圖 1 齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意
分享：風電齒輪箱齒輪損傷原因
增速齒輪箱作為風機系統(tǒng)中傳動鏈的重要部件,起到動力傳輸?shù)淖饔?通過增速齒輪箱使葉片的轉(zhuǎn)速增大,使其轉(zhuǎn)速達到發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速,從而使發(fā)電機正常發(fā)電。行星齒輪是齒輪箱的核心部件,其與齒圈和太陽輪的輪齒嚙合傳動,將齒圈輸入過來的載荷傳遞給太陽輪。行星齒輪在使用過程中容易發(fā)生點蝕、剝落、斷齒等損傷。行星輪的材料為18CrNiMo7-6鋼,一般生產(chǎn)工藝流程為：煉鋼→鍛造→鍛后正回火→粗加工→滲碳淬火→精加工[1],齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。某型號齒輪箱屬于三級行星結(jié)構(gòu),在運轉(zhuǎn)了約8個月后,經(jīng)振動檢測發(fā)現(xiàn)異常,對其進行登機內(nèi)窺鏡檢查及下架拆解檢查,發(fā)現(xiàn)三級行星輪齒面存在剝落損傷。經(jīng)校核計算,齒面接觸、齒根彎曲疲勞強度和極限強度安全系數(shù)及膠合安全系數(shù)均滿足技術要求。筆者采用一系列理化檢驗方法對該行星輪剝落的原因進行分析,以避免該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
齒輪箱及剝落行星輪的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：齒輪箱拆解后發(fā)現(xiàn)三級行星輪、三級太陽輪、三級內(nèi)齒圈齒面均有不同程度損傷；三級行星輪齒面損傷最嚴重,4個三級行星輪中1個行星輪的1顆齒與太陽輪嚙合齒面發(fā)生了嚴重剝落,其余3個三級行星輪齒面只存在磨損,與行星輪嚙合運轉(zhuǎn)的三級太陽輪和三級內(nèi)齒圈齒面存在輕微磨損。
圖 2 齒輪箱及剝落行星輪的宏觀形貌
根據(jù)零件損傷類型、損傷程度以及齒輪間的相互嚙合關系,可以判斷三級行星輪首先發(fā)生剝落,剝落碎屑導致三級太陽輪和三級內(nèi)齒圈嚙合齒面發(fā)生磨損現(xiàn)象。
1.2 化學成分分析
在剝落行星輪上取樣,按照GB/T 20125—2006 《低合金鋼 多元素的測定 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》對試樣進行化學成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣的化學成分符合EN 10084—2008 《滲碳鋼交貨技術條件》對18CrNiMo7-6鋼的要求。
Table 1. 剝落行星輪的化學成分分析結(jié)果
| 項目 | 質(zhì)量分數(shù) | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | Al | Cu | |
| 實測值 | 0.17 | 0.22 | 0.57 | 0.006 | 0.006 | 1.61 | 1.51 | 0.29 | 0.02 | 0.05 |
| 標準值 | 0.15~0.21 | ≤0.40 | 0.50~0.90 | ≤0.015 | ≤0.010 | 1.50~1.80 | 1.40~1.70 | 0.25~0.35 | 0.02~0.05 | ≤0.20 |
1.3 金相檢驗
在剝落行星輪上取樣,按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》對試樣進行非金屬夾雜物分析,結(jié)果如表2所示。由表2可知：剝落行星輪的非金屬夾雜物符合技術要求。
Table 2. 剝落行星輪非金屬夾雜物分析結(jié)果
| 項目 | A類 | B類 | C類 | D類 | DS類 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | ||
| 實測值 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 0.5 | 0 |
| 技術要求 | ≤1.5 | ≤1.0 | ≤1.0 | ≤0.5 | ≤0.5 | ≤0.5 | ≤1.0 | ≤1.0 | ≤1.0 |
在剝落行星輪上取樣,分別按照JB/T 6141.3—1992 《重載齒輪滲碳金相檢驗》、GB/T 9450—2005 《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》、GB/T 25744—2010 《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》和圖紙要求,對試樣的顯微組織、齒面硬度、硬化層等進行分析,試樣的齒面硬度和硬化層分析結(jié)果如表3所示,顯微組織分析結(jié)果如表4所示,齒面節(jié)圓的顯微組織形貌如圖3所示,齒根內(nèi)氧化微觀形貌如圖4所示。由表3,4和圖3,4可知：齒根內(nèi)氧化深度、齒面硬度、齒根馬氏體級別、齒根殘留奧氏體級別均不符合相應技術要求。
Table 3. 試樣齒面硬度、硬化層分析結(jié)果
| 項目 | 節(jié)圓硬度/HRC | 齒根硬度/HRC | 心部硬度/HRC | 心部晶粒度/級 | 表面碳元素質(zhì)量分數(shù)/% | 有效硬化層深度/mm | 晶界內(nèi)氧化深度/μm | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 左齒面 | 右齒面 | 左齒面 | 右齒面 | 左齒面 | 右齒面 | 節(jié)圓 | 齒根 | ||||
