不同硬化層深度風電齒輪彎曲疲勞強度對比試驗研究

中圖分類號：TM315 DOI：10.16578/j. issn.1004.2539.2025.06.018

0 引言

齒輪作為機械傳動系統中的關鍵部件，其性能直接關系到整個系統的穩定性和可靠性。在風電領域，風發電機的運行工況復雜多變，對齒輪的承載能和使用壽命提出了更高的要求。其中，風電齒輪的齒根彎曲強度是衡量其承載能的重要指標之一。

通過滲碳淬火等熱處理工藝，可以在齒輪表面形成一定深度的硬化層，提高齒輪的表層硬度，增強其彎曲強度[1-2]。硬化層深度作為熱處理工藝的重要參數，對齒輪的彎曲強度有著顯著的影響。ISO6336一5推薦的防止齒輪斷齒失效的齒根最佳硬化層深度范圍為模數的 0.1～0.2^[3] 。HOHN等認為，高硬化層深滲碳時間長，使齒根內氧化和非馬氏體組織增加，從而造成彎曲強度下降。ERRICHELLO等[5-6]認為，齒根硬化層過深會喪失齒輪芯部的韌性；試驗表明，齒輪硬化層過深會影響齒輪熱處理質量，造成齒根彎曲強度下降。隨著現代熱處理技術和設備的更新，齒輪材料熱處理的質量較以前有較大提高。然而，在保證熱處理質量的基礎上，針對模數的0.2以上的深層齒根硬化層對齒根彎曲強度的影響，目前尚缺乏系統的試驗數據和理論分析。

各國學者使用基于懸臂梁理論的齒輪彎曲疲勞性能測試方法驗證了多種因素對齒輪彎曲疲勞性能的影響[8-9]。升降法和成組法在獲取齒輪彎曲疲勞極限和應力-壽命（S-N）曲線中得到廣泛應用[10-]。為了模擬實際的工作場景，也有研究者設計開發了專用于彎曲疲勞試驗的齒輪運轉試驗臺[2]。NASA針對齒根疲勞長壽命甚至無限壽命疲勞試驗，開發了峰值加載頻率可達 1000Hz 的高頻加載試驗臺[13]。

本研究旨在通過對比具有不同硬化層深度的風電齒輪在相同載荷條件下的齒根彎曲強度，揭示超深硬化層對齒輪彎曲強度的影響。具體而言，將選取相同材料、不同硬化層深度的風電滲碳淬火齒輪作為試驗對象，采用標準的齒輪彎曲疲勞試驗方法，對齒輪進行脈動加載試驗，記錄并分析了齒根的彎曲疲勞壽命和破壞形態。

通過本研究，期望能夠為風電齒輪的設計、制造和熱處理工藝的優化提供依據和試驗支持，進而提升風電傳動系統的整體性能和可靠性。同時，本研究也將為其他領域齒輪傳動系統的強度校核和優化提供一定的參考和借鑒。

1試驗試樣制作

為使試驗齒輪制造工藝條件和尺寸與風電齒輪一致，本文試驗選用原材料為18CrNiMo7-6、滲碳淬火的某型實際風電行星輪作為原型，其幾何參數如表1所示。并按照相同的尺寸和制造工藝生產了硬化層深度分別為0.2模數、0.4模數的試驗齒輪A和試驗齒輪B。

由于試驗風電齒輪直徑超過 500mm ，受試驗設備限制，無法直接在試驗機上進行加載試驗，必須在試驗齒輪上取試驗齒樣。為保證在合適的載荷下獲得有效的試驗數據，還必須實現取試驗齒樣后對比齒輪在相同載荷、相同位置上進行加載[4]

將齒輪放置于工作臺上，選取其中1個齒，將齒輪的另一側墊高，保證該處齒槽的中間對稱面與線切割機床的切割面平行，從齒槽切割至齒輪內孔。為了減小端面支撐對齒根彎曲應力的影響，須保證每個試樣至少有5個完整齒形。因此，隔開7個齒重復上述切割步驟，切割出一塊包含7個齒的齒胚，如圖1所示。

