風(fēng)能發(fā)電變槳減速機(jī)齒輪崩裂失效分析

申奇志， 譚彥顯

（1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙410012；2.湖南省產(chǎn)商品監(jiān)督檢驗研究院，長沙410000）

0 引 言

圖1 齒輪崩裂形貌圖

變槳減速機(jī)廣泛應(yīng)用于風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)，其工作特點是間歇工作起停較為頻繁，傳遞轉(zhuǎn)矩較大，傳動比較高。某風(fēng)能有限公司使用的變槳減速機(jī)齒輪生產(chǎn)工藝過程為：下料→退火→車加工→滾齒→鉗修→滲碳→淬火→磨加工→成品。齒輪精度為6～7級，小齒輪及葉片軸速變6.7～10.1 r/min，變槳齒輪箱內(nèi)的齒輪及軸承采用Mobil SHCXMP320齒輪油潤滑。除年度檢查和給脂潤滑系統(tǒng)定期加脂以外，變槳減速器無需維護(hù)，每5 a進(jìn)行1次油品采樣。要求在-20 ℃時，沖擊功Akv2≥27 J情況下，小齒輪及軸的使用壽命達(dá)20 a。一變槳減速機(jī)齒輪(規(guī)格為φ98×65，20CrMnTi)在遼寧某風(fēng)場使用，1 a后出現(xiàn)打齒、崩齒現(xiàn)象，且與之相配合的其它齒輪也有類似的現(xiàn)象(如圖1)。據(jù)齒輪生產(chǎn)廠家關(guān)于齒輪崩齒問題的報告介紹，其他風(fēng)場同批次產(chǎn)品無此現(xiàn)象，維修人員反映此風(fēng)場風(fēng)力較大。由此可知，當(dāng)外部載荷較大時，該產(chǎn)品的可靠性有所下降。本文對該齒輪進(jìn)行了檢驗，分析了失效原因，并提出了熱處理改進(jìn)意見。

1 宏觀斷口檢驗

經(jīng)超聲波清洗后，斷裂齒輪的斷口形貌如圖1（c）所示，可以清楚地看到在齒條齒頂次表層的裂紋源區(qū)和逆指向裂紋源，呈放射花樣，占有很大面積的裂紋擴(kuò)展區(qū)。裂紋擴(kuò)展區(qū)顯示了裂紋前沿擴(kuò)展遺留下的痕跡，放射花樣所占面積大，說明裂紋迅速擴(kuò)展，齒輪崩裂具有脆性斷裂特征。此外，在裂源的對側(cè)有一處為硬物擠壓碰傷遺留的痕跡，證明該處齒輪崩裂是先受到擠壓或碰撞后斷裂。

2 理化檢驗

為了便于分析，采用線切割方法取拉伸、沖擊及金相試樣，取樣位置及對應(yīng)的試樣、金相觀察磨面如圖2所示，表層顯微維氏硬度在金相試樣上測量。化學(xué)成份試樣在齒輪中心位置處鉆取。

圖2 金相及力學(xué)性能試樣取樣位置

2.1 化學(xué)成分及力學(xué)性能檢驗

用碳硫分析儀、Optima800等離子發(fā)射光譜分析齒輪的化學(xué)成分，檢驗結(jié)果如表1所示。用MC010-HBS-62.5數(shù)顯布氏硬度計、WAW-60電液伺服材料試驗機(jī)及CBD全自動擺錘沖擊試驗機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能試驗，齒輪力學(xué)性能檢驗結(jié)果如表2所示。由表1、表2可見，材料成分與力學(xué)性能滿足JB/T6395-2010和GB/T8539-2000的要求。

表1 齒輪化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢驗結(jié)果 %

表2 齒輪力學(xué)性能檢驗結(jié)果

2.2 金相檢驗

將齒輪中心位置處鉆取的金相試樣，經(jīng)磨制拋光后用4%的硝酸酒精溶液浸蝕，在GX51F奧林巴斯金相顯微鏡下觀察其顯微組織。齒輪心部的金相組織如圖3所示，可以看出其組織為回火板條馬氏體，金相組織均勻，符合20CrMnTi鋼淬火的組織形態(tài)。

