坑主要集中在麻點(diǎn)區(qū)中，這也說(shuō)明剝落坑是麻點(diǎn)擴(kuò)大的結(jié)果對(duì)失效輪齒的整體分析發(fā)現(xiàn)，麻點(diǎn)并不出現(xiàn)在整個(gè)齒面上，在輪齒折斷的一側(cè)麻點(diǎn)*為嚴(yán)重。麻點(diǎn)產(chǎn)生的原因是接觸疲勞據(jù)美國(guó)金屬手冊(cè)，接觸疲勞是指:在高的接觸壓力作用下，彼此相對(duì)滾動(dòng)?；驖L動(dòng)與滑動(dòng)的零件，在多次重復(fù)加載后發(fā)生表面點(diǎn)蝕或剝落。點(diǎn)蝕現(xiàn)象是循環(huán)接觸應(yīng)力造成金屬疲勞的見證在輪齒工作面上觀察到的麻點(diǎn)以及點(diǎn)蝕坑是齒面發(fā)生接觸疲勞的關(guān)鍵證據(jù)。引起齒面接觸疲勞的原因主要由于相嚙合齒面貼合**，造成局部過(guò)載，使齒面局部接觸應(yīng)力過(guò)高擴(kuò)展性點(diǎn)蝕形成的原因主要齒面接觸應(yīng)力過(guò)高，隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增多，點(diǎn)蝕坑不斷擴(kuò)展。對(duì)載荷估計(jì)不足使設(shè)計(jì)齒面接觸強(qiáng)度不夠硬度不夠、偏載、動(dòng)載嚴(yán)重、安裝精度低、軸系及箱體的誤差和變形過(guò)大。

硬度測(cè)試結(jié)果表明，齒輪的表面硬度雖然略低于標(biāo)準(zhǔn)要求，心部硬度合格，淬硬層硬度變化也非常均勻，組織觀察也未見異常，齒面的粗糙度合格。輪齒表面硬度低于標(biāo)準(zhǔn)值是一個(gè)促進(jìn)接觸疲勞產(chǎn)生的因素，但不是主要因素，原因是并不是整個(gè)齒面都產(chǎn)生了接觸疲勞，在齒面上只在輪齒折斷一側(cè)接觸疲勞*為嚴(yán)重，這種局部接觸疲勞的發(fā)生應(yīng)主要?dú)w因于受力因素同時(shí)也說(shuō)明輪齒發(fā)生斷齒的原因并非主要來(lái)自于材料問(wèn)題，而應(yīng)是受到了異常載荷的作用。

輪齒相互嚙合的端部在中速軸小齒輪上有明顯的壓痕，壓痕是發(fā)生塑性變形的結(jié)果這說(shuō)明端部受到了較大的應(yīng)力作用，該應(yīng)力超過(guò)了齒輪正常嚙合時(shí)的應(yīng)力，才導(dǎo)致齒面局部發(fā)生塑性變形。在壓痕底部接觸疲勞較為嚴(yán)重，表現(xiàn)為麻點(diǎn)區(qū)面積較大。然而，這種壓痕在失效輪齒兩端并不對(duì)稱，在輪齒折斷一側(cè)相比更嚴(yán)重。這說(shuō)明輪齒折斷一側(cè)齒輪所受載荷是較另一側(cè)明顯更大，也正是因?yàn)檫@種非正常的載荷導(dǎo)致齒面過(guò)早發(fā)生嚴(yán)重接觸疲勞，甚至產(chǎn)生了剝落坑，萌生了疲勞裂紋，疲勞裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致輪齒折斷。根據(jù)這一結(jié)果判斷，齒輪出現(xiàn)了偏載。因此，偏載是導(dǎo)致風(fēng)電齒輪箱中速軸小齒輪早期失效的主要原因。據(jù)呂天河等人的研究發(fā)現(xiàn)，偏載通常是由各種誤差引起的，主要包括:加工誤差、安裝誤差、和使用誤差。

結(jié)論

1)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱中速軸小齒輪的疲勞裂紋萌生于齒面剝落坑的底部，斷口上瞬斷區(qū)面積遠(yuǎn)小于疲勞斷口面積，輪齒斷裂性質(zhì)為高周疲勞斷裂。

2)齒面在相互嚙合的過(guò)程中既相互滾動(dòng)又發(fā)生微小的相對(duì)滑動(dòng)，齒面上的麻點(diǎn)和蝕坑應(yīng)歸因于接觸疲勞。齒輪一側(cè)齒面上接觸疲勞較另一側(cè)更為嚴(yán)重。除了齒面硬度略低于標(biāo)準(zhǔn)值以外，其它指標(biāo)均合格，說(shuō)明材質(zhì)并不是導(dǎo)致接觸疲勞的主要原因。齒面接觸疲勞的主要原因應(yīng)歸于過(guò)高的載荷。

3)在工作齒面上，對(duì)比輪齒AB兩端的破壞情況發(fā)現(xiàn)，齒面B端破壞較A端嚴(yán)重，推斷齒輪B端承受的載荷應(yīng)明顯高于A端，這說(shuō)明斷齒的主要原因是偏載。