DQZHAN技術訊：風電齒輪箱小齒輪斷齒原因分析
風電場1．5MW風電機組齒輪箱在運行中出現故障，經檢查發現中速軸小齒輪出現斷齒現象。采用宏觀觀察微觀。觀察并結合相關理化性能測試，綜合分析得出齒輪的失效原因結果表明，風電齒輪箱中速軸小齒輪斷裂性質為疲勞斷裂，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生的蝕坑中，而導致齒面嚴重接觸疲勞的原因是偏載。
近年來，隨著經濟的快速發展，化石能源被大量開采和使用，導致環境嚴重污染。每到秋冬季節，北方霧霾頻發，給人們的生產和生活帶來了諸多不便。解決環境污染問題，新能源首當其沖風能是一種新型清潔可再生能源，合理利用風能部分取代傳統化石能源越來越受到社會的關注和重視。隨著風力發電技術的日趨成熟以及風電成本的日益下降，風電能源比例在逐年增長，風電產業的發展前景非常廣闊。據報道，2007年底，我國累計裝機容量已達5906MW，位居全球第五風電機組齒輪箱工作環境惡劣，載荷也非常復雜。因此，風電機組中的齒輪、軸承等核心部件失效問題較多。
風力發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輪在風力作用下所產生的動力傳遞給發電機并使其得到相應的轉速在風電齒輪箱中，齒輪是關鍵傳動部件，容易發生失效。據報道，引起齒輪失效的原因很多，包括設計不當、制造和熱處理方法不當、安裝和操作不當、維護不當等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。其中，疲勞斷裂*為常見，如點蝕、剝落等導致的彎曲疲勞，嚴重時輪齒會發生折斷。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，發生相對滾動接觸齒面比較容易產生接觸疲勞，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，會產生齒面剝落，甚至發生輪齒折斷。接觸疲勞是齒輪失效*早期的表現形式。
齒輪發生接觸疲勞時，容易在齒輪上3個位置出現:齒頂節線附近和齒根處、發生接觸疲勞以后、齒面上會出現點蝕，在點蝕坑中會產生應力集中、這些點蝕坑中可能萌生疲勞裂紋并*終導致輪齒斷裂。
本文研究主要研究風電齒輪箱中速軸小齒輪的失效機理。該齒輪設計壽命20年，實際使用了5年就發生失效本研究工作能夠加深人們對風電機組齒輪箱失效機制的認識，改進產品質量，避免同類事故的發生，提高齒輪箱的服役壽命，為風電生產企業減少損失。
實驗材料與方法
研究對象是風電齒輪箱中的中速軸小齒輪，該齒輪為斜齒輪圓柱齒輪，齒輪材質為20CrNiMo。
失效齒輪的宏觀形貌采用**數碼相機記錄。同時，斷口形貌還采用了超景深體視顯微鏡進行觀察和記錄局部微觀特征采用FEIQuanta。600掃描電鏡進行表征金相組織表征采用O-LYMPUSGX71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吹干。采用4%(質量分數)硝酸酒精溶液腐蝕金相組織金相觀察結束后，采用熱鑲制作樣品進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-StepIQ表面輪廓儀進行分析。失效小齒輪現場宏觀像如圖1所示：從圖1a中可以看到，一些輪齒損傷嚴重，輪齒折斷。
結果與討論
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。樣品傾轉一個較小的角度后，在疲勞源處觀察到齒面上出現了麻點區，從顏色上看，麻點區為發白的條帶狀(圖2b中黑色箭頭所指)在麻點區靠近斷口一側，還可見明顯的剝落區(圖2b中白色箭頭所指)。
２齒輪疲勞源區形貌觀察
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，在對偶斷口上還發現許多次疲勞源，這說明導致掉塊的載荷相對較大。從斷口上瞬斷區和疲勞斷口面積的對比看，瞬斷區面積遠小于疲勞斷口面積，這說明輪齒疲勞傾向于高周疲勞。
３齒面微觀觀察
宏觀觀察發現，一些輪齒齒面發生了嚴重的剝落。為了分析剝落坑產生的原因，采用掃描電子顯微鏡對輪齒工作齒面B端剝落位置進一步放大觀察，結果如圖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中，部分裂紋擴展產生了蝕坑，局部還形成了較大剝落坑對圖4a黑框中所指區域進一步放大觀察，發現在蝕坑底部存在明顯的疲勞弧線，其裂紋源位于圖4b黑框標示位置。據此分析，齒面先發生了接觸疲勞產生了麻點，隨后麻點擴展形成了微裂紋，微裂紋在齒面工作應力的反復作用下萌生疲勞裂紋，疲勞裂紋擴展后，導致齒面硬化層剝落形成點蝕坑。
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，在壓痕處已經發生了明顯的塑性變形。圖5為部分編號輪齒所示AB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，齒面上發生接觸疲勞，產生了麻點區。通過多支輪齒的對比觀察發現，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端塑性變形更嚴重。同時因接觸疲勞產生的麻點，B端麻點區面積明顯較A端大，A端麻點區破壞較輕，幾乎看不到顯著塑性變形。
