曾江卓，黃橋生，章亞林，李家慶，陳 剛，潘 楊，牟申周

（1.國電長(zhǎng)源廣水風(fēng)電有限公司，湖北 武漢 430066；2.國家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，湖北 武漢 430066）

0 引言

湖北某新能源公司風(fēng)電場(chǎng)于2016年9月7日開工建設(shè)，2017年12月15日投入使用。近兩年，該新能源公司風(fēng)電場(chǎng)相繼發(fā)生了幾起風(fēng)機(jī)關(guān)鍵金屬部件斷裂故障，為分析失效原因，避免類似故障的發(fā)生，本文對(duì)斷裂試樣進(jìn)行了全面的解剖分析，并提出了相應(yīng)的防止措施。

1 齒輪斷裂故障

2019 年4 月16 日，機(jī)組振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)2 號(hào)風(fēng)機(jī)齒輪箱振動(dòng)異常，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)2 號(hào)風(fēng)機(jī)中速及小齒輪斷齒，齒輪材質(zhì)為18CrNiMo。為查明輪齒斷裂原因，避免同類型事故的再次發(fā)生［1-9］，對(duì)齒輪斷裂進(jìn)行了失效原因分析。

1.1 宏觀檢查

齒輪斷裂位置為中間軸小齒輪，位置見圖1。圖2為中間軸斷齒宏觀形貌照片，斷齒長(zhǎng)230 mm，斷齒塊兩側(cè)薄，中間最厚。斷齒工作面表面完整，可見輕微磨損［10］，仍可見加工痕跡。斷齒工作面表面完整，局部輕微磨損，未見腐蝕形貌。整個(gè)斷齒上無明顯的塑性變形，面積較大的斷面上可見清晰的貝紋狀疲勞弧。整個(gè)斷齒表面密布疲勞弧線，特別是越靠近斷齒兩端疲勞弧線越清晰，斷口表面也較粗糙，見圖3，這種特征與裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力水平有關(guān)，斷口為斜斷口，斷裂方向與齒面夾角約為65°，斷口為疲勞斷口。

圖1 中齒軸位置示意圖Fig.1 Transmission chain diagram

圖2 齒輪斷裂宏觀形貌Fig.2 Gear fracture macroscopic morphology

圖3 斷裂齒宏觀形貌Fig.3 Fracture tooth macroscopic morphology

1.2 體式顯微鏡分析

圖4照片為斷口裂紋源體式顯微鏡下照片。體視顯微鏡下，斷面上可見清晰的貝紋狀疲勞弧線，斷齒斷面呈銀灰色。

根據(jù)中心源區(qū)向外輻射放射線以及向主工作面?zhèn)劝l(fā)散的疲勞弧線，裂紋源區(qū)為深灰色長(zhǎng)條，表面粗糙，見圖4箭頭所示位置。

圖4 斷口裂紋源形貌Fig.4 Fracture crack source morphology

1.3 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂齒輪進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果如表1所示，合金化學(xué)成分符合《EN 10084-2008 滲碳鋼—交貨技術(shù)條件》要求值。

表1 斷裂齒輪化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果（wt%）Table 1 Composition of the broken gear(wt%)

1.4 掃描電鏡分析

對(duì)斷裂齒輪塊經(jīng)酒精超聲清洗后，用Quanta FEG450 掃描電鏡及能譜儀進(jìn)行分析。圖5（a）為斷裂源電鏡低倍（35倍）下形貌照片，可見斷裂起源于臺(tái)階部位；圖5（b）為擴(kuò)展區(qū)電鏡高倍（3 000 倍）下形貌照片，可見明顯疲勞輝紋；圖5（c）為斷裂源背散色電子像600 倍形貌照片，可見裂紋源存在帶狀?yuàn)A雜物；圖5（d）為擴(kuò)展區(qū)背散色電子像3000 倍形貌照片，可見擴(kuò)展區(qū)存在點(diǎn)狀?yuàn)A雜物。圖6為斷口處能譜分析取樣位置，表2 為斷口能譜分析結(jié)果，從結(jié)果可知，夾雜元素主要為O、Al 等，夾雜物為氧化鋁，夾雜物來源推斷為材料冶煉中的脫氧劑未清理干凈。

表2 能譜分析結(jié)果（wt%）Table 2 Energy spectrum results at the source zone(wt%)

