在碳達(dá)峰碳中和等國(guó)家政策引領(lǐng)下，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)，同時(shí)隨著風(fēng)電機(jī)組運(yùn)營(yíng)時(shí)間的延長(zhǎng)，風(fēng)機(jī)故障率也在不斷升高，風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)維護(hù)問(wèn)題日益突出。

　　風(fēng)機(jī)齒輪箱是連接風(fēng)機(jī)主軸和發(fā)電機(jī)的重要傳動(dòng)部件，主要功能是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。由于風(fēng)機(jī)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(dòng)軸等核心部件失效問(wèn)題較多，其中斷齒是齒輪箱最嚴(yán)重的失效形式，會(huì)直接導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停機(jī)，從而影響生產(chǎn)效率，還會(huì)產(chǎn)生計(jì)劃外的更換和維護(hù)成本。

　　本文以某1500kW風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組的長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供有益參考。

　　1 機(jī)組故障概況

　　某風(fēng)電機(jī)組齒輪箱高速軸在運(yùn)行16000h時(shí)發(fā)現(xiàn)齒輪箱異常，停機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，該材料經(jīng)過(guò)滲碳淬火熱處理，有效硬化層深度要求不小于1.47mm。機(jī)組為1500kW、三葉片、水平軸、上風(fēng)向、變速變槳恒頻的雙饋機(jī)組，齒輪箱為一級(jí)行星兩級(jí)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(yàn)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(duì)高速軸樣品進(jìn)行損傷定性，檢查發(fā)現(xiàn)，樣品20個(gè)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(jī)側(cè)齒面的磨損程度明顯比對(duì)側(cè)嚴(yán)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(gè)齒靠近電機(jī)側(cè)端部，發(fā)生斷裂部位齒長(zhǎng)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(shí)測(cè)尺寸為：高速軸總長(zhǎng)約1070mm，共有20個(gè)齒，齒沿軸向長(zhǎng)約195mm，沿齒向長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，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(yàn)

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

　　表2 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

　　2.4室溫沖擊試驗(yàn)

　　在樣品基體制取3個(gè)V型缺口縱向沖擊試樣，按照GB/T229—2007在室溫下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，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(wú)沖擊吸收能量的規(guī)定。

　　2.5基體硬度試驗(yàn)

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

　　表3 基體的硬度試驗(yàn)結(jié)果

　　2.6滲碳硬化層深度測(cè)試

　　在樣品的斷齒中部和完好齒上各制取1個(gè)橫向試樣，編號(hào)分別為試樣5和試樣6，按照GB/T9450—2005進(jìn)行硬度梯度測(cè)試，試驗(yàn)載荷1kgf，保載時(shí)間為15s，圖3為試樣6的測(cè)試位置，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，2個(gè)試樣4個(gè)測(cè)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(wú)淬硬層深度的規(guī)定。

圖3 試樣6的硬度測(cè)試位置

表4 滲透硬化層深度試驗(yàn)結(jié)果　

　　注：第1點(diǎn)距外表面0.20mm，相鄰點(diǎn)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(gè)金相試樣，分別為試樣7和試樣8，圖4為取樣位置，在無(wú)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(jiàn)：斷齒中部(試樣7)可見(jiàn)一些小裂紋，剝落部位(試樣8)可見(jiàn)凹坑內(nèi)部及其附近有較多裂紋，無(wú)宏觀損傷齒部位(試樣9)齒面未見(jiàn)異常;滲碳層組織為隱針馬氏體+殘留奧氏體+碳化物，三者級(jí)別均為1級(jí);心部組織為低碳馬氏體，級(jí)別為1級(jí);心部晶粒度6級(jí);滲碳層組織級(jí)別和心部組織及晶粒度級(jí)別符合技術(shù)要求的規(guī)定，DIN17210—1986和JB/T6396—2006中無(wú)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(duì)樣品斷齒面和剝落部位在Quanta400HV掃描電子顯微鏡(SEM)下進(jìn)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(jiàn)：斷齒面源區(qū)可見(jiàn)一些小裂紋，擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)疲勞弧線，中斷區(qū)形貌為準(zhǔn)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(duì)齒面剝落部位進(jìn)行能譜成分測(cè)試，圖10為測(cè)試位置，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

圖10 能譜測(cè)試位置

表5 能譜測(cè)試結(jié)果

　　由表5可見(jiàn)，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(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，齒面存在載荷不均現(xiàn)象，電機(jī)側(cè)齒面的磨損程度明顯比對(duì)側(cè)嚴(yán)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(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定或未見(jiàn)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(gè)齒靠近電機(jī)側(cè)端部，斷齒長(zhǎng)約57mm，斷齒中部源區(qū)微觀下可見(jiàn)一些小裂紋，擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)疲勞弧線，中斷區(qū)形貌為準(zhǔn)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(jiàn)較多疲勞小裂紋。剝落是一種擴(kuò)展性微點(diǎn)蝕，當(dāng)蝕坑聚結(jié)并形成齒面——較大面積的不規(guī)則凹坑時(shí)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(diǎn)蝕及剝落進(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)致齒面疲勞端局部折斷，即發(fā)生“點(diǎn)蝕—剝落—斷齒”三部曲。

　　一般地，引起高速軸齒面點(diǎn)蝕及剝落的可能原因主要有設(shè)計(jì)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(rùn)滑介質(zhì)因素(如油及添加劑種類、黏度、油性等)、運(yùn)行工況(如載荷不均、過(guò)載等)。

　　由樣品電機(jī)側(cè)20個(gè)齒面的磨損程度明顯比對(duì)側(cè)齒面嚴(yán)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(guò)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(huì)逐步發(fā)展，當(dāng)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(yùn)行過(guò)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(huì)引起其抗剪切強(qiáng)度下降，使齒面抗接觸疲勞性能下降，在運(yùn)行過(guò)程這個(gè)齒面表層、次表面產(chǎn)生疲勞裂紋，也會(huì)導(dǎo)致齒面產(chǎn)生剝落及斷齒現(xiàn)象。綜合分析認(rèn)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(yàn)結(jié)果符合規(guī)定或未見(jiàn)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(kāi)裂，其原因主要與其運(yùn)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(qiáng)高速軸的材質(zhì)檢驗(yàn)和齒輪箱的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)處理。