受螺旋角的影響，為了保證每個試驗件螺旋線方向加載均勻，在齒胚的螺旋線方向不同位置取樣時，須先使用專用工裝，加工切割基準，再切割試樣。最終得到的齒寬為 35mm 的5＼～7齒試驗齒樣如圖2所示。

2 試驗設備和方法

2.1 試驗設備

試驗選用的電磁諧振式高頻疲勞試驗機如圖3所示。其具有輸出振動波形失真度小、工作頻率范圍大、易于控制的優點。

對于齒輪彎曲疲勞試驗，要求加載的大小和位置準確，載荷在齒寬方向上分布均勻。試驗夾具采用下夾具體直接支撐的方式，軸向力直接傳遞至試驗機，采用壓板輔助固定。齒輪試樣的切割已將嚙合線旋轉至水平面，保證錘頭與試驗輪齒在同一水平面接觸。加載錘頭設計成兩個凹面形狀，在加載時，一旦出現載荷沿齒寬分布不均的情況，錘頭可通過自身變形來調整載荷在輪齒齒寬上的分布[15]。試驗夾具安裝調試過程如圖4所示。

2.2 試驗方法

試驗依據國家標準GB/T14230—2021，在脈動疲勞試驗機上進行單齒脈動加載[，載荷比 R=0.05 ，試驗頻率在 90Hz 左右，疲勞試驗循環基數取 3×10⁶ 。本次試驗采用成組對比法，將2種不同齒根硬化層深度的試驗齒輪分為齒輪A組和齒輪B組，在同一應力水平下進行齒輪彎曲疲勞試驗。由于在不同的應力水平下試驗齒輪的疲勞性能往往表現不一樣，為了全面地比較兩種產品的疲勞性能，擬選取高、低兩個不同應力水平來進行試驗，每個應力水平下每組試驗齒輪的有效數據不少于6個。

3 試驗結果

表2和表3所示分別為齒輪A和齒輪B按 180kN 和 220kN 試驗加載載荷進行試驗的結果匯總。其中，應力比按 r=0.05 計算。

4試驗數據分析原理

4.1 可疑數據點取舍

在對試驗數據進行處理前，需要進行可疑數據的判定與取舍。疲勞壽命數值過小，有可能是由于試樣本身材質異常、加工缺陷、銹蝕等所致。此外，載荷偏心、機器的側振以及跳動量過大等，也會導致彎曲疲勞強度的降低。疲勞壽命數值過大，有可能是由于操作不慎，在調試設備過程中，施加了一兩次過大載荷，從而引起強化效應。

因此，為了提高分析結果的可靠性，需對疲勞壽命數據進行可疑值判斷，剔除異常數據，并查找異常數據出現的原因。如疲勞壽命值過小，則需要觀察試驗斷口，取得論據。常用的可疑數據判定原理有肖維勒準則、拉依達準則、格拉布斯準則、狄克遜準則、t檢驗等。

根據本次試驗的樣本量，選擇采用肖維勒準則對試驗數據進行可疑數據判斷。其計算步驟如下。

對所有疲勞壽命 N_i 取對數，記為 x_i ，并計算出對數壽命均值、標準差。

1）根據樣本量查詢肖維勒系數 C_n ，若 C_nσ ，則沒有可疑數據；若 ，則剔除可疑數據后重新進行可疑數據判斷，直至沒有可疑數據為止。

2）根據 ，可進一步推導出式（4）與式（5），得到符合要求的壽命區間 [N_min ， N_max] 。若疲勞壽命都在區間范圍內，則無可疑數據；若存在疲勞壽命不在區間范圍內，則剔除，步驟同1）。

4.2 成組對比試驗

為深入探究對比不同工藝下齒輪彎曲疲勞強度，采用成組對比法進行試驗和數據處理分析。其中，成組對比法的數據檢驗算法通常選取 Φ_t 檢驗法，即假定參與對比的兩組被試件屬于兩個母體，通過t檢驗算法計算出統計量 Φ_t ，并與標準參考曲線對照，以此判定兩個母體是否有顯著差異。