圖5 斷口掃描電鏡照片F(xiàn)ig.5 SEM photo of broken gear

圖6 能譜分析取樣位置Fig.6 Spectroscopic analysis of sampling locations

1.5 金相檢查

對(duì)齒輪斷口制作金相試樣進(jìn)行檢測(cè)，通過顯微鏡觀察。圖7（a）為試樣表面金相組織照片，可見試樣表面存在滲碳層，滲碳層組織為回火馬氏體+殘余奧氏體。圖7（b）為試樣心部金相組織照片，組織為回火馬氏體。金相組織未發(fā)現(xiàn)異常。

圖7 微觀形貌Fig.7 Microscopic morphology

1.6 原因分析

1）斷口形貌分析表明，齒輪斷裂位置為中間軸小齒輪，斷口為斜斷口，斷齒工作面表面完整，可見輕微磨損，整個(gè)斷齒上無明顯的塑性變形，斷面呈銀灰色，可見清晰的貝紋狀疲勞弧線，未見腐蝕形貌，判斷該斷口為交變彎曲應(yīng)力作用下的疲勞斷口。

2）掃描電鏡分析表明，輪齒近表層裂紋源位置存在的帶狀非金屬夾雜物。

3）從微觀形貌分析表明，局部聚集較多夾雜物。

4）齒輪材質(zhì)中有缺陷，裂紋將沿著缺陷區(qū)域擴(kuò)展，即由咬合面次表層向咬合面背面下方擴(kuò)展。

研究表明，非金屬夾雜物的尺寸和形狀對(duì)疲勞壽命的影響很大，其中非金屬夾雜物的尺寸是直接影響疲勞裂紋成核的重要因素［11-13］。輪齒近表層裂紋源位置存在的帶狀非金屬夾雜物，會(huì)引起局部應(yīng)力集中，力學(xué)性能下降，導(dǎo)致非金屬夾雜物周圍應(yīng)力水平超過了材料的疲勞極限，在運(yùn)行一段時(shí)間后，疲勞裂紋從夾雜物位置萌生并不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致輪齒發(fā)生斷裂。

2 螺栓斷裂故障

2021年1月7日，46號(hào)風(fēng)機(jī)復(fù)檢驗(yàn)收，在驗(yàn)收機(jī)艙過程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)止推軸承兩側(cè)均有螺栓松動(dòng)，且多顆螺栓存在防松標(biāo)記偏離，如圖8所示；止推軸承與機(jī)架連接部位有輕微移位現(xiàn)象，如圖9所示；進(jìn)一步檢查軸承12顆螺栓發(fā)現(xiàn)已有兩顆螺栓內(nèi)部發(fā)生斷裂，且斷裂部位在機(jī)架內(nèi)部。螺栓材質(zhì)為42CrMoA，規(guī)格為M42×235 mm，螺栓等級(jí)為10.9級(jí)。

圖8 46號(hào)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)-輪轂方向左側(cè)Fig.8 No.46 fan generator.-left on hub

2.1 宏觀分析

46 號(hào)風(fēng)機(jī)主軸止推軸承基座斷裂螺栓斷裂面見圖10，斷裂面形貌如圖11所示。螺栓斷裂處無明顯頸縮，斷面較平整，斷面有向下的放射性條紋，圖10中擴(kuò)展區(qū)由左下向上為裂紋擴(kuò)展方向，裂紋源如圖10標(biāo)識(shí)所示，裂紋源產(chǎn)生在螺牙根部。

圖10 斷裂螺栓斷裂面Fig.10 Break bolt

圖11 螺栓斷裂面形貌Fig.11 Fracture surface morphology of bolt

2.2 成分分析

對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行成分分析，檢測(cè)結(jié)果見表3，合金元素符合《DL/T439-2018 火力電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》要求，C、S、P元素符合DL/T439-2018標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 斷裂螺栓成分（wt%）Table 3 Composition of the broken bolt(wt%)

2.3 拉伸力學(xué)性能

加工棒狀標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，使用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行常溫力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表4，均符合《GB/T3098.1-2010 緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》要求。

表4 常溫力學(xué)性能結(jié)果Table 4 Tensile test results

2.4 沖擊性能

在斷裂螺栓上取3 個(gè)V 型缺口的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣在-20°C下測(cè)定，沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，吸收能量值符合GB/T3098.1-2010標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of impact toughness test

