某風電機組行星齒輪斷齒原因

謝文婷, 祁紅璋, 任蓓蕾, 龔 凱, 袁象愷

(通標標準技術服務(上海)有限公司, 上海 200120)

風電機組齒輪是機組主軸和發電機之間傳遞動力的傳動部件，是風力發電機組中的重要組成部分[1]。受到設計、制造工藝及運行情況等因素的影響，齒輪在服役多年后會出現表層剝落、點蝕甚至斷齒等現象[2-5]。

目前，關于夾雜物引起的應力集中導致齒輪發生疲勞斷齒的報道較多[6-8]。某廠風電機組行星齒輪在運行約2 a后發生斷齒,齒輪材料為18CrNiMo7-6鋼，齒表面進行了滲碳處理。圖1為行星齒輪斷裂齒和完整齒的宏觀形貌。

圖1 行星齒輪斷裂齒和完整齒的宏觀形貌

筆者通過化學化成分分析、宏觀觀察、斷口分析、金相檢驗、掃描電鏡及能譜分析等方法，確定該行星齒輪發生斷齒的原因。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

采用直讀光譜儀和O N H元素分析儀對行星齒輪斷裂齒進行化學成分分析，結果見表1。行星齒輪斷裂齒的化學成分符合DIN EN 10084-2008標準中對18CrNiMo7-6鋼的技術要求。

表1 行星齒輪斷裂齒的化學成分

1.2 表面回火的浸蝕檢驗

依據GB/T 17879-1999《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗》標準對行星齒輪完整齒齒面(工作面)進行表面回火的浸蝕檢驗，結果見圖2。行星齒輪完整齒齒面存在燒傷情況。

圖2 行星齒輪完整齒表面回火的浸蝕試驗結果

1.3 硬度測試

對行星齒輪斷裂齒和完整齒的齒面硬度、心部硬度以及齒面各位置的表面滲碳淬火硬化層深度進行測試，根據GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值》標準，將洛氏硬度轉換成布氏硬度，測試結果見表2和表3。可知行星齒輪斷裂齒近表面硬度略低于客戶提供的技術要求，完整齒近表面硬度和心部硬度均符合客戶提供的技術要求，斷裂齒表面滲碳淬火硬化層的深度符合客戶提供的技術要求， 完整齒表面滲碳淬火硬化層深度略大于客戶提供的技術要求上限值。

表2 行星齒輪斷裂齒和完整齒的硬度

表3 行星齒輪斷裂齒和完整齒的表面滲碳淬火硬化層深度

1.4 金相檢驗

1.4.1 顯微組織觀察

在行星齒輪斷裂齒和完整齒截面截取試樣，經鑲嵌、研磨、拋光、浸蝕后，在金相顯微鏡下觀察其表面與心部的顯微組織。依據GB/T 25744-2010 《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》和GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》標準對組織、碳化物以及晶粒度進行評級。如圖3所示：行星齒輪斷裂齒表面有明顯燒傷痕跡，斷裂齒表面的馬氏體組織為3級、殘余奧氏體為2級、碳化物為1級，心部組織為1級，晶粒度為8.0級；完整齒表面的馬氏體組織為2級、殘余奧氏體為1級、碳化物為1級，心部組織為1級，晶粒度為7.5級。行星齒輪斷裂齒和完整齒的組織、碳化物以及晶粒度評級均滿足客戶提供的技術要求(碳化物不大于3級，馬氏體不大于5級，殘余奧氏體不大于4級，心部組織不大于4級，晶粒度不大于6級)。

圖3 行星齒輪斷裂齒和完整齒不同位置的顯微組織

如圖4所示，行星齒輪完整齒和斷裂齒均存在一定程度的晶界氧化，但符合ISO 6336-5:2016Calculationofloadcapacityofspurandhelicalgears-Part5:Strengthandqualityofmaterials標準中MQ 10.6級別非磨削面晶界內氧化( IGO )允許深度的要求(不大于50 μm)。

圖4 行星齒輪斷裂齒和完整齒的晶界氧化深度

1.4.2 非金屬夾雜物檢驗

在行星齒輪斷裂齒和完整齒截面截取試樣，經鑲嵌、打磨和拋光后，在金相顯微鏡下觀察非金屬夾雜物形貌，依據GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》標準，對非金屬夾雜物進行評級。如表4和圖5所示，行星齒輪斷裂齒和完整齒中的非金屬夾雜物評級均不符合標準值。

