風電齒輪箱金屬齒輪軸斷齒失效分析

谷群遠

（鹽城市質量技術監(jiān)督綜合檢驗檢測中心，江蘇 鹽城 224056）

1 風電齒輪箱金屬齒軸斷齒的基本情況

齒輪箱系統(tǒng)作為整個風機系統(tǒng)的核心部件，受到通過葉片系統(tǒng)傳遞來的低速強載荷的擾動沖擊作用，同時承載齒輪箱的機艙系統(tǒng)在陣風作用下也有較大幅度的擺動，再加上內部的溫度計潤滑狀態(tài)的變動，因此關鍵零部件金屬齒輪﹑軸承﹑主軸等失效問題是目前最主要﹑影響最大的裝備故障，齒輪輪齒損傷是目前比例大且影響相對較大的損傷形式[1]。某風場使用的風機在服役3年后發(fā)生故障，進行檢查后發(fā)現(xiàn)在齒輪箱齒軸上有斷齒現(xiàn)象，如圖1所示。本文通過宏觀檢查﹑斷口微觀形貌分析﹑化學成分分析﹑低倍試驗﹑力學性能試驗﹑金屬夾渣物評級﹑金相組織分析方法對該齒軸斷齒現(xiàn)象進行分析。

2 實驗研究

2.1 宏觀檢查

金屬齒軸齒輪上有1個輪齒在偏右側齒端處發(fā)生折斷，開裂起始于輪齒的工作面靠近齒根處，其余輪齒未發(fā)生折斷，在金屬輪齒的工作面上均有印痕存在，其分布與斷齒的斷裂位置（見圖2）。

圖2 齒輪箱齒軸上輪齒的宏觀形貌

在體視顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，斷齒（編為1#）起始開裂處的邊緣存在明顯的壓痕，部分區(qū)域的表層金屬已被壓碎；2個未斷裂的輪齒（編號為2#和3#）工作面上存在壓痕﹑擦傷和破損現(xiàn)象，齒頂及其附近的非工作面上均有擦傷或破損痕跡存在，3#輪齒非工作面局部區(qū)域存在麻點狀銹蝕點。

2.2 斷口微觀形貌

掃描電鏡觀察斷裂金屬輪齒的斷口形貌發(fā)現(xiàn)，斷裂起始于輪齒的工作面?zhèn)?，裂源區(qū)的斷口形貌呈疲勞輝紋特征（見圖3﹑圖4﹑圖5），裂紋擴展區(qū)的斷口形貌呈疲勞輝紋特征（見圖6﹑圖7﹑圖8）。

圖3 斷裂處（右）工作面?zhèn)葦嗫诟弑缎蚊?/p>

圖4 斷裂處（中）工作面?zhèn)葦嗫诟弑缎蚊?/p>

圖5 斷裂處（左）工作面?zhèn)葦嗫诟弑缎蚊?/p>

圖6 斷裂處（右）擴展區(qū)斷口高倍形貌

圖7 斷裂處（中）擴展區(qū)斷口高倍形貌

圖8 斷裂處（左）擴展區(qū)斷口高倍形貌

2.3 化學成分分析

對金屬齒輪進行化學成分分析，結果發(fā)現(xiàn)齒輪的成分符合EN10084-1998中18CrNiMo7-6的成分標準[2]，結果見表1。

表1 化學成分分析結果

2.4 低倍檢驗

在斷裂的輪齒（1#）﹑未斷裂的輪齒（2#﹑3#）上取橫截面，腐蝕后發(fā)現(xiàn)輪齒的表面淬硬層完整，無明顯差異。

2.5 金相檢驗

在2#輪齒上取縱截面，參照GB/T 10561-2005鋼中金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法進行評級[3]，輪齒的金屬夾雜物評為A類細系0.5級，結果見表2。

表2 金屬夾雜物檢驗

分別在1#輪齒的未損壞區(qū)域取橫截面和縱截面﹑在2#輪齒對應于1#輪齒的損壞區(qū)域取橫截面和縱截面進行金相檢驗，結果發(fā)現(xiàn)金屬齒頂和齒根部位均存在微裂紋，齒面基本無微裂紋，但在2#輪齒的齒面上存在損傷凹坑；輪齒表面經(jīng)過滲碳淬回火處理，滲碳層的金相組織為針狀馬氏體﹑貝氏體及殘余奧氏體，輪齒心部的金相組織為回火馬氏體+貝氏體，組織中存在帶狀偏析（見圖9～18）。

