姜榮國，李若輝，張國輝，張海超，王 強

(1.遼寧大唐國際新能源有限公司，沈陽 110001；2.中國科學(xué)院金屬研究所 沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實驗室，沈陽 110016)

風(fēng)電齒輪箱小齒輪斷齒原因分析

姜榮國1，李若輝1，張國輝1，張海超1，王 強2

(1.遼寧大唐國際新能源有限公司，沈陽 110001；2.中國科學(xué)院金屬研究所 沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實驗室，沈陽 110016)

風(fēng)電場1.5 MW風(fēng)電機組齒輪箱在運行中出現(xiàn)故障，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)中速軸小齒輪出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象。采用宏觀觀察、微觀觀察、并結(jié)合相關(guān)理化性能測試，綜合分析得出齒輪的失效原因。結(jié)果表明，風(fēng)電齒輪箱中速軸小齒輪斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，在斷口上觀察到清晰的疲勞弧線，裂紋源萌生于齒面接觸疲勞產(chǎn)生的蝕坑中，而導(dǎo)致齒面嚴(yán)重接觸疲勞的原因是偏載。

風(fēng)電；齒輪箱；斷齒；偏載

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，化石能源被大量開采和使用，導(dǎo)致環(huán)境嚴(yán)重污染。每到秋冬季節(jié)，北方霧霾頻發(fā)，給人們的生產(chǎn)和生活帶來了諸多不便。解決環(huán)境污染問題，新能源首當(dāng)其沖。風(fēng)能是一種新型清潔可再生能源，合理利用風(fēng)能部分取代傳統(tǒng)化石能源越來越受到社會的關(guān)注和重視[1-3]。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日趨成熟以及風(fēng)電成本的日益下降，風(fēng)電能源比例在逐年增長，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景非常廣闊[4-6]。據(jù)報道，2007年底，我國累計裝機容量已達(dá)5 906 MW，位居全球第五[7]。風(fēng)電機組齒輪箱工作環(huán)境惡劣，載荷也非常復(fù)雜。因此，風(fēng)電機組中的齒輪、軸承等核心部件失效問題較多[8]。

風(fēng)力發(fā)電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件，齒輪箱的主要功能是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。在風(fēng)電齒輪箱中，齒輪是關(guān)鍵傳動部件，容易發(fā)生失效。據(jù)報道，引起齒輪失效的原因很多，包括設(shè)計不當(dāng)、制造和熱處理方法不當(dāng)、安裝和操作不當(dāng)、維護(hù)不當(dāng)?shù)?。較為常見的齒輪破壞形式有齒面磨損、膠合、接觸疲勞、塑性變形以及輪齒折斷等[9-12]。其中，疲勞斷裂最為常見，如點蝕、剝落等導(dǎo)致的彎曲疲勞，嚴(yán)重時輪齒會發(fā)生折斷[13]。齒輪傳動是一種重要的傳動方式，通過輪齒接觸傳遞能動能。在齒面嚙合過程中，發(fā)生相對滾動接觸。齒面比較容易產(chǎn)生接觸疲勞，如形成麻點或微點蝕坑，隨后在這些蝕點位置會萌生疲勞裂紋，隨著裂紋的擴展，會產(chǎn)生齒面剝落，甚至發(fā)生輪齒折斷。接觸疲勞是齒輪失效最早期的表現(xiàn)形式。

齒輪發(fā)生接觸疲勞時，容易在齒輪上3個位置出現(xiàn)：齒頂、節(jié)線附近和齒根處[14]。發(fā)生接觸疲勞以后，齒面上會出現(xiàn)點蝕，在點蝕坑中會產(chǎn)生應(yīng)力集中，這些點蝕坑中可能萌生疲勞裂紋并最終導(dǎo)致輪齒斷裂。

本研究主要研究風(fēng)電齒輪箱中速軸小齒輪的失效機理。該齒輪設(shè)計壽命20年，實際使用了5年就發(fā)生失效。本研究工作能夠加深人們對風(fēng)電機組齒輪箱失效機制的認(rèn)識，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，避免同類事故的發(fā)生，提高齒輪箱的服役壽命，為風(fēng)電生產(chǎn)企業(yè)減少損失。

