風能發(fā)電變槳減速機齒輪崩裂失效分析

申奇志， 譚彥顯

（1.湖南工業(yè)職業(yè)技術學院，長沙410012；2.湖南省產商品監(jiān)督檢驗研究院，長沙410000）

0 引 言

圖1 齒輪崩裂形貌圖

變槳減速機廣泛應用于風能發(fā)電系統(tǒng)，其工作特點是間歇工作起停較為頻繁，傳遞轉矩較大，傳動比較高。某風能有限公司使用的變槳減速機齒輪生產工藝過程為：下料→退火→車加工→滾齒→鉗修→滲碳→淬火→磨加工→成品。齒輪精度為6～7級，小齒輪及葉片軸速變6.7～10.1 r/min，變槳齒輪箱內的齒輪及軸承采用Mobil SHCXMP320齒輪油潤滑。除年度檢查和給脂潤滑系統(tǒng)定期加脂以外，變槳減速器無需維護，每5 a進行1次油品采樣。要求在-20 ℃時，沖擊功Akv2≥27 J情況下，小齒輪及軸的使用壽命達20 a。一變槳減速機齒輪(規(guī)格為φ98×65，20CrMnTi)在遼寧某風場使用，1 a后出現(xiàn)打齒、崩齒現(xiàn)象，且與之相配合的其它齒輪也有類似的現(xiàn)象(如圖1)。據齒輪生產廠家關于齒輪崩齒問題的報告介紹，其他風場同批次產品無此現(xiàn)象，維修人員反映此風場風力較大。由此可知，當外部載荷較大時，該產品的可靠性有所下降。本文對該齒輪進行了檢驗，分析了失效原因，并提出了熱處理改進意見。

1 宏觀斷口檢驗

經超聲波清洗后，斷裂齒輪的斷口形貌如圖1（c）所示，可以清楚地看到在齒條齒頂次表層的裂紋源區(qū)和逆指向裂紋源，呈放射花樣，占有很大面積的裂紋擴展區(qū)。裂紋擴展區(qū)顯示了裂紋前沿擴展遺留下的痕跡，放射花樣所占面積大，說明裂紋迅速擴展，齒輪崩裂具有脆性斷裂特征。此外，在裂源的對側有一處為硬物擠壓碰傷遺留的痕跡，證明該處齒輪崩裂是先受到擠壓或碰撞后斷裂。

2 理化檢驗

為了便于分析，采用線切割方法取拉伸、沖擊及金相試樣，取樣位置及對應的試樣、金相觀察磨面如圖2所示，表層顯微維氏硬度在金相試樣上測量?；瘜W成份試樣在齒輪中心位置處鉆取。

圖2 金相及力學性能試樣取樣位置

2.1 化學成分及力學性能檢驗

用碳硫分析儀、Optima800等離子發(fā)射光譜分析齒輪的化學成分，檢驗結果如表1所示。用MC010-HBS-62.5數(shù)顯布氏硬度計、WAW-60電液伺服材料試驗機及CBD全自動擺錘沖擊試驗機進行力學性能試驗，齒輪力學性能檢驗結果如表2所示。由表1、表2可見，材料成分與力學性能滿足JB/T6395-2010和GB/T8539-2000的要求。

表1 齒輪化學成分質量分數(shù)檢驗結果 %

表2 齒輪力學性能檢驗結果

2.2 金相檢驗

將齒輪中心位置處鉆取的金相試樣，經磨制拋光后用4%的硝酸酒精溶液浸蝕，在GX51F奧林巴斯金相顯微鏡下觀察其顯微組織。齒輪心部的金相組織如圖3所示，可以看出其組織為回火板條馬氏體，金相組織均勻，符合20CrMnTi鋼淬火的組織形態(tài)。

1）齒頂滲碳層層深檢測。采用金相法檢測滲碳層層深，齒頂處滲碳層深度約1.6 mm，如圖4所示。

2）齒頂滲碳金相組織檢驗。用4%的硝酸酒精溶液對金相磨面進行腐蝕，分別觀察相鄰兩齒齒頂處金相組織后可以發(fā)現(xiàn)，齒頂處滲層金相組織為粗針狀馬氏體+較多殘余奧氏體，如圖5所示。參考汽車滲碳齒輪金相檢驗標準(QC/T262-1999)，對馬氏體針葉長度及殘余奧氏體評級，評定結果為:馬氏體針葉長度7級，殘余奧氏體6～7 級(AR含量37%～42%)。對齒根處的金相組織進行分析，相對齒頂處金相組織，其針狀馬氏體較細，殘余奧氏體相對較少，如圖6所示。

圖3 齒輪心部金相組織500×

圖4 齒頂滲碳層層深（50×）

圖5 滲碳層齒頂金相組織（500×）

圖6 (2#齒)滲碳層齒根金相組織（500×）

在正常的腐蝕條件下，滲碳淬火+低溫回火針狀馬氏體組織在顯微鏡下應呈黑亮色，而非圖5中的淺灰色，這說明該齒輪存在回火不足的現(xiàn)象。

3 分析討論

3.1 齒輪崩裂原因

變槳驅動系統(tǒng)置于高空，且變槳減速機行星齒輪處在一個封閉的環(huán)境中，不會有異物進入造成對齒輪的沖擊和碰撞。由圖1可知，該齒輪崩裂是在先受到擠壓或碰傷后導致的崩齒，裂源位于齒頂皮下，該處的金相組織為粗針狀馬氏體+殘余奧氏體，馬氏體7級、殘余奧氏體6～7級(如圖5、圖6)。這種組織硬度高、脆性大，一旦出現(xiàn)較大負荷的沖擊或碰撞，很可能會出現(xiàn)崩落開裂的情況。按汽車滲碳齒輪金相檢驗標準(QC/T262-1999)或內燃機活塞銷第二部分：金相檢驗標準(JB/T8118.2-2011)，該組織不符合要求。同時，生產廠家可能考慮20 a使用條件要求，有意識增加了滲碳層深度，由圖4可見，其滲碳層深度達到1.6 mm左右，比傳統(tǒng)滲碳技術要求要深0.4～0.6 mm左右，且由金相檢驗可知齒輪在滲碳淬火后回火不充分，造成其額外的附加淬火內應力。歸根結底，該齒輪崩裂的主要原因是滲碳淬火熱處理工藝質量缺陷，因此，同批次產品存在相同的使用風險。

3.2 改進建議

提高變槳減速機行星齒輪滲碳淬火及回火質量是預防同類事故發(fā)生的關鍵，建議選擇二次淬火法滲碳工藝，并適當調整滲碳層深度技術參數(shù)。為了使回火更加充分、均勻有效，滲碳淬火后應及時回火，回火介質采用油或鹽浴。齒條頂部在滲碳淬火后存在的殘余奧氏體是不穩(wěn)定組織，當受力較大時，會誘發(fā)馬氏體相變，造成體積膨脹，破壞原有的尺寸精度，增加開裂的風險。應該增加深冷處理工序，降低滲碳淬火層中殘余奧氏體含量。

4 結 論

本例中的變槳減速機齒輪失效是由于齒輪滲碳淬火熱處理工藝質量缺陷所導致的。采用二次淬火法并及時回火，增加深冷處理工序，可以降低滲碳淬火層中殘余奧氏體含量，獲得較理想的滲碳淬火組織。