某型半直驅(qū)風(fēng)機齒輪箱斷齒故障分析

程漠砥，仲 啟，劉一凡

（1.國網(wǎng)吉林省電力公司，長春 130028；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春 130021）

0 引言

半直驅(qū)式永磁風(fēng)電機組相比直驅(qū)式永磁風(fēng)電機組增加了小增速比的齒輪箱，發(fā)電機極數(shù)減少，克服了永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組體積重量巨大、成本高的缺點［1］。其齒輪箱普遍采用兩級行星輪增速的結(jié)構(gòu)，具有傳動效率高、體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點，可以保證齒輪箱結(jié)構(gòu)緊湊的同時，滿足一定的增速比要求［2］。行星結(jié)構(gòu)雖然減小了齒輪箱的體積，但也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動鏈路長，對材料要求高的缺點。在重載、陣風(fēng)和灰塵等因素的影響下，將引起齒輪的點蝕、脫落和裂紋等局部損傷。在齒輪箱運行中，局部損傷將逐步擴展加重，最終導(dǎo)致輪齒斷裂，造成齒輪箱失效［3］。本文介紹了一起由于半直驅(qū)風(fēng)機齒輪箱斷齒導(dǎo)致風(fēng)機停運的故障案例。

1 事件經(jīng)過

故障風(fēng)機型號為MySE4.0-156／110低溫型風(fēng)機，其齒輪箱型號為MYSCD4.0CLXSe-R01-B，為兩級行星輪增速結(jié)構(gòu)。2023年2月23日，該機組故障停機，現(xiàn)場運行人員在進行塔下檢查時發(fā)現(xiàn)齒輪箱存在異響現(xiàn)象，進一步登機檢查齒輪箱、拆開磁棒后發(fā)現(xiàn)磁棒附有大量鐵屑，并對齒輪箱內(nèi)部開展內(nèi)窺鏡檢查，發(fā)現(xiàn)齒輪箱二級行星輪及齒圈剝落嚴(yán)重。事故發(fā)生后，現(xiàn)場人員將故障齒輪箱從風(fēng)機拆下，送往廠家進行解體檢查。

現(xiàn)場對齒輪箱箱體進行解體檢查發(fā)現(xiàn)：齒輪箱外觀無明顯磕碰，箱體固定螺栓防松線無錯位現(xiàn)象。拆開齒輪箱后端蓋并檢查后端蓋上的軸承外圈及滾子，其表面光滑無缺陷，可正常滾動。進一步拆解，發(fā)現(xiàn)一級太陽輪齒面光滑無異常，與之前內(nèi)窺鏡檢查結(jié)果基本一致。但二級行星架及行星架上的3個行星輪上均有多處齒面剝落，且二級行星輪齒面剝落面處存在大量燒灼痕跡，分離中箱體與一級行星架，發(fā)現(xiàn)一級行星齒輪、一級齒圈齒面光滑平順，一級行星架的下風(fēng)向軸承滾子表面光滑，可靈活轉(zhuǎn)動，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。檢查二級太陽輪發(fā)現(xiàn)，該級太陽輪齒面有斷齒情況，且所有齒面在非工作面、靠近發(fā)電機側(cè)均存在壓痕，其中一處非工作面的齒面剝落處有疲勞紋出現(xiàn)。故障部件狀況見圖1、圖2。

圖1 二級行星輪及材質(zhì)檢測取樣點

圖2 二級太陽輪

上述情況證明齒輪箱在運行中曾承受過較強不均勻瞬時應(yīng)力，導(dǎo)致齒面出現(xiàn)壓痕、疲勞紋且痕跡不均勻分布，且齒面發(fā)生剝落后未能及時停機，風(fēng)機仍運行了一段時間，在此期間齒面剝落部分與齒輪齒圈不斷摩擦碾壓，最終形成燒灼痕跡。

2 事故原因分析

2.1 振動檢測數(shù)據(jù)分析

風(fēng)力發(fā)電機診斷是目前風(fēng)力發(fā)電機設(shè)備維修、維護管理的主要手段。在風(fēng)機運行過程中，由于振動所引起的機械損壞占比很高，所以目前在診斷技術(shù)上應(yīng)用最多的是機械振動信號檢測。其核心思想是利用加速度傳感器檢測振動情況，由計算機對振動數(shù)據(jù)進行采樣、濾波，提取有效振動頻帶內(nèi)的峰值振動頻率判斷運行是否正常，即風(fēng)力發(fā)電機運行狀態(tài)可從振動數(shù)據(jù)上體現(xiàn)出來。風(fēng)機廠家提供的事故當(dāng)天風(fēng)速趨勢及振動趨勢見圖3、圖4。