表4 行星齒輪斷裂齒和完整齒的非金屬夾雜物評定結果

圖5 行星齒輪斷裂齒和完整齒中非金屬夾雜物的微觀形貌

1.5 斷口分析

采用體視顯微鏡和掃描電鏡(SEM)觀察行星齒輪斷裂齒的斷口形貌。如圖6所示：行星齒輪斷裂齒斷口表面磨損嚴重，但仍可見明顯的放射線形貌，區域A為裂紋源區；進一步放大觀察區域A發現，區域A存在尺寸約為500 μm×250 μm的夾雜物聚集區；區域B存在疲勞輝紋。

圖6 行星齒輪斷裂齒的斷口SEM形貌

1.6 掃描電鏡及能譜分析

使用掃描電鏡及能譜儀對區域A進行微區化學成分檢測，結果見圖7和表5。 行星齒輪斷裂齒斷口區域A非金屬夾雜物處存在尺寸約為500 μm×250 μm的鋁、氧元素密集區，對該區域7個位置進行EDS分析，位置1～4的鋁、氧元素含量異常，表明該區域夾雜物為氧化鋁。

圖7 行星齒輪斷裂齒斷口區域A處非金屬夾雜物的EDS分析位置和面掃結果

表5 圖7a)中鋁、氧元素密集區域不同位置的EDS分析結果

2 分析與討論

通過化學成分分析可知，行星齒輪斷裂齒和完整齒的化學成分均符合DIN EN 10084-2008標準中對18CrNiMo7-6鋼的技術要求。通過顯微組織觀察可知，行星齒輪斷裂齒和完整齒的組織無明顯差異，且均符合客戶提供的技術要求。

通過硬度及硬化層深度測試結果可知：行星齒輪斷裂齒近表面硬度略低于客戶提供的技術要求，這會降低齒輪表面的耐接觸疲勞和彎曲疲勞能力[9]；完整齒近表面和心部的硬度均符合客戶提供的技術要求；斷裂齒的滲碳層深度符合客戶提供的技術要求，完整齒的滲碳層深度大于客戶提供的技術要求上限值。通過表面回火的浸蝕檢驗結果可知，行星齒輪完整齒齒面存在燒傷現象，燒傷會加速齒面的疲勞失效[10]。斷裂齒表面存在的白亮層可能是在行星齒輪服役過程中潤滑不良，使磨削應力過大、產生高溫而形成的。

通過非金屬夾雜物檢驗結果可知，行星齒輪斷裂齒和完整齒中均存在DS類1.5級夾雜物，不符合標準值。通過掃描電鏡及能譜分析結果可知，斷裂齒斷口裂紋源區存氧化鋁非金屬夾雜物聚集區，斷口上可見疲勞輝紋。

通過以上分析可知，該行星齒輪原材料中可能存在夾雜物缺陷。考慮行星齒輪表面的受力情況，在滲碳處理后，齒輪中的碳含量沿深度方向呈梯度分布，導致淬火馬氏體相變引起的體積變化不同。因此，該行星齒輪表面硬化層的殘余應力分布情況為表層滲碳層受壓應力，滲碳層下方過渡區逐漸由最大壓應力向最大拉應力轉變[11]。該行星齒輪斷裂齒斷口裂紋源區的夾雜物距離齒面約5 mm，其位置已超出滲碳層深度，即夾雜物未處于受最大拉應力的過渡區。因此，判斷該行星齒輪原材料中存在大量聚集的夾雜物，從而使齒輪的疲勞強度降低，在齒輪服役過程中，夾雜物附近易產生應力集中，裂紋在該處萌生，齒輪表面燒傷加速裂紋擴展，最終導致行星齒輪發生疲勞斷裂。

綜上所述，行星齒輪的斷裂模式是原材料中存在的夾雜物引起的疲勞斷裂。

3 結論與建議

(1) 該行星齒輪原材料中存在大量聚集的夾雜物，使齒輪的疲勞強度降低，在齒輪服役過程中，夾雜物附近易產生應力集中，從而在該處萌生裂紋，齒輪表面燒傷加速裂紋擴展，最終導致齒輪斷裂。

(2) 應加強對該行星齒輪原材料中夾雜物的檢測，在運行過程中應注意行星齒輪的潤滑情況。