在碳達峰碳中和等國家政策引領(lǐng)下，我國風電裝機容量快速增長，同時隨著風電機組運營時間的延長，風機故障率也在不斷升高，風機運營維護問題日益突出。

　　風機齒輪箱是連接風機主軸和發(fā)電機的重要傳動部件，主要功能是將風輪在風力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。由于風機齒輪箱工作環(huán)境惡劣，載荷比較復(fù)雜。因此齒輪箱中的齒輪、軸承、傳動軸等核心部件失效問題較多，其中斷齒是齒輪箱最嚴重的失效形式，會直接導(dǎo)致風機停機，從而影響生產(chǎn)效率，還會產(chǎn)生計劃外的更換和維護成本。

　　本文以某1500kW風電機組齒輪箱高速軸斷齒為例，分析高速軸斷裂的失效模式和原因，以期為風電機組的長期安全運行提供有益參考。

　　1 機組故障概況

　　某風電機組齒輪箱高速軸在運行16000h時發(fā)現(xiàn)齒輪箱異常，停機解體后發(fā)現(xiàn)高速軸的齒面斷裂。高速軸材料為DIN17210—1986中的17CrNiMo6，符合標準，該材料經(jīng)過滲碳淬火熱處理，有效硬化層深度要求不小于1.47mm。機組為1500kW、三葉片、水平軸、上風向、變速變槳恒頻的雙饋機組，齒輪箱為一級行星兩級平行結(jié)構(gòu)的齒輪箱，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

　　2 試驗結(jié)果與分析

　　2.1宏觀檢查

　　圖2為高速軸樣品的宏觀形貌。

　　圖2 樣品宏觀形貌

　　依據(jù)GB/T3481—1997對高速軸樣品進行損傷定性，檢查發(fā)現(xiàn)，樣品20個齒面存在載荷不均現(xiàn)象，受力側(cè)均存在明顯磨損痕跡，其中電機側(cè)齒面的磨損程度明顯比對側(cè)嚴重;樣品除齒面整體磨損外，主要存在齒端折斷和剝落2類損傷形貌;齒端折斷位于1個齒靠近電機側(cè)端部，發(fā)生斷裂部位齒長約57mm;剝落損傷位于緊鄰斷齒的齒面和與斷齒相鄰的齒面。

　　高速軸樣品的主要實測尺寸為：高速軸總長約1070mm，共有20個齒，齒沿軸向長約195mm，沿齒向長205mm;齒高約18mm，齒間距約26mm。

　　2.2化學(xué)成分分析

　　按照GB/T223系列標準進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可見，高速軸樣品的化學(xué)成分符合DIN17210—1986的規(guī)定。

　　表1 化學(xué)成分分析結(jié)果單位：w/%

　　2.3室溫拉伸試驗

　　在樣品基體制取2個縱向拉伸試樣，按照GB/T228.1—2010進行室溫拉伸試驗，得到規(guī)定塑性延伸強度Rp0.2、抗拉強度Rm、斷后伸長率A、斷面收縮率Z，結(jié)果見表2。由表2可見，樣品的室溫拉伸性能符合JB/T6396—2006對17Cr2Ni2Mo(17CrNiMo6相近鋼種)的規(guī)定，DIN17210—1986中無拉伸性能的規(guī)定。

　　表2 室溫拉伸試驗結(jié)果

　　2.4室溫沖擊試驗

　　在樣品基體制取3個V型缺口縱向沖擊試樣，按照GB/T229—2007在室溫下進行沖擊試驗，樣品的室溫沖擊吸收能量均值為35J，處于較低水平，DIN17210—1986和JB/T6396—2006中無沖擊吸收能量的規(guī)定。

　　2.5基體硬度試驗

　　在樣品基體制取2個硬度試樣，按照GB/T4340.1—2009進行硬度試驗，試驗載荷為294N，保持時間為10s，根據(jù)GB/T33362—2016換算為布氏硬度，結(jié)果見表3。由表3可以看出，樣品基體的硬度值符合JB/T6396—2006對17Cr2Ni2Mo(17CrNiMo6相近鋼種)的規(guī)定，GB/T17107—1997中無硬度的規(guī)定。

　　表3 基體的硬度試驗結(jié)果

　　2.6滲碳硬化層深度測試

　　在樣品的斷齒中部和完好齒上各制取1個橫向試樣，編號分別為試樣5和試樣6，按照GB/T9450—2005進行硬度梯度測試，試驗載荷1kgf，保載時間為15s，圖3為試樣6的測試位置，測試結(jié)果見表4。由表4可見，2個試樣4個測試部位的淬硬層深度在0.72~1.20mm之間，淬硬層深度不符合技術(shù)要求的規(guī)定，GB/T17107—1997和JB/T6396—2006中無淬硬層深度的規(guī)定。

圖3 試樣6的硬度測試位置

表4 滲透硬化層深度試驗結(jié)果　

　　注：第1點距外表面0.20mm，相鄰點間隔0.10mm。

　　2.7金相分析

　　在樣品斷齒中部和剝落部位各制取1個金相試樣，分別為試樣7和試樣8，圖4為取樣位置，在無宏觀損傷齒部位制取金相試樣9，按照GB/T25744—2010在OlympusGX71光學(xué)顯微鏡下觀察金相形貌，結(jié)果如圖5—圖7所示。

