風電齒輪箱齒輪軸斷齒原因

燕友增, 孟高強, 曹 奇, 張 皓, 高文香

(明陽智慧能源集團股份公司, 中山 528400)

齒輪軸是風電齒輪箱的核心部件，一端用來嚙合齒輪，另一端用來過盈裝配大齒輪，其承受的彎曲應力較大，在使用過程中容易發生斷齒。齒輪軸的材料為18CrNiMo7-6鋼，其一般的生產工藝流程為：煉鋼→鍛造→鍛后正回火→粗加工→滲碳淬火→精加工。 某風電齒輪箱在運轉了約10個月后，其齒輪軸發生斷齒，齒輪軸結構示意及斷齒的齒輪軸宏觀形貌如圖1所示。筆者采用一系列理化檢驗方法對該齒輪軸的斷齒原因進行分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

用線切割的方式對齒輪軸斷齒部分進行切割取樣，斷齒的宏觀形貌如圖2所示。整個齒輪軸只有一顆齒發生了斷裂，斷口宏觀形貌完整，無磨損、銹蝕情況，其余輪齒較完整。從未斷裂齒面情況來看，齒面嚙合痕跡比較清晰，軸向和徑向嚙合面積大于95%，不存在偏載情況，初步排除由于齒輪裝配或齒輪傳動異常導致斷齒的可能。

齒輪軸斷口處的宏觀形貌如圖3所示，圖3中存在明顯的疲勞弧線[1]，根據裂紋源的擴展方向可以判斷裂紋源的位置，裂紋源位于次表面，斷口屬于單一裂紋源疲勞斷裂。

1.2 化學成分分析

從斷齒上取樣，按照GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》，用直讀光譜儀分析斷齒心部的化學成分，結果如表1所示，結果符合EN 10084—2008 《滲碳鋼交貨技術條件》對18CrNiMo 7-6鋼的要求。

表1 斷齒心部的化學成分分析結果 %

1.3 掃描電鏡(SEM)分析

采用SEM對裂紋源進行觀察，結果如圖4所示，由圖4可知：裂紋源處存在與周圍基體明顯不同的物質，長度約2～3 mm，疑似為夾雜缺陷，裂紋從裂紋源處向四周擴散，存在明顯的疲勞弧線和輝紋，裂紋源附近區域呈準解理微觀形貌。

1.4 能譜分析

采用能譜分析儀對裂紋源處的疑似夾雜物進行分析，結果如圖5所示，由圖5可知：裂紋源處Al，O元素含量異常，遠高于標準EN 10084—2008對18CrNiMo7-6鋼的要求，分析可知該夾雜物屬于B類氧化鋁夾雜物。

1.5 齒面磨削燒傷檢測

切取斷齒和非斷齒的齒面，按標準GB/T 17879—1999 《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗》進行磨削燒傷檢測，未發現磨削燒傷痕跡，說明不存在生產制造或使用維護不當導致高溫損毀的情況[2]。斷齒和非斷齒齒面浸蝕后的宏觀形貌如圖6所示。

1.6 硬度測試

在斷齒的表面和心部取樣，按標準GB/T 230.1—2018 《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》進行硬度測試，結果如表2所示，表面硬度的平均值為60.3 HRC，心部硬度的平均值為33.7 HRC，結果滿足設計要求。

表2 斷齒表面和心部的硬度測試結果 HRC

1.7 齒面滲碳層深度和硬度梯度分析

從斷齒上取樣，按照GB/T 9450—2005 《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》測試其硬度梯度，結果如表3所示，齒面硬度梯度曲線如圖7所示，滲碳層深度為2.0 mm，滿足設計要求。

1.8 金相檢驗

從斷齒上取樣，用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕，按照JB/T 6141.3—1992 《重載齒輪 滲碳金相檢驗》，用光學顯微鏡評定斷齒表面和心部的顯微組織，結果如圖8所示，由圖8可知：斷齒表面組織為細針狀馬氏體、殘余奧氏體和碳化物(2級)；心部組織為板條馬氏體及少量鐵素體[3]，符合ISO 6336-5：2003 《正齒輪和斜齒輪承載能力的計算 第5部分 材料的強度和質量》的MQ級要求。按照GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度測定方法》，用光學顯微鏡檢驗心部的晶粒度，結果為7.5級，符合標準要求(≥6級)。

2 綜合分析

為了找到斷齒的原因，需要從齒輪箱設計、生產制造和使用維護等多個方面進行分析。該風機齒輪箱沒有發生大批量斷齒的情況，故可以排除設計原因。

該齒輪箱僅運轉了10個月左右就發生了斷齒，使用時間較短，且風場對振動、油溫、油壓等關鍵參數都有大數據實時監控，斷齒的齒輪箱各監控數據與風場其他齒輪箱并無明顯差異，故可以排除使用維護的原因。

由斷齒齒輪的宏觀形貌可知：齒面嚙合面積大于95%，說明不存在偏載情況，可以初步排除由于齒輪裝配或齒輪傳動異常導致斷齒的可能。

由齒面磨削燒傷分析結果可知：斷齒和非斷齒的齒面均未發現磨削燒傷痕跡，可以排除由于生產制造或使用維護不當產生磨削燒傷導致齒面點蝕剝落，進而導致斷齒的可能。

由化學成分、硬度測試和金相檢驗結果可知：齒輪軸斷齒的化學成分、晶粒度、齒面硬度、滲碳層深度、硬度梯度等結果均符合設計及標準要求。

從斷口的SEM分析可知：裂紋源處存在疑似夾雜物，結合能譜分析得到裂紋源處Al，O元素含量異常，判斷為B類氧化鋁夾雜物。氧化鋁夾雜物硬度高、受力時不易變形，大尺寸氧化鋁夾雜物的存在會割裂基體的連續性，降低材料的疲勞強度。當夾雜物處在承受應力較大位置時，夾雜物周圍易產生應力集中，從而萌生疲勞裂紋，隨著時間的延長，裂紋會進一步擴展，最終發生疲勞斷裂[4]。

3 整改措施

(1) 煉鋼熔化期：烘干電爐爐襯,控制爐料的純凈度、高氧化性、好的流動性,適量的熔渣,中等偏低溫度[5]。

(2) 煉鋼氧化期：增大沸騰程度、延長沸騰時間、徹底扒渣、控高溫、薄渣、加大供氧量和氬氣量。

(3) 煉鋼還原期：烘干鋼包爐襯、控制加入合金的純凈度、降低O元素和S元素的含量、控制氬氣攪拌。

(4) 煉鋼真空脫氣：采用氬氣攪拌、延長脫氣時間。

(5) 澆注：采用氬氣保護，防止二次氧化，吹掃干凈出鋼槽。

(6) 鍛造：充分鍛打，采用合適的利用率。

4 結語

該風機齒輪軸斷齒屬于單源疲勞斷裂，裂紋源處存在大尺寸的B類氧化鋁夾雜物，冶煉缺陷是齒輪軸發生斷齒的主要原因。經整改后，筆者單位生產了近百件產品，都未發生開裂。