風(fēng)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(fēng)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(yīng)力較大，在使用過程中容易發(fā)生斷齒。齒輪軸的材料為18CrNiMo7-6鋼，其一般的生產(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。 某風(fēng)電齒輪箱在運轉(zhuǎn)了約10個月后，其齒輪軸發(fā)生斷齒，齒輪軸結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)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(fā)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(dǎo)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(jù)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(xué)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(fā)射光譜法(常規(guī)法)》，用直讀光譜儀分析斷齒心部的化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示，結(jié)果符合EN 10084—2008 《滲碳鋼交貨技術(shù)條件》對18CrNiMo 7-6鋼的要求。

表1 斷齒心部的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 掃描電鏡(SEM)分析

采用SEM對裂紋源進(jìn)行觀察，結(jié)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(zhì)，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(qū)域呈準(zhǔn)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(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示，由圖5可知：裂紋源處Al，O元素含量異常，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)GB/T 17879—1999 《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗》進(jìn)行磨削燒傷檢測，未發(fā)現(xiàn)磨削燒傷痕跡，說明不存在生產(chǎn)制造或使用維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致高溫?fù)p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(biāo)準(zhǔn)GB/T 230.1—2018 《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》進(jìn)行硬度測試，結(jié)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(jié)果滿足設(shè)計要求。

表2 斷齒表面和心部的硬度測試結(jié)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(jié)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(shè)計要求。

1.8 金相檢驗

從斷齒上取樣，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕，按照J(rèn)B/T 6141.3—1992 《重載齒輪 滲碳金相檢驗》，用光學(xué)顯微鏡評定斷齒表面和心部的顯微組織，結(jié)果如圖8所示，由圖8可知：斷齒表面組織為細(xì)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(zhì)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(xué)顯微鏡檢驗心部的晶粒度，結(jié)果為7.5級，符合標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計、生產(chǎn)制造和使用維護(hù)等多個方面進(jìn)行分析。該風(fēng)機齒輪箱沒有發(fā)生大批量斷齒的情況，故可以排除設(shè)計原因。

該齒輪箱僅運轉(zhuǎn)了10個月左右就發(fā)生了斷齒，使用時間較短，且風(fēng)場對振動、油溫、油壓等關(guān)鍵參數(shù)都有大數(shù)據(jù)實時監(jiān)控，斷齒的齒輪箱各監(jiān)控數(shù)據(jù)與風(fēng)場其他齒輪箱并無明顯差異，故可以排除使用維護(hù)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(dǎo)致斷齒的可能。

由齒面磨削燒傷分析結(jié)果可知：斷齒和非斷齒的齒面均未發(fā)現(xiàn)磨削燒傷痕跡，可以排除由于生產(chǎn)制造或使用維護(hù)不當(dāng)產(chǎn)生磨削燒傷導(dǎo)致齒面點蝕剝落，進(jìn)而導(dǎo)致斷齒的可能。

由化學(xué)成分、硬度測試和金相檢驗結(jié)果可知：齒輪軸斷齒的化學(xué)成分、晶粒度、齒面硬度、滲碳層深度、硬度梯度等結(jié)果均符合設(shè)計及標(biāo)準(zhǔn)要求。

從斷口的SEM分析可知：裂紋源處存在疑似夾雜物，結(jié)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(xù)性，降低材料的疲勞強度。當(dāng)夾雜物處在承受應(yīng)力較大位置時，夾雜物周圍易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而萌生疲勞裂紋，隨著時間的延長，裂紋會進(jìn)一步擴展，最終發(fā)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(hù)，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(jié)語

該風(fēng)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(fā)生斷齒的主要原因。經(jīng)整改后，筆者單位生產(chǎn)了近百件產(chǎn)品，都未發(fā)生開裂。