分享:风电齿轮箱齿轮轴断齿原因

燕友增,孟高强,曹 奇,张 皓,高文香

(明阳智慧能源集团股份公司,中山 528400) 

摘 要:某型号风机在运转过程中,其齿轮箱中的齿轮轴发生断齿。采用宏观观察、断口分析、 能谱分析、硬度测试、金相检验等方法对其断齿原因进行分析。结果表明:齿轮轴齿部断裂特征为 疲劳断裂,裂纹源处存在大尺寸 B类氧化铝夹杂物,引起该处明显的应力集中,导致齿轮轴发生断 齿。最后提出了整改措施,经过整改后,该风机齿轮轴未出现断齿现象。 

关键词:风电齿轮箱;齿轮轴;断齿;疲劳断裂;大尺寸夹杂物 中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)10-0075-04

齿轮轴是风电齿轮箱的核心部件,一端用来啮 合齿轮,另一端用来过盈装配大齿轮,其承受的弯曲 应力较大,在使用过程中容易发生断齿。齿轮轴的 材料为 18CrNiMo7-6 钢,其 一 般 的 生 产 工 艺 流 程 为:炼钢→锻造→锻后正回火→粗加工→渗碳淬火 →精加工。某风电齿轮箱在运转了约10个月后,其 齿轮轴发生断齿,齿轮轴结构示意及断齿的齿轮轴 宏观形貌如图1所示。笔者采用一系列理化检验方 法对该齿轮轴的断齿原因进行分析。 

1 理化检验

1.1 宏观观察 

用线切割的方式对齿轮轴断齿部分进行切割取 样 ,断齿的宏观形貌如图2所示。整个齿轮轴只有 一颗齿发生了断裂,断口宏观形貌完整,无磨损、锈 蚀情况,其余轮齿较完整。从未断裂齿面情况来看, 齿面啮合痕迹比较清晰,轴向和径向啮合面积大于 95%,不存在偏载情况,初步排除由于齿轮装配或齿 轮传动异常导致断齿的可能。 齿轮轴断口处的宏观形貌如图3所示,图3中 存在明显的疲劳弧线[1],根据裂纹源的扩展方向可 以判断裂纹源的位置,裂纹源位于次表面,断口属于 单一裂纹源疲劳断裂。 图3 齿轮轴断口处宏观形貌

1.2 化学成分分析 

从断齿上取样,按照 GB/T4336—2016《碳素钢 和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发 射光谱法(常规法)》,用直读光谱仪分析断齿心部的 化学成分,结果如表1所示,结果符合 EN10084— 2008《渗碳钢交货技术条件》对18CrNiMo7-6钢的 要求。

1.3 扫描电镜(SEM)分析 

采用SEM 对裂纹源进行观察,结果如图4所 示,由图4可知:裂纹源处存在与周围基体明显不同 的物质,长度约2~3mm,疑似为夹杂缺陷,裂纹从 裂纹源处向四周扩散,存在明显的疲劳弧线和辉纹, 裂纹源附近区域呈准解理微观形貌。

1.4 能谱分析

采用能谱分析仪对裂纹源处的疑似夹杂物进行 分析,结果如图5所示,由图5可知:裂纹源处 Al,O 元素 含 量 异 常,远 高 于 标 准 EN 10084—2008 对 18CrNiMo7-6钢的要求,分析可知该夹杂物属于 B 类氧化铝夹杂物。

1.5 齿面磨削烧伤检测 切取 断 齿 和 非 断 齿 的 齿 面,按 标 准 GB/T 17879—1999《齿轮磨削后表面回火的浸蚀检验》进 行磨削烧伤检测,未发现磨削烧伤痕迹,说明不存在 生产制造或使用维护不当导致高温损毁的情况[2]。 断齿和非断齿齿面浸蚀后的宏观形貌如图6所示。

1.6 硬度测试

在断 齿 的 表 面 和 心 部 取 样,按 标 准 GB/T 230.1—2018《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分: 试验方法》进行硬度测试,结果如表2所示,表面硬 度的 平 均 值 为 60.3 HRC,心 部 硬 度 的 平 均 值 为 33.7HRC,结果满足设计要求。