成組對比試驗必須滿足被抽樣的兩個母體的標準差相等的條件，即 σ₁=σ₂ 。因此，在應用 Φ_t 檢驗法之前，需要通過 F 檢驗，以證實 σ₁=σ₂ 。 F 檢驗的基本思想是：如果兩個總體的標準差相同，子樣的標準差 s₁ 和 s₂ 的差異完全是由偶然誤差引起的，則被抽樣的兩個母體的方差比 F 應該接近于1；當 F 超過某限度 F_α 時，說明兩母體有系統差異存在，就可以認為總體的標準差是不同的。方差比可表示為

式中，選取數值大的方差作為分子，數值小的方差作為分母，則 F 恒大于1。顯然，方差比 F 是一個隨機變量，其分子、分母自由度分別為 v₂=n₂-1 和 v₁= n₁-1 。給定顯著性水平 α （置信度 _1-α ），可根據 F 頻率曲線得到 F_α 值。如果 Fα ，兩個母體的標準差差別不顯著（ （σ₁=σ₂） ， F 檢驗通過，試驗滿足成組對比的條件；如果 Fgt;F_α ， σ_?1 與 σ₂ 之間有顯著差別。通過F 檢驗，就可以進行 Φ_t 檢驗，方法如下：

設兩組對比試驗的結果數據在剔除可疑數據后，兩組數據為 x_1i（i=1 ，2，…， n₁） 、 ，2，…，n₂） 。分別用 n_?1 和 n₂ 個數據的算術平均值 和 來估計相應母體的均值 μ_?1 和 μ₂ ，即

用 n₁ 和 n₂ 個數據的標準差 來估計總體的標準差 σ₁，σ₂ ，即

統計量 Φ_t 的計算式為

給定顯著度 α ，并已知自由度 v=n₁+n₂-2 ，查閱 Ψ_t 分布數值表，則可確定接受區間的上、下限 ±t_α 。若∣t∣α ，則認為兩個母體的平均值無顯著差異；若∣t∣gt;t_α ，則認為兩個母體的平均值有顯著差異。

若 F 檢驗未通過，則采用近似的 t^′ 檢驗，方法如下：

t^′ 值計算式為

其自由度為

如果求出的 v 值不是整數，則采用最接近該數值且比它小的整數。已知自由度之后，即可由 χ_t 分布數值表確定臨界值 t_α° 當 ∣t∣α ，則認為兩個母體的平均值無顯著差異；當 ∣t∣gt;t_α ，則認為兩個母體的平均值有顯著差異。

5試驗數據處理

5.1 數據預處理

將正式試驗獲得的所有原始數據（循環次數）取對數后計算每一個齒輪的均值、標準差[17-18]，并通過肖維勒準則對可疑數據點進行剔除。表4所示為具體計算結果。

將試驗的疲勞壽命與計算出的疲勞壽命上下限進行對比，對以下處于疲勞區間外的數據05-A-03進行剔除。對篩選過后的數據計算出新的對數均值和標準差，如表5所示。

5.2 數據分析

為比較不同硬化層深度對齒輪彎曲疲勞強度的影響，數據分析將采用成組分析方法，即使用獨立樣本t檢驗比較兩種不同硬化層深度齒輪的彎曲疲勞壽命數據的差異。

對疲勞壽命數據進行 F 檢驗，成組對比計算出的結果如表6所示。

結果表明， 180kN 下的齒輪B與齒輪A的數據對比結果通過 F 檢驗，進一步進行 Φ_t 檢驗； 220kN 下的齒輪B與齒輪A的數據對比結果沒有通過 F 檢驗，則進行近似的 t^′ 檢驗。檢驗結果如表7所示。

檢驗結果表明，高、低應力級下兩種不同硬化層深度的齒輪B與齒輪A彎曲疲勞強度差異明顯。因此，對于兩種齒輪，整體結論如下：在 95% 置信度下，齒輪B的彎曲疲勞強度高于齒輪A。

