風(fēng)電齒輪箱行星齒輪用連鑄坯的試驗(yàn)研究

□ 周明明

中車福伊特傳動技術(shù)(北京)有限公司 北京 102202

1 試驗(yàn)研究背景

隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展,市場對風(fēng)電齒輪箱的質(zhì)量、成本、可靠性等提出了更高的要求。目前國內(nèi)市場上大部分風(fēng)電齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要為行星排齒輪傳動。對行星齒輪原材料的選擇,大多用模鑄材。由于模鑄材生產(chǎn)效率低,能耗高,成坯率低,不能大批量供貨,因此難以滿足風(fēng)電市場日益增長的需求。對此,很多企業(yè)都將目光投向了連鑄坯。連鑄坯用作一二級內(nèi)齒圈的原材料早有應(yīng)用,但對于連鑄坯用作行星齒輪的原材料,業(yè)內(nèi)存在一定的分歧。一種觀點(diǎn)認(rèn)為,目前連鑄坯的質(zhì)量與模鑄材相比已經(jīng)相差無幾,甚至在某些項(xiàng)目上已經(jīng)優(yōu)于模鑄材,如純凈度和氮、氫、氧有害氣體等,而且使用連鑄坯成本優(yōu)勢大,因此主張使用連鑄坯。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為,國內(nèi)的連鑄坯質(zhì)量狀況仍達(dá)不到國際標(biāo)準(zhǔn),主張慎用連鑄坯。針對這個(gè)問題,依據(jù)模鑄材的質(zhì)量采購要求,采購相同牌號合金鋼連鑄坯,鍛造為齒輪鍛坯,按要求對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到要求,并進(jìn)行了相應(yīng)的鋼中非金屬夾雜物的測定極值分析和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。由連鑄坯加工成多組按照實(shí)際行星齒輪尺寸等效換算的能用于試驗(yàn)臺進(jìn)行試驗(yàn)的試樣齒輪,分別進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)、齒面接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn),最終得到的平均結(jié)果為齒根彎曲疲勞極限550 MPa、齒面接觸疲勞極限1 670 MPa,均已滿足ISO 6336-5:2016中給出的表面硬化滲碳淬火齒輪強(qiáng)度要求,因此滿足設(shè)計(jì)要求。

2 合金鋼連鑄坯及模鑄材冶金質(zhì)量對比

為了確保試驗(yàn)的可靠性,在進(jìn)行等效齒輪試驗(yàn)前,進(jìn)行合金鋼連鑄坯與模鑄材的冶金質(zhì)量對比。在確保氫、氧、磷、硫含量基本相同,鍛后熱處理正火+回火工藝完全相同的條件下,在長期合作的連鑄坯和模鑄材供應(yīng)商中任意抽取行星齒輪用連鑄坯和模鑄材各三個(gè)爐號,進(jìn)行對比,鍛后尺寸均為外徑580 mm、內(nèi)徑300 mm、厚度400 mm。

鋼材的化學(xué)成分見表1,鋼材的殘余元素含量見表2。

表1 鋼材化學(xué)成分

表2 鋼材殘余元素含量

鋼材的低倍組織及非金屬夾雜物等級見表3。由表3中各數(shù)值可見,連鑄坯和模鑄材的低倍組織致密,無裂紋,非金屬夾雜物很少,連鑄坯和模鑄材相比未見差異。

表3 鋼材低倍組織及非金屬夾雜物等級

鋼材的非金屬夾雜物檢測結(jié)果見表4。采用鋼中非金屬夾雜物的顯微檢驗(yàn)方法,可以對非金屬夾雜物進(jìn)行分類測量,但存在面積小、偶然性大的缺陷。而采用非金屬夾雜物測定極值分析,取樣檢測數(shù)量至少為24個(gè)檢測面,用掃描電子顯微鏡進(jìn)行檢測,檢測總面積為150×12 mm2,并用極值分析的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,可以在最大程度上反映出非金屬夾雜物的分布狀態(tài),降低偶然性,對于一定含量的非金屬夾雜物,分析得到的數(shù)據(jù)具有唯一性。由檢測結(jié)果可以看出,在非金屬夾雜物等級檢測相同的前提下,連鑄坯的夾雜物相比模鑄材尺寸大一些,純凈度相對差一些。

