圖 1 齒輪箱的內部結構示意
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,起到動力傳輸的作用,通過增速齒輪箱使葉片的轉速增大,使其轉速達到發(fā)電機的額定轉速,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],齒輪箱的內部結構如圖1所示。某型號齒輪箱屬于三級行星結構,在運轉了約8個月后,經振動檢測發(fā)現異常,對其進行登機內窺鏡檢查及下架拆解檢查,發(fā)現三級行星輪齒面存在剝落損傷。經校核計算,齒面接觸、齒根彎曲疲勞強度和極限強度安全系數及膠合安全系數均滿足技術要求。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)現三級行星輪、三級太陽輪、三級內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,與行星輪嚙合運轉的三級太陽輪和三級內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齒圈嚙合齒面發(fā)生磨損現象。
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果
| 項目 | 質量分數 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 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果如表3所示,顯微組織分析結果如表4所示,齒面節(jié)圓的顯微組織形貌如圖3所示,齒根內氧化微觀形貌如圖4所示。由表3,4和圖3,4可知：齒根內氧化深度、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 | 表面碳元素質量分數/% | 有效硬化層深度/mm | 晶界內氧化深度/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,機組在并網發(fā)電到故障停機的過程中,溫度一直處于正常范圍內,但齒輪箱的油溫有輕微上升現象,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。
將齒輪箱并網至故障期間的運行數據最大值與額定值進行對比,結果如表6所示。
Table 6. 運行數據最大值與額定值對比
| 項目 | 電機轉速/（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)電機側軸承溫度/℃ | 二級行星架輪轂側軸承溫度/℃ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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構,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。對機組并網以來A1、A2、A3、A4潤滑口進行油壓分析,均在正常壓力范圍內。
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齒圈齒面存在輕微磨損,根據零件損傷類型、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及膠合安全系數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。機組在并網發(fā)電到故障停機時,相關溫度和壓力數據均處在正常范圍內,說明運行維護沒有明顯異常。
4. 結論
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
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