6 熱處理質量分析

除齒根硬化層深度，熱處理產生的內氧化、非馬氏體組織、脫碳、滲層碳化物、表面硬度和心部硬度等均對齒輪的彎曲疲勞性能有較大影響。

為進行對比分析，解剖了齒輪A和齒輪B的試樣，并進行了詳細的熱處理質量檢測，結果如表8所示。從表8中可以看出，齒輪A和齒輪B的熱處理質量均達到了ISO6336—5標準中的ME級要求，表明它們在熱處理工藝上均表現出色。其中，齒輪A實際硬化層深為0.26模數，而齒輪B實際硬化層深度達到0.44模數。值得注意的是，盡管齒輪B的硬化層深度較大，但其在內氧化和非馬氏體組織的控制方面甚至略優于齒輪A，且未出現脫碳現象。此外，齒輪B的心部硬度仍有37HRC，未出現淬透現象，仍具有一定的韌性。

綜上所述，在這些熱處理質量指標的保證下，齒根硬化層深度的顯著提升，使得齒輪B相較于齒輪A在彎曲疲勞試驗中展現出了更高的彎曲疲勞強度。

7結論

1）對比了不同硬化層深度的風電齒輪在相同載荷條件下的彎曲疲勞強度。試驗數據分析表明，在95% 置信度下，硬化層深度更深的齒輪B在高、低應力級別下均展現出更優越的彎曲疲勞性能。

2）熱處理質量分析顯示，齒輪B的硬化層深度、內氧化、非馬氏體組織控制以及心部硬度與齒輪A相當。這些因素共同作用，保證了齒輪B的彎曲疲勞強度。

3）試驗和熱處理質量對比表明，兩種齒輪材料相同、工藝過程一致、加載條件一樣、熱處理質量相當；齒輪B的彎曲疲旁強度顯著高于齒輪A，這可以歸因于齒輪B具有更深的硬化層深度。

本研究結果對于風電齒輪的設計、制造和熱處理工藝的優化具有重要的指導意義，有助于提升風電傳動系統的整體性能和可靠性。建議在風電齒輪的熱處理工藝中，在不考慮成本和嚴格控制熱處理過程中質量前提下，允許齒輪存在更深的硬化層深度。

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Research on comparative testing of bending fatigue strength of wind turbine gearswithdifferenthardened layerdepths

ZHANG Baosong’WANG Zekun’YAN Li'WANG Han2SONG Haopeng2FENG Nan2 （1.CRRCQishuyanLocomotiveamp;Roling StockTechnology Research InstituteCo.，Ltd.，Changzhou23011，China） （2.China Productivity Center forMachinery Co.，Ltd.，Beijing10o044，China）

Abstract：[Objective]Theoperationalconditionsofwind turbinesarecomplexandvariable，which impose higherrequirementsontheload-bearingcapacityandservicelifeofgears.Theimpactofdiferenthardenedlayerdepthsonthebendingfatiguestrengthofindtrbiegearsasivestigatedmingtoproideadsignbasisandtestsupportforthtimiatioofde sign，manufacturing，andheat treatmentprocesss forwindturbinegears.[Methods]Basedonthedesignrequirementsoutlined inthenationalstandardGB/T1423o—2021，comparativebendingfatiguetestswereconductedontwotypesofwindturbine planetarygearswithsignificantlydiferenthardenedlayerdepths.TheChauvenetcriterionwasemployedtoeliminatesuspicious data points from the test data.A grouped comparison method and t -test wereutilized fordataanalysis，and dissectionof the test sampleswasperformedtoverifytheheatreatmentqualityofbothtypesofgears.[Results]Theresultsindicate that，undercomparableheattreatmentqualityconditions，gearswiththegreaterhardenedlayerdepthexhibitsignificantlyhigherbendingfatigue strength at both high and low stress levels compared to those with the shallowerhardened layer depth.

Keywords：Bending fatigue;Hardened layer depth;Wind turbine gear;Comparative test