分享：某风电机组行星齿轮断齿原因

谢文婷,祁红璋,任蓓蕾,龚 凯,袁象恺 

(通标标准技术服务(上海)有限公司,上海 200120) 

摘 要:某风电机组行星齿轮在运行约2a后发生断齿。采用化学成分分析、宏观观察、断口分 析、金相检验、扫描电镜及能谱分析等方法,分析了该齿轮断齿的原因。结果表明:该行星齿轮原材 料中存在大量聚集的夹杂物,在齿轮服役过程中,夹杂物附近易产生应力集中,从而在该处萌生裂 纹,齿轮表面烧伤加速裂纹扩展,最终导致齿轮发生疲劳断裂。

关键词:风电机组;齿轮;疲劳断裂;非金属夹杂物

中图分类号:TG115 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)03-0058-05

风电机组齿轮是机组主轴和发电机之间传递动 力的传动 部 件,是 风 力 发 电 机 组 中 的 重 要 组 成 部 分[1]。受到设计、制造工艺及运行情况等因素的影 响,齿轮在服役多年后会出现表层剥落、点蚀甚至断 齿等现象[2-5]。 

目前,关于夹杂物引起的应力集中导致齿轮发 生疲劳断齿的报道较多[6-8]。某厂风电机组行星齿 轮 在 运 行 约 2 a 后 发 生 断 齿,齿 轮 材 料 为 18CrNiMo7-6钢,齿表面进行了渗碳处理。图1为 行星齿轮断裂齿和完整齿的宏观形貌。

笔者通过化学化成分分析、宏观观察、断口分 析、金相检验、扫描电镜及能谱分析等方法,确定该 行星齿轮发生断齿的原因。

1 理化检验 

1.1 化学成分分析

采用直读光谱仪和 O N H 元素分析仪对行星 齿轮断裂齿进行化学成分分析,结果见表1。行星 齿轮断裂齿的化学成分符合 DINEN10084-2008 标准中对18CrNiMo7-6钢的技术要求。

1.2 表面回火的浸蚀检验

依据 GB/T17879-1999《齿轮磨削后表面回 火的浸蚀检验》标准对行星齿轮完整齿齿面(工作 面)进行表面回火的浸蚀检验,结果见图2。行星齿 轮完整齿齿面存在烧伤情况。 

1.3 硬度测试 

对行星齿轮断裂齿和完整齿的齿面硬度、心部硬 度以及齿面各位置的表面渗碳淬火硬化层深度进行 测试,根据 GB/T1172-1999《黑色金属硬度及强度 换算值》标准,将洛氏硬度转换成布氏硬度,测试结果 见表2和表3。可知行星齿轮断裂齿近表面硬度略低于客户提供的技术要求,完整齿近表面硬度和心部 硬度均符合客户提供的技术要求,断裂齿表面渗碳 淬火硬化层的深度符合客户提供的技术要求,完整 齿表面渗碳淬火硬化层深度略大于客户提供的技术 要求上限值。

1.4 金相检验

1.4.1 显微组织观察 

在行星齿轮断裂齿和完整齿截面截取试样,经镶 嵌、研磨、抛光、浸蚀后,在金相显微镜下观察其表面 与心部的显微组织。依据 GB/T25744-2010《钢件 渗碳淬火回火金相检验》和 GB/T6394-2017《金属 平均晶粒度测定方法》标准对组织、碳化物以及晶粒 度进行评级。如图3所示:行星齿轮断裂齿表面有明 显烧伤痕迹,断裂齿表面的马氏体组织为3级、残余 奥氏体为2级、碳化物为1级,心部组织为1级,晶粒 度为8.0级;完整齿表面的马氏体组织为2级、残余 奥氏体为1级、碳化物为1级,心部组织为1级,晶粒 度为7.5级。行星齿轮断裂齿和完整齿的组织、碳化 物以及晶粒度评级均满足客户提供的技术要求(碳化 物不大于3级,马氏体不大于5级,残余奥氏体不大 于4级,心部组织不大于4级,晶粒度不大于6级)。

如图4所示,行星齿轮完整齿和断裂齿均存在 一定 程 度 的 晶 界 氧 化,但 符 合 ISO 6336-5:2016 Calculationofloadcapacityofspurandhelical gears-Part5:Strengthandqualityof materials 标准中 MQ10.6级别非磨削面晶界内氧化(IGO ) 允许深度的要求(不大于50μm)。 

1.4.2 非金属夹杂物检验 

在行星齿轮断裂齿和完整齿截面截取试样,经 镶嵌、打磨和抛光后,在金相显微镜下观察非金属夹 杂物形貌,依据 GB/T10561-2005《钢中非金属夹 杂物含量的测定标准评级图显微检验法》标准,对非 金属夹杂物进行评级。如表4和图5所示,行星齿 轮断裂齿和完整齿中的非金属夹杂物评级均不符合 标准值。

1.5 断口分析 

采用体视显微镜和扫描电镜(SEM)观察行星 齿轮断裂齿的断口形貌。如图6所示:行星齿轮断 裂齿断口表面磨损严重,但仍可见明显的放射线形 貌,区域 A 为裂纹源区;进一步放大观察区域 A 发 现,区域 A 存在尺寸约为500μm×250μm 的夹杂 物聚集区;区域 B存在疲劳辉纹。