1 試驗材料與方法

研究對象是風(fēng)電齒輪箱中的中速軸小齒輪，該齒輪為斜齒輪圓柱齒輪，齒輪材質(zhì)為20CrNiMo。

失效齒輪的宏觀形貌采用高級數(shù)碼相機記錄。同時，斷口形貌還采用了超景深體視顯微鏡進(jìn)行觀察和記錄。局部微觀特征采用FEI Quanta 600掃描電鏡進(jìn)行表征。金相組織表征采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡，在輪齒上垂直于齒面切割金相樣品，觀察截面金相組織。首先將樣品在400#～2000#砂紙上依次打磨，并用金剛石拋光膏拋光后，采用無水乙醇清洗后冷風(fēng)吹干。采用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液腐蝕金相組織。金相觀察結(jié)束后，采用熱鑲制作樣品進(jìn)行硬化層顯微硬度梯度測試，采用的儀器是AH43全自動顯微硬度儀。齒輪表面粗糙度采用A-Step IQ表面輪廓儀進(jìn)行分析。失效小齒輪現(xiàn)場宏觀像如圖1所示。從圖1a中可以看到，一些輪齒損傷嚴(yán)重，輪齒折斷。

表1 被檢小齒輪材質(zhì)化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)

圖1 失效小齒輪現(xiàn)場宏觀形貌

2 結(jié)果與討論

2.1 齒輪斷口觀察

圖2分別為從不同方向觀察的其中1支輪齒掉塊的宏觀像。在輪齒掉塊斷口上可見到明顯的疲勞特征，即疲勞弧線(圖2a中黑色箭頭所指)。根據(jù)疲勞弧線的形狀判斷，疲勞源位于圖2a中白色箭頭所指的位置。樣品傾轉(zhuǎn)一個較小的角度后，在疲勞源處觀察到齒面上出現(xiàn)了麻點區(qū)，從顏色上看，麻點區(qū)為發(fā)“白”的條帶狀(圖2b中黑色箭頭所指)。在麻點區(qū)靠近斷口一側(cè)，還可見明顯的剝落區(qū)(圖2b中白色箭頭所指)。

2.2 輪齒疲勞源區(qū)形貌觀察

通過輪齒斷口和掉塊斷口宏觀觀察與對比，找出了掉塊的對偶斷口。圖3為輪齒對偶斷口的體視顯微鏡圖像。圖3a給出了疲勞源在掉塊上的位置，很顯然，疲勞源位于齒面剝落坑的底部。圖3b給出了在對偶斷口上疲勞源的位置。此外在對偶斷口上還發(fā)現(xiàn)許多次疲勞源，這說明導(dǎo)致掉塊的載荷相對較大。從斷口上瞬斷區(qū)和疲勞斷口面積的對比看，瞬斷區(qū)面積遠(yuǎn)小于疲勞斷口面積，這說明輪齒疲勞傾向于高周疲勞。

圖2 輪齒掉塊宏觀像

圖3 掉塊斷口與輪齒上對偶斷口體視顯微鏡照片

2.3 齒面微觀觀察

宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，一些輪齒齒面發(fā)生了嚴(yán)重的剝落。為了分析剝落坑產(chǎn)生的原因，采用掃描電子顯微鏡對輪齒工作齒面B端剝落位置進(jìn)一步放大觀察，結(jié)果如圖4所示。在齒面上可以見到明顯的麻點，一些裂紋分布在麻點區(qū)中，部分裂紋擴展產(chǎn)生了蝕坑，局部還形成了較大剝落坑。對圖4a黑框中所指區(qū)域進(jìn)一步放大觀察，發(fā)現(xiàn)在蝕坑底部存在明顯的疲勞弧線，其裂紋源位于圖4b黑框標(biāo)示位置。據(jù)此分析，齒面先發(fā)生了接觸疲勞產(chǎn)生了麻點，隨后麻點擴展形成了微裂紋，微裂紋在齒面工作應(yīng)力的反復(fù)作用下萌生疲勞裂紋，疲勞裂紋擴展后，導(dǎo)致齒面硬化層剝落形成點蝕坑。

2.4 齒面壓痕形貌觀察

從宏觀上看，失效的輪齒端部有明顯的壓痕，在壓痕處已經(jīng)發(fā)生了明顯的塑性變形。圖5為部分編號輪齒所示A、B兩端端部的體視顯微鏡圖像，可見，輪齒端部有明顯的壓痕，在壓痕處，齒面上發(fā)生接觸疲勞，產(chǎn)生了麻點區(qū)。通過多支輪齒的對比觀察發(fā)現(xiàn)，輪齒B端壓痕較A端顯著，說明在工況條件下B端承受的載荷高于A端，所以B端塑性變形更嚴(yán)重。同時因接觸疲勞產(chǎn)生的麻點，B端麻點區(qū)面積明顯較A端大，A端麻點區(qū)破壞較輕，幾乎看不到顯著塑性變形。