圖9 1#樣橫截面齒頂微裂紋形貌500X

圖10 2#樣橫截面齒頂微裂紋形貌500X

圖11 1#樣橫截面齒面形貌500X

圖12 2#樣橫截面齒面形貌200X

圖13 1#樣橫截面齒根微裂紋形貌500X

圖14 2#樣橫截面齒根微裂紋形貌500X

圖15 1#樣橫截面齒面組織形貌500X

圖16 2#樣橫截面齒面組織形貌500X

圖17 1#樣縱截面組織形貌100X

圖18 2#樣縱截面組織形貌500X

參照GB/T 6394-2017金屬平均晶粒度測定方法[4]，1#輪齒和2#輪齒的晶粒度評為7級，形貌見圖19﹑圖20。

圖19 1#樣橫截面晶粒形貌200X

圖20 2#樣橫截面晶粒形貌200X

2.6 滲層深度測試

分別在1#輪齒的未損壞區(qū)域取橫截面﹑在2#輪齒對應于1#輪齒的損壞區(qū)域取橫截面，對齒頂﹑齒面﹑齒根進行有效硬化層深度的測定：1#齒頂有效硬化層深度約為4.2mm，2#齒頂有效硬化層深度約為2.6mm，1#齒面有效硬化層深度約為2.8mm，2#齒面有效硬化層深度約為2.4mm，1#齒根有效硬化層深度約為2.8mm，2#齒根有效硬化層深度約為2.6mm，1#輪和2#輪齒的齒硬化層硬度變化曲線見圖21﹑22。

圖21 1#輪齒的齒硬化層硬度變化曲線

圖22 2#輪齒的齒硬化層硬度變化曲線

2.7 硬度檢測

分別在1#輪齒（斷裂齒）和2#（完整齒）輪齒的橫截面上對基體進行硬度檢測，1#輪齒的基體硬度為36.0～39.0HRC，表面硬度為56.6～59.5HRC，2#輪齒的基體硬度為38.5～40.0HRC，表面硬度為51.8～58.9HRC，結果見表3。

表3 金屬齒輪硬度檢測結果

2.8 沖擊試驗

在金屬齒軸半徑的1/3位置取1組橫向沖擊試樣，齒軸半徑的1/2位置取1組縱向沖擊試樣，在-40℃下進行沖擊性能試驗，結果見表4。

表4 -40℃沖擊試驗結果

3 分析討論

實驗結果表明：金屬齒軸齒輪的成分符合成分符合EN10084-1998中18CrNiMo7-6的成分標準。2#輪齒的輪齒的非金屬夾雜物評為A類細系0.5級；1#輪齒和2#輪齒的晶粒度評為7級；1#輪齒的未損壞區(qū)域的齒頂和齒根部位均存在微裂紋，齒面基本無微裂紋；2#輪齒對應于1#輪齒的損壞區(qū)域的齒頂和齒根部位均存在微裂紋，齒面基本無微裂紋，但有損傷凹坑存在；1#輪齒和2#輪齒的表面均經(jīng)過滲碳淬回火處理，滲碳層的金相組織為針狀馬氏體﹑貝氏體及殘余奧氏體，輪齒心部的金相組織均為回火馬氏體+貝氏體，組織中存在帶狀偏析；斷裂輪齒和未斷裂輪齒的表面淬硬層完整，無明顯差異。1#輪齒未損壞區(qū)域的有效硬化層深度：齒頂約為4.2mm，齒面約為2.8mm，齒根約為2.8mm；2#輪齒對應于1#輪齒的損壞區(qū)域的有效硬化層深度：齒頂約為2.6mm，齒面約為2.4mm，齒根約為2.6mm；1#輪齒的基體硬度為36.0～39.0HRC，表面硬度為56.6～59.5HRC，2#輪齒的基體硬度為38.5～40.0HRC，表面硬度為51.8～58.9HRC，齒軸材料在-40℃的沖擊值為11～19J；

金屬齒軸齒輪上有1個輪齒在偏右側發(fā)生疲勞折斷，開裂起始于輪齒的工作面靠近齒根處，起始開裂處的邊緣存在明顯的壓痕，部分區(qū)域的表層金屬已被壓碎。其余輪齒未發(fā)生折斷，但在輪齒的工作面上均有壓痕﹑擦傷和破損存在，其分布與斷齒的斷裂位置相對應。

從上述實驗結果來看，在輪齒的未損壞區(qū)域，其齒面和齒根有效硬化層深度約為2.8mm，齒根有微裂紋存在，為表面淬硬處理產(chǎn)生的缺陷。當齒輪在傳動過程中，輪齒類似一根懸臂梁，承載后齒根處產(chǎn)生較大的彎曲應力，由于輪齒在交變的彎曲應力下工作，容易從齒根處的薄弱環(huán)節(jié)形成裂紋源，繼而裂紋發(fā)生疲勞擴展，最終導致齒輪疲勞折斷。

整個齒輪輪齒的右側存在損傷痕跡，說明該區(qū)域受到異物擠壓。至于異物的來源，很可能是折斷輪齒部分。

4 結語

金屬齒輪表面淬硬處理后表面有微裂紋存在，輪齒承載后齒根附近受到的應力較大，在交變應力的作用下輪齒發(fā)生了疲勞折斷。