圖4 斷齒上的金相試樣取樣位置及金相形貌　　

圖5 試樣7的金相形貌

　　由圖5—圖7可見：斷齒中部(試樣7)可見一些小裂紋，剝落部位(試樣8)可見凹坑內(nèi)部及其附近有較多裂紋，無宏觀損傷齒部位(試樣9)齒面未見異常;滲碳層組織為隱針馬氏體+殘留奧氏體+碳化物，三者級別均為1級;心部組織為低碳馬氏體，級別為1級;心部晶粒度6級;滲碳層組織級別和心部組織及晶粒度級別符合技術(shù)要求的規(guī)定，DIN17210—1986和JB/T6396—2006中無滲碳層和心部組織的規(guī)定。

圖6 試樣8的金相形貌　　

　　2.8斷口形貌分析

　　對樣品斷齒面和剝落部位在Quanta400HV掃描電子顯微鏡(SEM)下進行觀察，電鏡掃描結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可見：斷齒面源區(qū)可見一些小裂紋，擴展區(qū)可見疲勞弧線，中斷區(qū)形貌為準解離;剝落部位的凹坑內(nèi)部有較多疲勞小裂紋。

圖8 斷齒面掃描電鏡形貌

圖9 剝落部位掃描電鏡形貌

　　2.9斷口能譜分析

　　對齒面剝落部位進行能譜成分測試，圖10為測試位置，測試結(jié)果見表5。

圖10 能譜測試位置

表5 能譜測試結(jié)果

　　由表5可見，剝落部位存在少量腐蝕性元素氯，其他元素主要為金屬基體及氧。

　　3 綜合分析

　　高速軸樣品的材質(zhì)檢驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，齒面存在載荷不均現(xiàn)象，電機側(cè)齒面的磨損程度明顯比對側(cè)嚴重，淬硬層深度不符合相關(guān)技術(shù)要求的規(guī)定，基體的室溫沖擊吸收能量處于較低水平，其他材質(zhì)試驗結(jié)果符合標準規(guī)定或未見異常。

　　宏觀下，樣品除齒面整體磨損外，主要存在齒端折斷和剝落2類損傷形貌;齒端折斷位于1個齒靠近電機側(cè)端部，斷齒長約57mm，斷齒中部源區(qū)微觀下可見一些小裂紋，擴展區(qū)可見疲勞弧線，中斷區(qū)形貌為準解離;剝落損傷位于緊鄰斷齒的齒面和與斷齒相鄰的齒面，微觀下可見較多疲勞小裂紋。剝落是一種擴展性微點蝕，當蝕坑聚結(jié)并形成齒面——較大面積的不規(guī)則凹坑時就發(fā)生剝落。齒端折斷通常是由于齒輪傳遞的載荷集中于靠近一端的小部分齒面上，由點蝕及剝落進一步發(fā)展導(dǎo)致齒面疲勞端局部折斷，即發(fā)生“點蝕—剝落—斷齒”三部曲。

　　一般地，引起高速軸齒面點蝕及剝落的可能原因主要有設(shè)計參數(shù)及制造工藝因素(如粗糙度等)、材料及熱處理(如齒面硬度低、齒面淬硬層深度不夠等)、潤滑介質(zhì)因素(如油及添加劑種類、黏度、油性等)、運行工況(如載荷不均、過載等)。

　　由樣品電機側(cè)20個齒面的磨損程度明顯比對側(cè)齒面嚴重及存在端齒折斷可知，樣品存在齒面載荷不均情況，齒面在載荷不均情況下表面、次表面的最大切應(yīng)力超過材料的極限應(yīng)力，從而在齒面表層、次表層產(chǎn)生疲勞裂紋，并在后續(xù)的載荷下會逐步發(fā)展，當其被壓碎后便形成剝落坑，產(chǎn)生齒面局部剝落及斷齒現(xiàn)象，因此高速軸在運行過程的載荷不均現(xiàn)象是導(dǎo)致齒面剝落及斷齒的重要原因。

　　由樣品斷齒淬硬層深度低于技術(shù)要求的規(guī)定可知，樣品存在齒面淬硬層深度不夠的情況，這會引起其抗剪切強度下降，使齒面抗接觸疲勞性能下降，在運行過程這個齒面表層、次表面產(chǎn)生疲勞裂紋，也會導(dǎo)致齒面產(chǎn)生剝落及斷齒現(xiàn)象。綜合分析認為高速軸樣品的齒面剝落及端齒折斷主要與其齒面載荷不均及淬硬層深度不夠有關(guān)。

　　4 結(jié)論及建議

　　高速軸樣品的齒面存在載荷不均現(xiàn)象、淬硬層深度不符合相關(guān)技術(shù)要求的規(guī)定，基體的室溫沖擊吸收能量處于較低水平，其他材質(zhì)試驗結(jié)果符合規(guī)定或未見異常。

　　樣品存在齒面剝落和端齒折斷2類損傷現(xiàn)象，其失效模式為疲勞開裂，其原因主要與其運行中齒面載荷不均及齒面淬硬層深度不夠有關(guān)。建議加強高速軸的材質(zhì)檢驗和齒輪箱的現(xiàn)場檢查工作，避免使用材質(zhì)不合格部件，發(fā)現(xiàn)齒面載荷不均等異常情況應(yīng)及時處理。