| 實測值 | 57.5 | 57.4 | 59.5 | 57.8 | 39.6 | 9.1 | 0.81 | 2.45 | 2.58 | 0 | 35.7 |
| 技術要求 | 58~62 | ≥55 | 35~45 | ≥6 | 0.60~0.85 | 2.16~2.88 | ≤25 | ||||
Table 4. 試樣的顯微組織分析結(jié)果
| 項目 | 左齒面節(jié)圓實測值 | 右齒面節(jié)圓實測值 | 左齒根實測值 | 右齒根實測值 | 技術要求 |
|---|---|---|---|---|---|
| 馬氏體 | 2 | 2 | 5 | 5 | 1~3 |
| 殘留奧氏體 | 2 | 2 | 4 | 5 | |
| 碳化物 | 1 | 1 | 1 | 2 |
圖 3 齒面節(jié)圓顯微組織形貌
圖 4 齒根內(nèi)氧化微觀形貌
1.4 硬度測試
在剝落行星輪上取樣,按照GB/T 9450—2005 在左右齒面節(jié)圓位置進行硬度梯度測試,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：左齒面滲碳層深度為2.45 mm,右齒面滲碳層深度為2.58 mm,滿足設計要求（2.16~2.88 mm）。
圖 5 齒面節(jié)圓硬度梯度曲線
1.5 掃描電鏡（SEM）分析
在剝落行星輪上取樣,將試樣在乙醇中超聲清洗,然后烘干,采用掃描電鏡對試樣進行觀察,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：大剝落坑是以初期剝落為裂紋源進一步剝落而成的,裂紋源處未發(fā)現(xiàn)原材料冶金缺陷；裂紋源位于齒面,輪齒表面形成裂紋后,在齒面嚙合過程中,表面金屬發(fā)生了明顯塑性變形,形成了鱗片,鱗片的伸長方向即為兩嚙合齒面的相對滑動方向；部分剝落處可以看到明顯的疲勞條帶。
圖 6 剝落行星輪的SEM形貌
1.6 精度檢測
將剝落行星輪清洗后,采用三坐標儀對其加工尺寸進行檢測[2],行星輪精度檢測結(jié)果如表5所示。由表5可知：齒輪在自由狀態(tài)下的加工精度滿足圖紙要求,與三級太陽輪嚙合的右齒面磨損相對嚴重,磨損尺寸約為10.6 μm。
Table 5. 齒輪精度檢測結(jié)果
| 項目 | 齒廓總偏差 | 螺旋線總偏差 | 單個齒距偏差 | 齒距累積總偏差 | 徑向跳動 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 實測值 | 左齒面 | 5 | 9 | 3 | 12 | 7 |
| 右齒面 | 13 | 9 | 4 | 16 | 7 | |
| 技術要求 | ≤16 | ≤13 | ±10 | ≤36 | ≤29 | |
2. 使用維護分析
2.1 溫度分析
對剝落齒輪箱相應的機組進行溫度分析,機組在并網(wǎng)發(fā)電到故障停機的過程中,溫度一直處于正常范圍內(nèi),但齒輪箱的油溫有輕微上升現(xiàn)象,原因是齒輪箱齒面剝落情況加劇,碾壓的碎屑進入油路中,引起潤滑油量減少,導致油溫升高。
將齒輪箱并網(wǎng)至故障期間的運行數(shù)據(jù)最大值與額定值進行對比,結(jié)果如表6所示。
Table 6. 運行數(shù)據(jù)最大值與額定值對比
| 項目 | 電機轉(zhuǎn)速/（r·min－1） | 發(fā)電機功率/kW | 齒輪箱潤滑油溫度/℃ | 主軸承溫度/℃ | 二級行星架發(fā)電機側(cè)軸承溫度/℃ | 二級行星架輪轂側(cè)軸承溫度/℃ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 最大值 | 1 054 | 4 245 | 56 | 42.4 | 55.2 | 51.6 |
| 額定值 | 1 054 | 4 250 | 65 | 65 | 75.0 | 75.0 |
2.2 油壓分析
該機組齒輪箱采取三級行星結(jié)構(gòu),其中A1口對應主軸承潤滑油壓,A2口對應一級行星潤滑油壓,A3口對應二級行星潤滑油壓,A4口對應三級行星潤滑油壓。對機組并網(wǎng)以來A1、A2、A3、A4潤滑口進行油壓分析,均在正常壓力范圍內(nèi)。
3. 綜合分析
三級行星輪齒面發(fā)生了嚴重剝落,三級太陽輪和三級內(nèi)齒圈齒面存在輕微磨損,根據(jù)零件損傷類型、損傷程度以及齒輪間的相互嚙合關系,可以判斷三級行星輪首先發(fā)生損傷[3]。三級行星輪齒面接觸、齒根彎曲疲勞強度和極限強度安全系數(shù)及膠合安全系數(shù)等指標均滿足相關標準要求。該機型齒輪箱已安裝使用幾百臺,截至目前發(fā)生該類問題的齒輪箱只有1臺,因此可以排除因設計不當而導致剝落的可能。三級行星齒輪在自由狀態(tài)下的加工精度滿足圖紙要求,說明零件加工沒有異常。三級行星輪齒的表面硬度、內(nèi)氧化深度、馬氏體級別、殘留奧氏體級別等多項指標均不符合設計要求,說明滲碳淬火質(zhì)量較差。齒面硬度低會降低齒輪齒面接觸強度,縮短齒輪的使用壽命,馬氏體粗大、殘余奧氏體含量多會影響齒輪的性能和尺寸穩(wěn)定性[4]。內(nèi)氧化層深,說明晶界氧化程度嚴重,顯微裂紋會沿晶界快速擴展。機組在并網(wǎng)發(fā)電到故障停機時,相關溫度和壓力數(shù)據(jù)均處在正常范圍內(nèi),說明運行維護沒有明顯異常。
4. 結(jié)論
三級行星輪齒面發(fā)生了嚴重剝落,三級行星輪齒面硬度、內(nèi)氧化深度、馬氏體級別、殘留奧氏體級別等指標不符合設計要求,熱處理質(zhì)量差,降低了齒面接觸強度,縮短了齒輪的使用壽命,滲碳淬火質(zhì)量差是三級行星輪齒面剝落的主要原因。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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