2.5 金相檢驗

金相組織檢驗包括硬化層金相組織檢驗、心部材質(zhì)金相組織檢驗和疲勞源區(qū)夾雜物檢驗。圖6為齒輪表面和齒輪心部的微觀組織，可見，接近齒面處齒輪的組織為馬氏體和粒狀的滲碳體，而齒輪的心部組織為貝氏體。在疲勞源區(qū)未見明顯的夾雜或缺陷(圖7)，由此推斷并非材料缺陷引起的疲勞開裂，而是應(yīng)力集中促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生。

圖4 輪齒齒面掃描電鏡二次電子像

圖5 多支輪齒兩端體視顯微鏡對比觀察

圖6 輪齒截面金相組織照片

2.6 硬度測試

齒輪硬度測試分為兩部分：齒面硬度和心部硬度。風(fēng)電齒輪箱中速軸小齒輪對齒面的硬度要求是洛氏硬度HRC 58～62，齒面硬度略低于標(biāo)準(zhǔn)要求。風(fēng)電齒輪箱中速軸小齒輪對心部的硬度要求是HRC 33～45，心部硬度測試結(jié)果為洛氏硬度均值HRC為35，基本滿足要求。

圖7 疲勞源區(qū)金相觀察

根據(jù)金相組織分析結(jié)果，齒輪表面采用了滲碳淬火，有硬化層，因而采用全自動顯微硬度儀對齒面節(jié)圓附近A端、中間和B端分別進(jìn)行硬度梯度測試，測試結(jié)果未發(fā)現(xiàn)差異(圖8a)。根據(jù)ISO 2639和ISO 6336標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于滲碳層深度的定義和要求：滲碳層深度是以表面到顯微硬度HV 550處的距離，根據(jù)測試結(jié)果，對失效齒輪滲碳層深度進(jìn)行分析和計算，滲碳層深度約為2.0 mm，參考圖8b中ISO 6336關(guān)于硬化層深度的數(shù)值要求[15]，這一數(shù)值落在硬度的最優(yōu)值區(qū)間中，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 硬度梯度測試

3 失效原因分析

疲勞是金屬構(gòu)件最主要的失效形式，《美國金屬手冊》對構(gòu)件疲勞破壞給出了明確的定義：“疲勞斷裂是由周期性載荷引起的，表現(xiàn)出宏觀脆性。

根據(jù)輪齒斷口上的疲勞弧線判斷，在性質(zhì)上輪齒失效是疲勞斷裂。據(jù)文獻(xiàn)介紹，輪齒在實際受力時相當(dāng)于懸臂梁，相互嚙合的齒輪在嚙合的部位既存在滾動同時又存在滑動，所以齒輪在服役過程中會受壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力作用。在齒輪箱工作過程中，相互嚙合的齒輪每嚙合一次，輪齒受一次彎曲應(yīng)力的作用，所以輪齒在這種循環(huán)載荷作用和下萌生了疲勞裂紋，疲勞裂紋擴展導(dǎo)致輪齒折斷。根據(jù)齒輪斷口上瞬斷區(qū)和疲勞斷口的面積對比，可以推斷出齒輪的疲勞屬于高周疲勞。

根據(jù)斷口微觀觀察結(jié)果，疲勞裂紋并未直接在齒面萌生，而是萌生于剝落坑的底部。這說明齒面上先產(chǎn)生了剝落坑，剝落坑的產(chǎn)生導(dǎo)致齒面幾何形狀發(fā)生顯著變化導(dǎo)致在剝落坑底部產(chǎn)生應(yīng)力集中，在疲勞源區(qū)的并未發(fā)現(xiàn)夾雜等缺陷，這說明應(yīng)力集中是疲勞裂紋萌生的主要原因。同時也說明剝落坑在時間序列上早于疲勞裂紋萌生。

根據(jù)齒面微觀觀察結(jié)果，剝落坑主要集中在麻點區(qū)中，這也說明剝落坑是麻點擴大的結(jié)果。對失效輪齒的整體分析發(fā)現(xiàn)，麻點并不出現(xiàn)在整個齒面上，在輪齒折斷的一側(cè)麻點最為嚴(yán)重。麻點產(chǎn)生的原因是接觸疲勞。據(jù)《美國金屬手冊》，接觸疲勞是指：“在高的接觸壓力作用下，彼此相對滾動、或滾動與滑動的零件，在多次重復(fù)加載后發(fā)生表面點蝕或剝落。點蝕現(xiàn)象是循環(huán)接觸應(yīng)力造成金屬疲勞的見證”。在輪齒工作面上觀察到的麻點以及點蝕坑是齒面發(fā)生接觸疲勞的關(guān)鍵證據(jù)。引起齒面接觸疲勞的原因主要由于相嚙合齒面貼合不良，造成局部過載，使齒面局部接觸應(yīng)力過高。擴展性點蝕形成的原因主要齒面接觸應(yīng)力過高，隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增多，點蝕坑不斷擴展。對載荷估計不足使設(shè)計齒面接觸強度不夠、硬度不夠、偏載、動載嚴(yán)重、安裝精度低、軸系及箱體的誤差和變形過大[16]。

