風電齒輪箱花鍵失效與硬化工藝淺析

李珂

摘要：當前隨著風力發電行業的興起，風電機組的運行數量與日俱增，運行的過程當中也出現了許多機械故障，其中花鍵失效是故障之一，花鍵的加工精度差和齒面的硬度低，沒有有效的定期保養和潤滑是最主要的影響因素，內花鍵由于自身的結構和尺寸問題，很難保證加工精度，本文針對當前國內的風電齒輪箱花鍵失效出現的原因進行分析，提出相應的解決辦法。

關鍵詞：風電齒輪箱;花鍵失效;硬化工藝

1 花鍵失效原因分析

1.1 花鍵磨損

當前風電齒輪箱當中出現花鍵失效的大部分原因都是因為花鍵齒面磨損嚴重，導致傳動失效，并且風電齒輪箱運行時間越來越長，花鍵齒面會出現從輕微磨損到嚴重磨損的情況。一般來說，風電齒輪箱的花鍵失效不是突發性的強度破壞，而是花鍵磨損到一定程度產生的故障，花鍵磨損嚴重的風電齒輪箱當中，早期可以發現油液的發黑甚至出現了磨屑。對近年來出現的風電齒輪箱花鍵失效的案例進行分析，可以得知花鍵的原材料成分和機械性能以及顯微組織大都無異常情況出現，風電齒輪箱當中的太陽輪軸是浮動的，花鍵的連接是存在間隙的，另外花鍵裝配的過程中難免出現零件加工的誤差和齒輪箱的裝配失誤，這樣太陽輪就和行星輪的嚙合程度不足，導致花鍵轉動過程中受力不均勻，內外花鍵不同軸就會產生微小的相對運動，在風電齒輪箱長時間運轉的過程中難免出現磨損。

1.2 花鍵轉速較快

風電齒輪箱當中的第二級花鍵連接由于轉速較快，相對轉動頻率較高，所以碰撞磨損的速度更快，在花鍵轉動的過程當中風輪載荷也在不斷波動，風輪載荷的波動也加劇了磨損，磨損隨著運行不斷增大，到達一定程度后間隙會變大，導致沖擊加劇，最終花鍵齒被削弱，花鍵當中最薄弱的部分會受到強大的沖擊，很可能導致局部斷裂，加劇了花鍵的破壞，導致花鍵連接出現問題。當前花鍵一般使用軟齒面，通常使用調質處理來充當最終熱狀態，風力發電機的功率等級逐年提升，我們需要對風電齒輪箱當中的花鍵齒面進行加固，增大花鍵的表面硬度，增強耐磨性。花鍵的加工精度差和齒面的硬度低，沒有有效的定期保養和潤滑是最主要的影響因素，內花鍵由于自身的結構和尺寸問題，很難保證加工的精度，解決這些問題可以有效避免花鍵失效。

2 花鍵失效的解決措施

2.1 提高花鍵加工精度

花鍵硬化后的硬齒面還需要提高齒面的精度等級，軟齒面經過長時間的磨合期齒面基本平整，但是硬齒面由于硬度較大，運行很長時間不會出現受力不均勻的情況，如果花鍵硬化后齒輪精度不夠，不僅不會解決磨損情況還會加劇花鍵的損壞。對于這種硬齒面齒輪精度不夠的情況可以使用磨削加工來提升，還可以使用有限元的模擬仿真，使用這種方法需要結合試驗過程當中的具體參數和數據，制定合適的花鍵齒面修形方案來解決。氮化會降低花鍵精度，并且氮化工藝的硬化層深度一般較淺，使用磨削加工無法達到目的，但是我們可以通過對工藝流程的調整來提升精度，可以先進行內花鍵的磨削再進行氮化處理，最大程度保證精度。內花鍵軸和大齒輪裝配結構圖如圖一所示。

2.2 花鍵硬化工藝路線

外花鍵的硬化工藝路線只需要在原來太陽輪滲碳淬火的時候，外花鍵不涂抹滲碳防護劑，和齒輪一起進行滲碳淬火處理，磨花鍵后再磨齒輪。為了保證齒輪和花鍵層的滲碳層深度一致并且均勻，對花鍵進行設計的過程當中選擇的花鍵參數盡量和太陽輪上的齒輪模數接近，軟齒面的內花鍵加工硬化工藝路線首先進行中間軸的精車，再進行熱套組裝，然后是精磨軸頸和定位端面以及插花鍵。還可以在工藝當中增加去應力熱處理，保證粗加工的過程當中產生較大應力有地方可以釋放，這就最大程度減小了氮化處理的變形，提高了花鍵的精度和齒面硬度。

2.3 過盈裝配和檢測

對氮化后的內花鍵使用液氮冷凍，大齒輪使用感應來對內孔進行加熱，當兩個零件組裝并且恢復常溫后再對內花鍵的齒形齒向進行檢測，齒形精度的變化主要集中在靠近齒根的部位，主要是由于內花鍵在過盈裝配的過程中受到擠壓產生變形，這和有限元的分析結果基本相同，過盈配合后的花鍵齒形精度的變形量可以忽略不計，齒向精度的變形量和過盈量以及內花鍵的軸向位置關系都直接相關，進行逆向修行的過程中除了要考慮齒向總體修量之外，還必須要考慮齒向變形的曲線規律，適當來增加齒向兩端的拋物修形量。內花鍵不同截面徑向收縮變形量如圖2所示。

3 總結

綜上所述，風電齒輪箱花鍵失效的主要原因是花鍵齒面硬度不足，加工誤差過大以及過盈裝配變形，導致齒面之間磨損加劇，花鍵聯接失效。采取內花鍵氮化和外花鍵滲碳淬火方式，可以提高齒面硬度和增加耐磨性，磨外花鍵和內花鍵可以提高齒輪加工精度，利用逆向修形可以補償裝配變形，以上措施能有效改善花鍵磨損，延長風電齒輪向箱使用壽命）

參考文獻：

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（作者單位：南京高速齒輪制造有限公司）