2.6 硬度檢測(cè)

取斷裂螺栓螺紋處橫截面進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表6。斷裂螺栓的洛氏硬度值符合GB/T3098.1-2010標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 硬度檢測(cè)值Table 6 Rockwell hardness test

2.7 金相組織

取斷裂螺栓螺紋處的縱截面（靠近斷面）進(jìn)行金相檢測(cè)。圖12所示為斷裂螺栓螺紋處縱截面形貌，在螺牙根部中心有一條橫向裂紋，從外緣向芯部擴(kuò)展；圖13 為螺牙根部裂紋金相組織，裂紋長(zhǎng)度約2.4 mm，由外向內(nèi)擴(kuò)展，在主裂紋的兩側(cè)還有數(shù)條平行的小裂紋；圖14 為螺牙處側(cè)邊金相組織，未見明顯脫碳層；圖15為斷裂螺栓螺紋處縱截面金相組織，回火索氏體，為正常組織。

圖12 螺紋處縱截面形貌Fig.12 Longitudinal section appearance of fracture bolt thread

圖13 斷裂螺栓螺牙根部裂紋Fig.13 Fracture Bolt root crack

圖14 縱截面螺牙處金相Fig.14 Longitudinal metallography

圖15 螺紋處縱截面金相Fig.15 Longitudinal metallography

2.8 原因分析

通過對(duì)送檢的46 號(hào)風(fēng)機(jī)主軸止推軸承基座斷裂螺栓的理化檢測(cè)分析，其化學(xué)成分、力學(xué)性能、沖擊試驗(yàn)符合標(biāo)準(zhǔn)要求；其縱截面金相組織為回火索氏體，組織正常，螺牙未見明顯脫碳。

檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在其中一個(gè)螺牙根部中心有一條橫向裂紋，主裂紋的兩側(cè)還有數(shù)條平行的小裂紋。表明螺栓的裂紋起源于螺牙根部，由外向內(nèi)擴(kuò)展，與斷面的形貌特征相一致。機(jī)械加工的螺紋其螺牙根部中心位置為應(yīng)力集中區(qū)，且加工過程中局部區(qū)域可能產(chǎn)生微缺陷及加工后的熱處理，在螺牙根部中心位置的局部區(qū)域產(chǎn)生更加明顯的應(yīng)力集中。止推軸承與機(jī)架連接部位有輕微移位現(xiàn)象，止推軸承振動(dòng)偏大；在風(fēng)機(jī)主軸止推軸承基座螺栓的長(zhǎng)期使用過程中，在螺牙根部應(yīng)力集中最大的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生裂紋源，并逐漸擴(kuò)展，發(fā)生疲勞斷裂。

綜上所述，此次風(fēng)電場(chǎng)46號(hào)風(fēng)機(jī)主軸止推軸承基座螺栓斷裂的原因?yàn)樵谳S承振動(dòng)，在螺栓螺牙根部應(yīng)力集中最大區(qū)域產(chǎn)生裂紋源，在交變應(yīng)力作用下擴(kuò)展延伸，最終發(fā)生疲勞斷裂。

3 結(jié)語

齒輪和螺栓斷裂模式均為疲勞斷裂。齒輪斷裂處存在較嚴(yán)重的帶狀非金屬夾雜，服役期間在應(yīng)力的作用下材料缺陷處萌生成微裂紋，在交變應(yīng)力作用下，裂紋不斷擴(kuò)展直至失效；螺栓在服役過程中產(chǎn)生了松動(dòng)，在軸承振動(dòng)的作用下，螺栓螺牙根應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生裂紋源，逐漸擴(kuò)展，發(fā)生疲勞斷裂［14-17］。

1）利用檢修時(shí)機(jī)，排查同類型風(fēng)機(jī)齒輪，發(fā)現(xiàn)裂紋等超標(biāo)缺陷進(jìn)行更換［18-21］。

2）加強(qiáng)對(duì)風(fēng)機(jī)主軸止推軸承的巡檢和振動(dòng)監(jiān)測(cè)，防止振動(dòng)過大影響螺栓的使用壽命，可通過超聲檢測(cè)，應(yīng)力測(cè)量等手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)有問題的螺栓，減小運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。