硬度測試結(jié)果表明，齒輪的表面硬度雖然略低于標(biāo)準(zhǔn)要求，心部硬度合格，淬硬層硬度變化也非常均勻，組織觀察也未見異常，齒面的粗糙度合格。輪齒表面硬度低于標(biāo)準(zhǔn)值是一個促進(jìn)接觸疲勞產(chǎn)生的因素，但不是主要因素，原因是并不是整個齒面都產(chǎn)生了接觸疲勞，在齒面上只在輪齒折斷一側(cè)接觸疲勞最為嚴(yán)重，這種局部接觸疲勞的發(fā)生應(yīng)主要歸因于受力因素。同時也說明輪齒發(fā)生斷齒的原因并非主要來自于材料問題，而應(yīng)是受到了異常載荷的作用。

輪齒相互嚙合的端部在中速軸小齒輪上有明顯的壓痕，壓痕是發(fā)生塑性變形的結(jié)果。這說明端部受到了較大的應(yīng)力作用，該應(yīng)力超過了齒輪正常嚙合時的應(yīng)力，才導(dǎo)致齒面局部發(fā)生塑性變形。在壓痕底部接觸疲勞較為嚴(yán)重，表現(xiàn)為麻點區(qū)面積較大。然而，這種壓痕在失效輪齒兩端并不對稱，在輪齒折斷一側(cè)相比更嚴(yán)重。這說明輪齒折斷一側(cè)齒輪所受載荷是較另一側(cè)明顯更大，也正是因為這種非正常的載荷導(dǎo)致齒面過早發(fā)生嚴(yán)重接觸疲勞，甚至產(chǎn)生了剝落坑，萌生了疲勞裂紋，疲勞裂紋擴展導(dǎo)致輪齒折斷。根據(jù)這一結(jié)果判斷，齒輪出現(xiàn)了偏載。因此，偏載是導(dǎo)致風(fēng)電齒輪箱中速軸小齒輪早期失效的主要原因。據(jù)呂天河等人的研究發(fā)現(xiàn)，偏載通常是由各種誤差引起的，主要包括：加工誤差、安裝誤差和使用誤差[17]。

4 結(jié)論

1)風(fēng)電機組齒輪箱中速軸小齒輪的疲勞裂紋萌生于齒面剝落坑的底部，斷口上瞬斷區(qū)面積遠(yuǎn)小于疲勞斷口面積，輪齒斷裂性質(zhì)為高周疲勞斷裂。

2)齒面在相互嚙合的過程中既相互滾動又發(fā)生微小的相對滑動，齒面上的麻點和蝕坑應(yīng)歸因于接觸疲勞。齒輪一側(cè)齒面上接觸疲勞較另一側(cè)更為嚴(yán)重。除了齒面硬度略低于標(biāo)準(zhǔn)值以外，其它指標(biāo)均合格，說明材質(zhì)并不是導(dǎo)致接觸疲勞的主要原因。齒面接觸疲勞的主要原因應(yīng)歸于過高的載荷。

3)在工作齒面上，對比輪齒A、B兩端的破壞情況發(fā)現(xiàn)，齒面B端破壞較A端嚴(yán)重，推斷齒輪B端承受的載荷應(yīng)明顯高于A端，這說明斷齒的主要原因是偏載。

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Failure Analysis of Cracked Gear in Wind Power Gearbox

JIANG Rong-guo1，LI Ruo-hui1，ZHANG Guo-hui1，ZHANG Hai-chao1，WANG Qiang2

(1.LiaoningDatangInternationalRenewablePowerCo.,Ltd.,Shenyang110001,China; 2.InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences,ShenyangNationalLaboratoryforMaterialsScience,Shenyang110016,China)

A gearbox in the 1.5MW wind turbine failed in the service, and the tooth of the small gear on the medium-speed shaft cracked seriously. Macro-observation, micro-observation, fracture observation and some other physical and chemical tests were adopted to analyze the reason for the failure of the cracked gear. Finally, the cause for the failure of the gear was analyzed systematically. The results show that the failure mode of the small gear is fatigue fracture, according to the beach marks observed on the fracture surface. The fatigue crack started at the bottom of the pits caused by the contact fatigue, which should be attributed to the unbalanced load.

wind power; gearbox; cracked gear; unbalanced load

2016年7月3日

2016年9月21日

姜榮國(1966年-)，男，碩士，高級工程師，主要從事風(fēng)電開發(fā)與管理等方面的研究。

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.05.010

1673-6214(2016)05-0315-07