５金相檢驗
金相組織檢驗包括硬化層金相組織檢驗、心部材質金相組織檢驗和疲勞源區夾雜物檢驗圖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，而是應力集中促進了疲勞裂紋的萌生。
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。風電齒輪箱中速軸小齒輪對齒面的硬度要**洛氏硬度HＲC58～62，齒面硬度略低于標準要求。風電齒輪箱中速軸小齒輪對心部的硬度要**HＲC33～45，心部硬度測試結果為洛氏硬度均值HＲC為35，基本滿足要求。
根據金相組織分析結果，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圓附近A端中間和B端分別進行硬度梯度測試，測試結果未發現差異(圖8a)。根據ISO2639和ISO6336標準中關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HV550處的距離，根據測試結果，對失效齒輪滲碳層深度進行分析和計算，滲碳層深度約為2．0mm，參考圖8b中ISO6336關于硬化層深度的數值要求，這一數值落在硬度的*優值區間中，滿足標準要求。
失效原因分析
疲勞是金屬構件*主要的失效形式，美國金屬手冊。對構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，表現出宏觀脆性。
根據輪齒斷口上的疲勞弧線判斷，在性質上輪齒失效是疲勞斷裂。據文獻介紹，輪齒在實際受力時相當于懸臂梁，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力和彎曲應力作用。在齒輪箱工作過程中，相互嚙合的齒輪每嚙合一次，輪齒受一次彎曲應力的作用，所以輪齒在這種循環載荷作用和下萌生了疲勞裂紋，疲勞裂紋擴展導致輪齒折斷。根據齒輪斷口上瞬斷區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。
根據斷口微觀觀察結果，疲勞裂紋并未直接在齒面萌生，而是萌生于剝落坑的底部。這說明齒面上先產生了剝落坑，剝落坑的產生導致齒面幾何形狀發生顯著變化導致在剝落坑底部產生應力集中，在疲勞源區的并未發現夾雜等缺陷，這說明應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。
根據齒面微觀觀察結果，剝落坑主要集中在麻點區中，這也說明剝落坑是麻點擴大的結果對失效輪齒的整體分析發現，麻點并不出現在整個齒面上，在輪齒折斷的一側麻點*為嚴重。麻點產生的原因是接觸疲勞據美國金屬手冊，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，在多次重復加載后發生表面點蝕或剝落。點蝕現象是循環接觸應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生接觸疲勞的關鍵證據。引起齒面接觸疲勞的原因主要由于相嚙合齒面貼合**，造成局部過載，使齒面局部接觸應力過高擴展性點蝕形成的原因主要齒面接觸應力過高，隨著應力循環次數的增多，點蝕坑不斷擴展。對載荷估計不足使設計齒面接觸強度不夠硬度不夠、偏載、動載嚴重、安裝精度低、軸系及箱體的誤差和變形過大。
硬度測試結果表明，齒輪的表面硬度雖然略低于標準要求，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準值是一個促進接觸疲勞產生的因素，但不是主要因素，原因是并不是整個齒面都產生了接觸疲勞，在齒面上只在輪齒折斷一側接觸疲勞*為嚴重，這種局部接觸疲勞的發生應主要歸因于受力因素同時也說明輪齒發生斷齒的原因并非主要來自于材料問題，而應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，壓痕是發生塑性變形的結果這說明端部受到了較大的應力作用，該應力超過了齒輪正常嚙合時的應力，才導致齒面局部發生塑性變形。在壓痕底部接觸疲勞較為嚴重，表現為麻點區面積較大。然而，這種壓痕在失效輪齒兩端并不對稱，在輪齒折斷一側相比更嚴重。這說明輪齒折斷一側齒輪所受載荷是較另一側明顯更大，也正是因為這種非正常的載荷導致齒面過早發生嚴重接觸疲勞，甚至產生了剝落坑，萌生了疲勞裂紋，疲勞裂紋擴展導致輪齒折斷。根據這一結果判斷，齒輪出現了偏載。因此，偏載是導致風電齒輪箱中速軸小齒輪早期失效的主要原因。據呂天河等人的研究發現，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。
結論
1)風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，斷口上瞬斷區面積遠小于疲勞斷口面積，輪齒斷裂性質為高周疲勞斷裂。
2)齒面在相互嚙合的過程中既相互滾動又發生微小的相對滑動，齒面上的麻點和蝕坑應歸因于接觸疲勞。齒輪一側齒面上接觸疲勞較另一側更為嚴重。除了齒面硬度略低于標準值以外，其它指標均合格，說明材質并不是導致接觸疲勞的主要原因。齒面接觸疲勞的主要原因應歸于過高的載荷。
3)在工作齒面上，對比輪齒AB兩端的破壞情況發現，齒面B端破壞較A端嚴重，推斷齒輪B端承受的載荷應明顯高于A端，這說明斷齒的主要原因是偏載。