1）齒頂滲碳層層深檢測。采用金相法檢測滲碳層層深，齒頂處滲碳層深度約1.6 mm，如圖4所示。

2）齒頂滲碳金相組織檢驗。用4%的硝酸酒精溶液對金相磨面進(jìn)行腐蝕，分別觀察相鄰兩齒齒頂處金相組織后可以發(fā)現(xiàn)，齒頂處滲層金相組織為粗針狀馬氏體+較多殘余奧氏體，如圖5所示。參考汽車滲碳齒輪金相檢驗標(biāo)準(zhǔn)(QC/T262-1999)，對馬氏體針葉長度及殘余奧氏體評級，評定結(jié)果為:馬氏體針葉長度7級，殘余奧氏體6～7 級(AR含量37%～42%)。對齒根處的金相組織進(jìn)行分析，相對齒頂處金相組織，其針狀馬氏體較細(xì)，殘余奧氏體相對較少，如圖6所示。

圖3 齒輪心部金相組織500×

圖4 齒頂滲碳層層深（50×）

圖5 滲碳層齒頂金相組織（500×）

圖6 (2#齒)滲碳層齒根金相組織（500×）

在正常的腐蝕條件下，滲碳淬火+低溫回火針狀馬氏體組織在顯微鏡下應(yīng)呈黑亮色，而非圖5中的淺灰色，這說明該齒輪存在回火不足的現(xiàn)象。

3 分析討論

3.1 齒輪崩裂原因

變槳驅(qū)動系統(tǒng)置于高空，且變槳減速機(jī)行星齒輪處在一個封閉的環(huán)境中，不會有異物進(jìn)入造成對齒輪的沖擊和碰撞。由圖1可知，該齒輪崩裂是在先受到擠壓或碰傷后導(dǎo)致的崩齒，裂源位于齒頂皮下，該處的金相組織為粗針狀馬氏體+殘余奧氏體，馬氏體7級、殘余奧氏體6～7級(如圖5、圖6)。這種組織硬度高、脆性大，一旦出現(xiàn)較大負(fù)荷的沖擊或碰撞，很可能會出現(xiàn)崩落開裂的情況。按汽車滲碳齒輪金相檢驗標(biāo)準(zhǔn)(QC/T262-1999)或內(nèi)燃機(jī)活塞銷第二部分：金相檢驗標(biāo)準(zhǔn)(JB/T8118.2-2011)，該組織不符合要求。同時，生產(chǎn)廠家可能考慮20 a使用條件要求，有意識增加了滲碳層深度，由圖4可見，其滲碳層深度達(dá)到1.6 mm左右，比傳統(tǒng)滲碳技術(shù)要求要深0.4～0.6 mm左右，且由金相檢驗可知齒輪在滲碳淬火后回火不充分，造成其額外的附加淬火內(nèi)應(yīng)力。歸根結(jié)底，該齒輪崩裂的主要原因是滲碳淬火熱處理工藝質(zhì)量缺陷，因此，同批次產(chǎn)品存在相同的使用風(fēng)險。

3.2 改進(jìn)建議

提高變槳減速機(jī)行星齒輪滲碳淬火及回火質(zhì)量是預(yù)防同類事故發(fā)生的關(guān)鍵，建議選擇二次淬火法滲碳工藝，并適當(dāng)調(diào)整滲碳層深度技術(shù)參數(shù)。為了使回火更加充分、均勻有效，滲碳淬火后應(yīng)及時回火，回火介質(zhì)采用油或鹽浴。齒條頂部在滲碳淬火后存在的殘余奧氏體是不穩(wěn)定組織，當(dāng)受力較大時，會誘發(fā)馬氏體相變，造成體積膨脹，破壞原有的尺寸精度，增加開裂的風(fēng)險。應(yīng)該增加深冷處理工序，降低滲碳淬火層中殘余奧氏體含量。

4 結(jié) 論

本例中的變槳減速機(jī)齒輪失效是由于齒輪滲碳淬火熱處理工藝質(zhì)量缺陷所導(dǎo)致的。采用二次淬火法并及時回火，增加深冷處理工序，可以降低滲碳淬火層中殘余奧氏體含量，獲得較理想的滲碳淬火組織。