風機關鍵金屬部件故障分析與防止措施

曾江卓，黃橋生，章亞林，李家慶，陳 剛，潘 楊，牟申周

（1.國電長源廣水風電有限公司，湖北 武漢 430066；2.國家能源集團科學技術研究院有限公司，湖北 武漢 430066）

0 引言

湖北某新能源公司風電場于2016年9月7日開工建設，2017年12月15日投入使用。近兩年，該新能源公司風電場相繼發生了幾起風機關鍵金屬部件斷裂故障，為分析失效原因，避免類似故障的發生，本文對斷裂試樣進行了全面的解剖分析，并提出了相應的防止措施。

1 齒輪斷裂故障

2019 年4 月16 日，機組振動在線監測發現2 號風機齒輪箱振動異常，經檢查發現2 號風機中速及小齒輪斷齒，齒輪材質為18CrNiMo。為查明輪齒斷裂原因，避免同類型事故的再次發生［1-9］，對齒輪斷裂進行了失效原因分析。

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230 mm，斷齒塊兩側薄，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，這種特征與裂紋擴展的應力水平有關，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。

根據中心源區向外輻射放射線以及向主工作面側發散的疲勞弧線，裂紋源區為深灰色長條，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 化學成分分析

對斷裂齒輪進行化學成分檢測，結果如表1所示，合金化學成分符合《EN 10084-2008 滲碳鋼—交貨技術條件》要求值。

表1 斷裂齒輪化學成分檢驗結果（wt%）Table 1 Composition of the broken gear(wt%)

1.4 掃描電鏡分析

對斷裂齒輪塊經酒精超聲清洗后，用Quanta FEG450 掃描電鏡及能譜儀進行分析。圖5（a）為斷裂源電鏡低倍（35倍）下形貌照片，可見斷裂起源于臺階部位；圖5（b）為擴展區電鏡高倍（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夾雜物；圖5（d）為擴展區背散色電子像3000 倍形貌照片，可見擴展區存在點狀夾雜物。圖6為斷口處能譜分析取樣位置，表2 為斷口能譜分析結果，從結果可知，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 能譜分析結果（wt%）Table 2 Energy spectrum results at the source zone(wt%)

圖5 斷口掃描電鏡照片Fig.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

對齒輪斷口制作金相試樣進行檢測，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。金相組織未發現異常。

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）齒輪材質中有缺陷，裂紋將沿著缺陷區域擴展，即由咬合面次表層向咬合面背面下方擴展。

研究表明，非金屬夾雜物的尺寸和形狀對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，會引起局部應力集中，力學性能下降，導致非金屬夾雜物周圍應力水平超過了材料的疲勞極限，在運行一段時間后，疲勞裂紋從夾雜物位置萌生并不斷擴展，最終導致輪齒發生斷裂。

2 螺栓斷裂故障

2021年1月7日，46號風機復檢驗收，在驗收機艙過程中發現現場風機止推軸承兩側均有螺栓松動，且多顆螺栓存在防松標記偏離，如圖8所示；止推軸承與機架連接部位有輕微移位現象，如圖9所示；進一步檢查軸承12顆螺栓發現已有兩顆螺栓內部發生斷裂，且斷裂部位在機架內部。螺栓材質為42CrMoA，規格為M42×235 mm，螺栓等級為10.9級。

圖8 46號風機發電機-輪轂方向左側Fig.8 No.46 fan generator.-left on hub

2.1 宏觀分析

46 號風機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中擴展區由左下向上為裂紋擴展方向，裂紋源如圖10標識所示，裂紋源產生在螺牙根部。

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

對斷裂螺栓進行成分分析，檢測結果見表3，合金元素符合《DL/T439-2018 火力電廠高溫緊固件技術導則》要求，C、S、P元素符合DL/T439-2018標準要求。

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

2.3 拉伸力學性能

加工棒狀標準拉伸試樣，使用萬能試驗機對試樣進行常溫力學試驗。試驗結果見表4，均符合《GB/T3098.1-2010 緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》要求。

表4 常溫力學性能結果Table 4 Tensile test results

2.4 沖擊性能

在斷裂螺栓上取3 個V 型缺口的標準沖擊試樣在-20°C下測定，沖擊試驗結果如表5所示，吸收能量值符合GB/T3098.1-2010標準要求。

表5 沖擊試驗結果Table 5 Results of impact toughness test

2.6 硬度檢測

取斷裂螺栓螺紋處橫截面進行洛氏硬度檢測，檢測結果見表6。斷裂螺栓的洛氏硬度值符合GB/T3098.1-2010標準要求。

表6 硬度檢測值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）進行金相檢測。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，從外緣向芯部擴展；圖13 為螺牙根部裂紋金相組織，裂紋長度約2.4 mm，由外向內擴展，在主裂紋的兩側還有數條平行的小裂紋；圖14 為螺牙處側邊金相組織，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

通過對送檢的46 號風機主軸止推軸承基座斷裂螺栓的理化檢測分析，其化學成分、力學性能、沖擊試驗符合標準要求；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。

檢驗發現，在其中一個螺牙根部中心有一條橫向裂紋，主裂紋的兩側還有數條平行的小裂紋。表明螺栓的裂紋起源于螺牙根部，由外向內擴展，與斷面的形貌特征相一致。機械加工的螺紋其螺牙根部中心位置為應力集中區，且加工過程中局部區域可能產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域產生更加明顯的應力集中。止推軸承與機架連接部位有輕微移位現象，止推軸承振動偏大；在風機主軸止推軸承基座螺栓的長期使用過程中，在螺牙根部應力集中最大的區域會產生裂紋源，并逐漸擴展，發生疲勞斷裂。

綜上所述，此次風電場46號風機主軸止推軸承基座螺栓斷裂的原因為在軸承振動，在螺栓螺牙根部應力集中最大區域產生裂紋源，在交變應力作用下擴展延伸，最終發生疲勞斷裂。

3 結語

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

1）利用檢修時機，排查同類型風機齒輪，發現裂紋等超標缺陷進行更換［18-21］。

2）加強對風機主軸止推軸承的巡檢和振動監測，防止振動過大影響螺栓的使用壽命，可通過超聲檢測，應力測量等手段及時發現有問題的螺栓，減小運行風險。