圖3 風(fēng)速趨勢

圖4 振動趨勢

可以從圖3中發(fā)現(xiàn)：2月20日20時24分起，該時間點的風(fēng)速值在短時間內(nèi)產(chǎn)生較大波動，從6 m／s波動至10 m／s，且圖4中該時間點的齒輪箱振動值在短時間內(nèi)發(fā)生了多次大幅度、高頻率的變化。此時風(fēng)機其他參數(shù)，如齒輪箱油溫、環(huán)境溫度、齒輪箱轉(zhuǎn)速均無明顯異常。因此可以初步判斷風(fēng)機齒輪箱在振動高點時間，即2月20日20時24分前后已經(jīng)發(fā)生了斷齒事故，并與當(dāng)時風(fēng)速大幅度波動、齒輪箱受到的瞬時應(yīng)力過大有著較大關(guān)聯(lián)。但風(fēng)機振動檢測系統(tǒng)中的診斷系統(tǒng)給出的意見是“振動略大，不適合長期運行”，致使現(xiàn)場運行人員產(chǎn)生誤判。因此從故障發(fā)生到風(fēng)機停機檢查的3天內(nèi)，風(fēng)機仍繼續(xù)運行，造成本次故障最終擴大為事故，且齒輪初始斷口無法準(zhǔn)確判斷，防礙了之后的分析。

2.2 二級行星輪取樣金屬材質(zhì)分析

由于現(xiàn)場齒輪組損壞面較多，因此選取四處材料（三處行星輪取樣、一處太陽輪取樣）開展了光譜分析、硬度值測試、金相檢測，并對取樣斷口處進行了掃描電鏡分析、能譜分析。

2.2.1 光譜分析

四處材料取樣的光譜分析結(jié)果見表1。光譜分析是指根據(jù)物質(zhì)的光譜鑒別物質(zhì)及確定它的化學(xué)組成和相對含量的方法。其優(yōu)點是靈敏、迅速。其原理是：在正常狀態(tài)下，元素處于基態(tài)。元素在受到光、電或熱激發(fā)時，由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，返回到基態(tài)時，發(fā)射出特征光譜。檢測樣品受到激發(fā)后，各元素同時發(fā)射各自的特征光譜，可以通過光譜色強度精準(zhǔn)地計算出鋼材等材料中各元素成分質(zhì)量濃度是否達標(biāo)合格。

表1 二級行星輪、二級太陽輪取樣光譜分析結(jié)果單位：%

四處材料取樣的材質(zhì)均為18Cr Ni Mo7-6，其元素組成主要有Si、Mn、Cr、Ni、Mo等。檢查結(jié)果表明，四處取樣的元素組成實測值均在GB／T 1176—2013《鑄造銅及銅合金》規(guī)定范圍內(nèi)，證明齒輪箱齒輪材料各元素成分質(zhì)量濃度是正常的，即齒輪在制造過程中的原材料選取是正常的。

2.2.2 硬度值測試

硬度是材料抵抗局部塑性變形或表明損傷的能力，它是金屬材料力學(xué)性能中最常用的一個性能指標(biāo)。材料硬度值與其強度存在著一定的比例關(guān)系，可以通過硬度測試來得到金屬材料的強度值。四處材料取樣的硬度測試結(jié)果見表2。

表2 二級行星輪、二級太陽輪取樣表面硬度檢測結(jié)果

該齒輪箱齒輪以GB／T 9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》為制造標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定18Cr Ni Mo7-6材料的硬度值為58～62。四處取樣的硬度值測試結(jié)果在59.2～61.8，均處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的硬度值范圍內(nèi)，說明齒輪箱齒輪的強度處于正常范圍。

2.2.3 金相組織分析

金相檢驗是通過觀察金屬材料微觀金相組織對材料進行檢驗的，根據(jù)檢驗結(jié)果可以判明材料類別、檢查材料質(zhì)量和熱處理狀態(tài)、檢驗熱處理效果、檢測材料中的微觀缺陷等。