表4 鋼材非金屬夾雜物檢測結(jié)果

3 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

在連鑄坯內(nèi)孔處制取45根標(biāo)準(zhǔn)圓柱試棒,連鑄坯內(nèi)孔處相對而言是夾雜物比較多的部分,在內(nèi)孔處制取試棒進(jìn)行試驗(yàn)更具有代表性。通過旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī),獲得室溫下標(biāo)準(zhǔn)光滑試樣單軸彎曲應(yīng)力作用時(shí)被測材料的疲勞壽命曲線和基礎(chǔ)疲勞強(qiáng)度值,并對疲勞斷口進(jìn)行失效模式分類與裂紋溯源。

試驗(yàn)在使用頻率為50～100 Hz的懸臂式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)臺上進(jìn)行,主軸轉(zhuǎn)速采用3 000～6 000 r/min,直至進(jìn)行到試樣失效或達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)107,試驗(yàn)終止。根據(jù)得到的應(yīng)力值和循環(huán)次數(shù),確定疲勞壽命曲線和疲勞強(qiáng)度值。

在一定彎矩下,試樣半徑方向和軸向上的應(yīng)力分布如圖1所示。

▲圖1 試樣應(yīng)力分布

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出試樣疲勞壽命曲線,如圖2所示。顯然,循環(huán)次數(shù)為107的平均疲勞強(qiáng)度為780 MPa,循環(huán)次數(shù)為3×106的平均疲勞強(qiáng)度為840 MPa。通過計(jì)算極限試樣的疲勞壽命變化,可以推斷出99%可靠度3×106次循環(huán)的疲勞強(qiáng)度極限在700 MPa～720 MPa范圍內(nèi)。試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度見表5。

表5 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度 MPa

失效試樣斷裂表面的掃描電子顯微鏡照片如圖3所示。由圖3可見,失效試樣均為疲勞斷裂,失效試樣的大多數(shù)裂紋萌生位置來自加工表面,個(gè)別來自非金屬夾雜物。對斷裂處非金屬夾雜物進(jìn)行測量,最大尺寸為63.3 μm左右。

▲圖2 試樣疲勞壽命曲線

4 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

齒輪的失效形式如圖4所示,大部分為齒面磨損、齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合、塑性變形、齒根斷裂、齒面斷裂等。從故障失效機(jī)理分析,可分為材料疲勞相關(guān)故障和非材料疲勞相關(guān)故障。點(diǎn)蝕和齒根斷裂是齒輪疲勞失效的典型表現(xiàn)。齒輪運(yùn)行過程中應(yīng)力分布如圖5所示。從圖5中可以看出,齒面接觸應(yīng)力和齒根彎曲應(yīng)力相對最大,這兩點(diǎn)也是試驗(yàn)的重點(diǎn)。

▲圖3 失效試樣表面掃描電子顯微鏡照片

▲圖4 齒輪失效形式

為了消除單純?yōu)樵囼?yàn)加工樣件帶來的生產(chǎn)差異,試驗(yàn)齒輪的機(jī)加工過程和熱處理過程均在現(xiàn)有設(shè)備生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)上進(jìn)行,同時(shí)按照常規(guī)生產(chǎn)質(zhì)量要求進(jìn)行控制。

加工工藝流程為鍛件粗車、精車、滾齒、齒廓倒角、滲碳淬火、拋丸、磨齒、酸洗檢測、磁粉探傷,得到試驗(yàn)齒輪成品。

▲圖5 輪齒應(yīng)力分布

齒根彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)用試樣齒輪參數(shù)見表6。

表6 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)試樣齒輪參數(shù)