1.7 齿面渗碳层深度和硬度梯度分析 

从断齿上取样,按照 GB/T9450—2005 《钢件 渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》测试其硬度梯 度,结果如表3所示,齿面硬度梯度曲线如图7所 示,渗碳层深度为2.0mm,满足设计要求。

1.8 金相检验

图8 断齿表面和心部的显微组织形貌 从断齿上取样,用体积分数为4%的硝酸乙醇 溶液腐蚀,按照JB/T6141.3—1992 《重载齿轮 渗 碳金相检验》,用光学显微镜评定断齿表面和心部的 显微组织,结果如图8所示,由图8可知:断齿表面 组织为细针状马氏体、残余奥氏体和碳化物(2级); 心部组织为板条马氏体及少量铁素体[3],符合ISO

6336-5:2003《正齿轮和斜齿轮承载能力的计算 第 5部分 材料的强度和质量》的 MQ 级 要 求。按 照 GB/T6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》,用 光学显微镜检验心部的晶粒度,结果为7.5级,符合 标准要求(≥6级)。 2 综合分析 为了找到断齿的原因,需要从齿轮箱设计、生产 制造和使用维护等多个方面进行分析。该风机齿轮 箱没有发生大批量断齿的情况,故可以排除设计原 因。 该齿轮箱仅运转了 使用时间较短,且风场对 10 振 个 动 月 、油 左 温 右 、 就 油 发 压 生 等 了 关 断 键 齿 参 , 数都有大数据实时监控,断齿的齿轮箱各监控数据 与风场其他齿轮箱并无明显差异,故可以排除使用 维护的原因。 由断齿齿轮的宏观形貌可知:齿面啮合面积大 于95%,说明不存在偏载情况,可以初步排除由于 齿轮装配或齿轮传动异常导致断齿的可能。 由齿面磨削烧伤分析结果可知:断齿和非断齿 的齿面均未发现磨削烧伤痕迹,可以排除由于生产 制造或使用维护不当产生磨削烧伤导致齿面点蚀剥 落,进而导致断齿的可能。 由化学成分、硬度测试和金相检验结果可知:齿 轮轴断齿的化学成分、晶粒度、齿面硬度、渗碳层深 度、硬度梯度等结果均符合设计及标准要求。 从断口的 SEM 分析可知:裂纹源处存在疑似 夹杂物,结合能谱分析得到裂纹源处 Al,O 元素含 量异常,判断为 B类氧化铝夹杂物。氧化铝夹杂物 硬度高、受力时不易变形,大尺寸氧化铝夹杂物的存 在会割裂基体的连续性,降低材料的疲劳强度。当 夹杂物处在承受应力较大位置时,夹杂物周围易产 生应力集中,从而萌生疲劳裂纹,随着时间的延长, 裂纹会进一步扩展,最终发生疲劳断裂[4]。

3 整改措施 

(1)炼钢熔化期:烘干电炉炉衬,控制炉料的纯 净度、高氧化性、好的流动性,适量的熔渣,中等偏低 温度[5]。 (2)炼钢氧化期:增大沸腾程度、延长沸腾时 间、彻底扒渣、控高温、薄渣、加大供氧量和氩气量。 (3)炼钢还原期:烘干钢包炉衬、控制加入合金 的纯净度、降低 O 元素和 S元素的含量、控制氩气 搅拌。 (4)炼钢真空脱气:采用氩气搅拌、延长脱气时 间。 (5)浇注:采用氩气保护,防止二次氧化,吹扫 干净出钢槽。 (6)锻造:充分锻打,采用合适的利用率。

4 结语 

该风机齿轮轴断齿属于单源疲劳断裂,裂纹源 处存在大尺寸的 B类氧化铝夹杂物,冶炼缺陷是齿 轮轴发生断齿的主要原因。经整改后,笔者单位生 产了近百件产品,都未发生开裂。

文章来源：材料与测试网