行星輪、太陽輪材料取樣及齒根斷口金相分析結(jié)果分別見圖5、圖6及表3。

表3 二級輪系齒根斷口分析結(jié)果

圖5 二級行星輪齒根金相組織

圖6 二級太陽輪齒根金相組織

依據(jù)GB／T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定—標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》，齒輪箱齒輪金相組織分析結(jié)果表明，四處材料取樣的金相組織均為馬氏體，無其余組織摻雜，其評定級別為3級，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。說明齒輪箱齒輪微觀組織無明顯缺陷，熱處理效果良好。

2.2.4 斷口分析

斷口分析的實驗基礎(chǔ)是對斷口表面的宏觀形貌和微觀結(jié)構(gòu)特征進行直接觀察和分析。斷口的形態(tài)分析可以確定如斷裂起因、斷裂性質(zhì)、斷裂方式、斷裂機制、斷裂韌性、斷裂過程的應(yīng)力狀態(tài)以及裂紋擴展速率等金屬材料失效問題。

對太陽輪取樣斷口處進行掃描電鏡觀察，斷口表面顆粒微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果見表4。

表4 表面顆粒微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果單位：%

掃描電鏡檢查發(fā)現(xiàn)二級太陽輪斷裂齒斷口可觀察到斷口內(nèi)的微裂紋和斷口表面孔洞和顆粒；使用能譜儀對表面顆粒進行微區(qū)化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)二級太陽輪斷裂齒斷口表面顆粒為SiO2、MgO、Al2O3等氧化物。表明可能與齒輪斷裂后又繼續(xù)運行一段時間發(fā)生氧化有關(guān)。

通過對齒輪箱齒輪金屬材料采樣分析，發(fā)現(xiàn)樣本無明顯缺陷，各項指標(biāo)均在相關(guān)制造標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，可以排除材質(zhì)本身缺陷導(dǎo)致齒輪箱齒輪金屬材料失效進而引發(fā)故障的因素。

2.3 油質(zhì)分析

對現(xiàn)場運行人員提供的齒輪箱油樣檢測分析。分析結(jié)果表明：事故風(fēng)機齒輪箱油樣理化指標(biāo)正常，但多數(shù)樣品的泡沫特性超標(biāo)，且部分樣品顆粒污染度超標(biāo)，其可能帶來油壓不穩(wěn)定的情況，產(chǎn)生假油位問題。油中顆粒數(shù)量增多，會加劇齒輪箱內(nèi)部磨損。

綜上所述，本次故障中，齒輪箱油的泡沫特性超標(biāo)和顆粒污染度超標(biāo)所導(dǎo)致的油壓不穩(wěn)、齒輪箱內(nèi)部磨損加劇是誘發(fā)本次故障的原因。

3 結(jié)論及預(yù)防措施

通過現(xiàn)場解體檢查、取樣分析結(jié)果和各項分析數(shù)據(jù)得出，本次故障事件中齒輪箱齒輪金屬材料無明顯缺陷，各項指標(biāo)均符合要求；齒輪箱油的泡沫特性超標(biāo)和顆粒污染度超標(biāo)導(dǎo)致油壓不穩(wěn)、齒輪箱內(nèi)部磨損加劇是本次故障的誘因；由于故障發(fā)生當(dāng)天風(fēng)機瞬時風(fēng)速波動較大，齒輪箱二級行星輪組產(chǎn)生較強瞬時應(yīng)力而導(dǎo)致齒輪損壞，引發(fā)風(fēng)機齒輪箱振動過大是本次故障的主要原因；由于振動高點發(fā)生時，現(xiàn)場運行人員并沒有及時采取停機措施，最終造成本次齒輪箱斷齒故障的擴大。

基于本次故障原因，為避免同類故障再次發(fā)生，建議采用相關(guān)型號風(fēng)機的風(fēng)電場應(yīng)加強風(fēng)機運行監(jiān)測，提升風(fēng)機振動監(jiān)測故障判斷標(biāo)準(zhǔn)，確保準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，及時給予現(xiàn)場反饋，并設(shè)置現(xiàn)場報警界面，確保現(xiàn)場第一時間停運風(fēng)機，避免故障擴大。同時，風(fēng)電場應(yīng)加強開展齒輪箱內(nèi)窺鏡檢查頻率，內(nèi)窺鏡是精準(zhǔn)度很高的齒輪箱內(nèi)部檢測方法，建議盡快對同批次、同型號風(fēng)機進行全面的內(nèi)窺鏡檢查，并形成固定檢查周期，確保運行安全。此外風(fēng)電場應(yīng)加強風(fēng)機齒輪箱在線濾油處理，保證運行過程中齒輪箱油的品質(zhì)，避免齒輪箱異常情況發(fā)生。