齒根彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)臺如圖6所示。在恒定脈動載荷下,直至輪齒出現(xiàn)齒根彎曲疲勞失效或齒根應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到6×106,試驗(yàn)終止,同時(shí)獲得輪齒在試驗(yàn)應(yīng)力下的一個(gè)壽命數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)中,若出現(xiàn)下列情況之一,均應(yīng)判為齒根彎曲失效:① 齒根出現(xiàn)可見疲勞裂紋;② 載荷或頻率下降5%～10%;③ 沿齒根斷齒。

根據(jù)25～30個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的脈動試驗(yàn)載荷,確定相應(yīng)的疲勞壽命曲線,并根據(jù)ISO 6336-5:2016 將脈動試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換為齒根彎曲疲勞極限。

▲圖6 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)臺

5 齒面接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

齒面接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)用試樣齒輪參數(shù)見表7。

表7 齒面接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)試樣齒輪參數(shù)

試驗(yàn)在齒面接觸疲勞試驗(yàn)臺上進(jìn)行,如圖7所示。試驗(yàn)臺以1 800 r/min的恒定速度驅(qū)動,齒面滑移速度為13～15 m/s。所有試驗(yàn)均在油霧潤滑條件下進(jìn)行,使用黏度等級為ISO VG 100 的礦物油,油溫為60 ℃。當(dāng)齒面出現(xiàn)接觸疲勞失效或齒面應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)5×107時(shí),試驗(yàn)終止,同時(shí)獲得齒面在試驗(yàn)應(yīng)力下的一個(gè)壽命數(shù)據(jù)。

▲圖7 齒面接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)臺

試驗(yàn)在以下情況時(shí)終止:① 發(fā)生斷齒;② 點(diǎn)蝕損壞后單齒點(diǎn)蝕面積率達(dá)到4%或齒輪副點(diǎn)蝕面積率達(dá)到0.5%。

每次試驗(yàn)運(yùn)行后,通過掃描電子顯微鏡照片對點(diǎn)蝕損傷形貌、齒面位置、齒面齒序號、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)進(jìn)行跟蹤檢查,并做描述和記錄,根據(jù)ISO 6336-5:2016計(jì)算出齒面接觸疲勞極限。

6 試驗(yàn)結(jié)果

齒根彎曲疲勞極限、齒面接觸疲勞極限的平均值與標(biāo)準(zhǔn)給出的不同質(zhì)量等級的參考值比較如圖8所示。圖8中,ME為齒輪材料品質(zhì)和熱處理質(zhì)量最佳時(shí)得到的疲勞極限,MQ為齒輪材料品質(zhì)和熱處理質(zhì)量中等時(shí)得到的疲勞極限,ML為齒輪材料品質(zhì)和熱處理質(zhì)量最低時(shí)得到的疲勞極限。顯然,連鑄坯齒輪的齒根彎曲疲勞極限高于ME等級,同時(shí)表現(xiàn)出非常高的齒面接觸疲勞極限,即齒面接觸疲勞極限同樣高于ME等級。

7 結(jié)束語

試驗(yàn)用的合金鋼連鑄坯的冶金質(zhì)量與模鑄材相比未見差異,由非金屬夾雜物的測定檢測結(jié)果可知,連鑄量坯的非金屬夾雜物大小為69.47 μm,模鑄材的非金屬夾雜物大小為48.90 μm,連鑄坯相比模鑄材,非金屬夾雜物尺寸大。圓柱試棒的彎曲疲勞斷口分析中,非金屬夾雜物的最大長度為63 μm,與非金屬夾雜物的測定檢測結(jié)果相吻合。

▲圖8 疲勞極限比較

由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)及齒面接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)得到的結(jié)果可知,齒根彎曲疲勞極限為550 MPa,齒面接觸疲勞極限為1 670 MPa,均已達(dá)到并高于齒輪承載能力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)ISO 6336-5:2016中給出的表面硬化滲碳淬火齒輪ME等級強(qiáng)度要求,因此對于內(nèi)孔不小于300 mm的行星齒輪而言,使用合金鋼連鑄坯作為原材料,能夠滿足設(shè)計(jì)要求。