風(fēng)電齒輪箱花鍵失效與硬化工藝淺析

李珂

摘要：當(dāng)前隨著風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的興起，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)量與日俱增，運(yùn)行的過程當(dāng)中也出現(xiàn)了許多機(jī)械故障，其中花鍵失效是故障之一，花鍵的加工精度差和齒面的硬度低，沒有有效的定期保養(yǎng)和潤滑是最主要的影響因素，內(nèi)花鍵由于自身的結(jié)構(gòu)和尺寸問題，很難保證加工精度，本文針對(duì)當(dāng)前國內(nèi)的風(fēng)電齒輪箱花鍵失效出現(xiàn)的原因進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的解決辦法。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電齒輪箱;花鍵失效;硬化工藝

1 花鍵失效原因分析

1.1 花鍵磨損

當(dāng)前風(fēng)電齒輪箱當(dāng)中出現(xiàn)花鍵失效的大部分原因都是因?yàn)榛ㄦI齒面磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致傳動(dòng)失效，并且風(fēng)電齒輪箱運(yùn)行時(shí)間越來越長，花鍵齒面會(huì)出現(xiàn)從輕微磨損到嚴(yán)重磨損的情況。一般來說，風(fēng)電齒輪箱的花鍵失效不是突發(fā)性的強(qiáng)度破壞，而是花鍵磨損到一定程度產(chǎn)生的故障，花鍵磨損嚴(yán)重的風(fēng)電齒輪箱當(dāng)中，早期可以發(fā)現(xiàn)油液的發(fā)黑甚至出現(xiàn)了磨屑。對(duì)近年來出現(xiàn)的風(fēng)電齒輪箱花鍵失效的案例進(jìn)行分析，可以得知花鍵的原材料成分和機(jī)械性能以及顯微組織大都無異常情況出現(xiàn)，風(fēng)電齒輪箱當(dāng)中的太陽輪軸是浮動(dòng)的，花鍵的連接是存在間隙的，另外花鍵裝配的過程中難免出現(xiàn)零件加工的誤差和齒輪箱的裝配失誤，這樣太陽輪就和行星輪的嚙合程度不足，導(dǎo)致花鍵轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受力不均勻，內(nèi)外花鍵不同軸就會(huì)產(chǎn)生微小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在風(fēng)電齒輪箱長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中難免出現(xiàn)磨損。

1.2 花鍵轉(zhuǎn)速較快

風(fēng)電齒輪箱當(dāng)中的第二級(jí)花鍵連接由于轉(zhuǎn)速較快，相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率較高，所以碰撞磨損的速度更快，在花鍵轉(zhuǎn)動(dòng)的過程當(dāng)中風(fēng)輪載荷也在不斷波動(dòng)，風(fēng)輪載荷的波動(dòng)也加劇了磨損，磨損隨著運(yùn)行不斷增大，到達(dá)一定程度后間隙會(huì)變大，導(dǎo)致沖擊加劇，最終花鍵齒被削弱，花鍵當(dāng)中最薄弱的部分會(huì)受到強(qiáng)大的沖擊，很可能導(dǎo)致局部斷裂，加劇了花鍵的破壞，導(dǎo)致花鍵連接出現(xiàn)問題。當(dāng)前花鍵一般使用軟齒面，通常使用調(diào)質(zhì)處理來充當(dāng)最終熱狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率等級(jí)逐年提升，我們需要對(duì)風(fēng)電齒輪箱當(dāng)中的花鍵齒面進(jìn)行加固，增大花鍵的表面硬度，增強(qiáng)耐磨性?；ㄦI的加工精度差和齒面的硬度低，沒有有效的定期保養(yǎng)和潤滑是最主要的影響因素，內(nèi)花鍵由于自身的結(jié)構(gòu)和尺寸問題，很難保證加工的精度，解決這些問題可以有效避免花鍵失效。