1.6 扫描电镜及能谱分析

使用扫描电镜及能谱仪对区域 A 进行微区化 学成分检测,结果见图7和表5。行星齿轮断裂齿断 口区域 A 非金属夹杂物处存在尺寸约为500μm× 250μm 的铝、氧元素密集区,对该区域7个位置进 行 EDS分析,位置1~4的铝、氧元素含量异常,表 明该区域夹杂物为氧化铝。

2 分析与讨论 

通过化学成分分析可知,行星齿轮断裂齿和完 整齿的化学成分均符合 DINEN10084-2008标准 中对18CrNiMo7-6钢的技术要求。通过显微组织 观察可知,行星齿轮断裂齿和完整齿的组织无明显 差异,且均符合客户提供的技术要求。 

通过硬度及硬化层深度测试结果可知:行星齿 轮断裂齿近表面硬度略低于客户提供的技术要求, 这会降 低 齿 轮 表 面 的 耐 接 触 疲 劳 和 弯 曲 疲 劳 能 力[9];完整齿近表面和心部的硬度均符合客户提供 的技术要求;断裂齿的渗碳层深度符合客户提供的 技术要求,完整齿的渗碳层深度大于客户提供的技 术要求上限值。通过表面回火的浸蚀检验结果可 知,行星齿轮完整齿齿面存在烧伤现象,烧伤会加速 齿面的疲劳失效[10]。断裂齿表面存在的白亮层可 能是在行星齿轮服役过程中润滑不良,使磨削应力 过大、产生高温而形成的。 

通过非金属夹杂物检验结果可知,行星齿轮断 裂齿和完整齿中均存在 DS类1.5级夹杂物,不符合 标准值。通过扫描电镜及能谱分析结果可知,断裂 齿断口裂纹源区存氧化铝非金属夹杂物聚集区,断 口上可见疲劳辉纹。

通过以上分析可知,该行星齿轮原材料中可能 存在夹杂物缺陷。考虑行星齿轮表面的受力情况, 在渗碳处理后,齿轮中的碳含量沿深度方向呈梯度 分布,导致淬火马氏体相变引起的体积变化不同。 因此,该行星齿轮表面硬化层的残余应力分布情况 为表层渗碳层受压应力,渗碳层下方过渡区逐渐由 最大压应力向最大拉应力转变[11]。该行星齿轮断 裂齿断口裂纹源区的夹杂物距离齿面约5 mm,其 位置已超出渗碳层深度,即夹杂物未处于受最大拉 应力的过渡区。因此,判断该行星齿轮原材料中存 在大量聚集的夹杂物,从而使齿轮的疲劳强度降低, 在齿轮服役过程中,夹杂物附近易产生应力集中,裂 纹在该处萌生,齿轮表面烧伤加速裂纹扩展,最终导 致行星齿轮发生疲劳断裂。

综上所述,行星齿轮的断裂模式是原材料中存 在的夹杂物引起的疲劳断裂。

3 结论与建议

(1)该行星齿轮原材料中存在大量聚集的夹杂物,使齿轮的疲劳强度降低,在齿轮服役过程中,夹 杂物附近易产生应力集中,从而在该处萌生裂纹,齿 轮表面烧伤加速裂纹扩展,最终导致齿轮断裂。 (2)应加强对该行星齿轮原材料中夹杂物的检 测,在运行过程中应注意行星齿轮的润滑情况。

参考文献: [1] 刘溯.风机齿轮箱轴承常见失效模式及解决方案[J]. 电气制造,2011(2):32-33. [2] 王荣.风能发电机组结构件的失效分析与预防(待续) 第2讲 齿轮的失效分析与预防[J].理化检验(物理 分册),2019,55(10):667-675. [3] 吴佳峻.18CrNiMo7-6钢齿轮轴开裂失效分析[J].理 化检验(物理分册),2017,53(9):671-674. [4] 柴丰进.大型风电齿轮箱的失效问题及其设计制造技 术的国内外现状分析[J].决策探索(中),2019(7): 60-61. [5] 聂勇军,罗敬东.齿轮失效模式形成分析[J].琼州学 院学报,2011,18(2):51-53,57. [6] 朱衍勇,钟振前,杨春,等.齿轮轴裂纹成因分析[C]∥ 全国冶金物理测试信息网建网30周年学术论文集. 景洪,2011:140-144. [7] 谢金鹏,王天华,杨春,等.风机齿轮轴轮齿断裂原因 分析[J].物理测试,2017,35(6):43-46. [8] 张爱梅.非金属夹杂 物 对 钢 性 能 的 影 响 [J].物 理 测 试,2006,24(4):42-44. [9] 肖伟中.齿轮硬化层疲劳剥落强度研究与应用[D]. 北京:机械科学研究总院,2016. [10] 宋金辉,程小利,黄敏,等.风电齿轮箱高速中间轴失 效原因分析[J].金属热处理,2019,44(S1):89-92. [11] 刘宗昌.钢件 的 淬 火 开 裂 及 防 止 方 法 [M].2 版.北 京:冶金工业出版社,2008.

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