2 花鍵失效的解決措施

2.1 提高花鍵加工精度

花鍵硬化后的硬齒面還需要提高齒面的精度等級(jí)，軟齒面經(jīng)過長時(shí)間的磨合期齒面基本平整，但是硬齒面由于硬度較大，運(yùn)行很長時(shí)間不會(huì)出現(xiàn)受力不均勻的情況，如果花鍵硬化后齒輪精度不夠，不僅不會(huì)解決磨損情況還會(huì)加劇花鍵的損壞。對(duì)于這種硬齒面齒輪精度不夠的情況可以使用磨削加工來提升，還可以使用有限元的模擬仿真，使用這種方法需要結(jié)合試驗(yàn)過程當(dāng)中的具體參數(shù)和數(shù)據(jù)，制定合適的花鍵齒面修形方案來解決。氮化會(huì)降低花鍵精度，并且氮化工藝的硬化層深度一般較淺，使用磨削加工無法達(dá)到目的，但是我們可以通過對(duì)工藝流程的調(diào)整來提升精度，可以先進(jìn)行內(nèi)花鍵的磨削再進(jìn)行氮化處理，最大程度保證精度。內(nèi)花鍵軸和大齒輪裝配結(jié)構(gòu)圖如圖一所示。

2.2 花鍵硬化工藝路線

外花鍵的硬化工藝路線只需要在原來太陽輪滲碳淬火的時(shí)候，外花鍵不涂抹滲碳防護(hù)劑，和齒輪一起進(jìn)行滲碳淬火處理，磨花鍵后再磨齒輪。為了保證齒輪和花鍵層的滲碳層深度一致并且均勻，對(duì)花鍵進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中選擇的花鍵參數(shù)盡量和太陽輪上的齒輪模數(shù)接近，軟齒面的內(nèi)花鍵加工硬化工藝路線首先進(jìn)行中間軸的精車，再進(jìn)行熱套組裝，然后是精磨軸頸和定位端面以及插花鍵。還可以在工藝當(dāng)中增加去應(yīng)力熱處理，保證粗加工的過程當(dāng)中產(chǎn)生較大應(yīng)力有地方可以釋放，這就最大程度減小了氮化處理的變形，提高了花鍵的精度和齒面硬度。

2.3 過盈裝配和檢測(cè)

對(duì)氮化后的內(nèi)花鍵使用液氮冷凍，大齒輪使用感應(yīng)來對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行加熱，當(dāng)兩個(gè)零件組裝并且恢復(fù)常溫后再對(duì)內(nèi)花鍵的齒形齒向進(jìn)行檢測(cè)，齒形精度的變化主要集中在靠近齒根的部位，主要是由于內(nèi)花鍵在過盈裝配的過程中受到擠壓產(chǎn)生變形，這和有限元的分析結(jié)果基本相同，過盈配合后的花鍵齒形精度的變形量可以忽略不計(jì)，齒向精度的變形量和過盈量以及內(nèi)花鍵的軸向位置關(guān)系都直接相關(guān)，進(jìn)行逆向修行的過程中除了要考慮齒向總體修量之外，還必須要考慮齒向變形的曲線規(guī)律，適當(dāng)來增加齒向兩端的拋物修形量。內(nèi)花鍵不同截面徑向收縮變形量如圖2所示。

3 總結(jié)

綜上所述，風(fēng)電齒輪箱花鍵失效的主要原因是花鍵齒面硬度不足，加工誤差過大以及過盈裝配變形，導(dǎo)致齒面之間磨損加劇，花鍵聯(lián)接失效。采取內(nèi)花鍵氮化和外花鍵滲碳淬火方式，可以提高齒面硬度和增加耐磨性，磨外花鍵和內(nèi)花鍵可以提高齒輪加工精度，利用逆向修形可以補(bǔ)償裝配變形，以上措施能有效改善花鍵磨損，延長風(fēng)電齒輪向箱使用壽命）

參考文獻(xiàn)：

[1] 蒙秋紅，鄧穎章，肖毅強(qiáng)等.某型工程機(jī)械主泵驅(qū)動(dòng)軸斷裂失效研究[J].工程機(jī)械，2016（12）.

[2] 方靜，鄭金松，高振等.鐘形殼花鍵斷裂分析[J].失效分析與預(yù)防，2017（03）.

（作者單位：南京高速齒輪制造有限公司）