风电后市场微平台技术交流 | 风电齿轮箱小齿轮断轴原因分析

近年来中国的风电产业蓬勃发展，2019年全国风电累计装机容量达到210.05GW。但由于风力资源的限制，风力发电机组一般都建设在人烟稀少的地方，长期经受恶劣自然环境的侵蚀，造成其故障频发，带来经济损失^[1]。齿轮箱失效占风电装备失效的12%^[2]。风电齿轮箱作为整个风机传动系统的核心部分，一旦发生损坏，风机将无法运行，将严重影响发电量。故其关键零部件（箱体、行星架、齿轮、轴承）等制造技术水平是影响风机装备故障的主要因素。

材质为17CrNiMo6的1.5MW风电齿轮箱二级小齿轮断裂，导致整个齿轮箱在运行过程中发生异常工作停滞而下塔维修。该零件加工工艺过程为：锻造→正火→超声波探伤→粗车→滚齿→渗碳淬火+回火→喷丸→精车→磨齿→磁力探伤。渗碳淬火+回火后再进行精车与磨齿工序加工。为此，本文通过齿面宏观外貌观察分析、微观金相组织等一系列的理化试验，对该二级小齿轮断轴原因进行了分析。

断裂二级小齿轮原始形貌见图1。对断裂二级小齿轮断轴的断口面进行清洗，观察断轴宏观断口形貌，并对断轴的齿面进行观察分析。将断口碎片用扫描电镜进行断口微观形貌分析，在断轴二级小齿轮上切取两件横向宏观金相试片，观察二级小齿轮横向宏观金相组织形貌以及裂纹宏观形态。在宏观金相试片的裂纹处切取两件微观金相试样，对裂纹的微观形态进行分析。

图1 二级小齿轮原始形貌

2.1 宏观断口形貌分析结果

对二级小齿轮断轴碎片断口进行清洗后观察，如图2所示，二级小齿轮于齿部发生大致45度斜向断裂，断口上疲劳辉纹明显，这说明断轴并非瞬间断裂方式，而是疲劳断裂方式，裂纹源产生后，逐渐扩展引起断轴。扩展区（疲劳辉纹）占断口总面积比例超过80%。裂纹源位于图中箭头标识位置O，即轴颈部R位置外表面一点。断口上擦伤严重，裂纹源处已被严重破坏（见图3）。箭头标识位置O为裂纹源，即外表面一点，因外表面擦伤严重，裂纹源处已被严重破坏，取金相样A样。

图2 二级小齿轮断口形貌

图3 裂源区形貌

2.2 非金属夹杂物分析结果

按照GB/T10561-2005进行评定，材料中的非金属夹杂物为：球状氧化物类1级。如图4所示。

图4 非金属夹杂物

2.3 金相组织

2.3.1 A样

取二级小齿轮裂纹源附近试样A样进行金相观察，结果如图5所示。可以看出：1、裂纹源附近未见明显材料缺陷（图5a）；2、裂纹源区域断口附近金相组织正常（图5b）；3、轴颈部R处金相组织正常（图5c）；4、芯部金相组织正常（图5d）。

图5 A样金相组织（从左往右依次为a、b、c、d）

2.3.1 B样

取二级小齿轮图6中B样外表面试样进行金相观察，观察纵截面，结果如图7所示。可以看出：（1）肉眼可见外表面存在两层异常组织；（2）显微观察证实最外层为垂直于外表面的明显的柱状晶，且大晶粒明显，组织形貌为铸态组织，这说明经过了液态凝固过程，从组织形貌和分布状态分析，该层为补焊层，厚约1mm，次表层为热影响区。

图7 B样金相组织

二级小齿轮材料夹杂物级别不高。从宏观形貌看，二级小齿轮断口上疲劳辉纹明显，这说明断轴并非瞬间断裂方式，而是疲劳断裂方式，结合断口与纵向大致呈45度斜向角度，认为断裂为扭转断裂方式。裂纹源产生于图2中的标识O位置，裂纹源产生后，经历了较长时间扩展，最终引起断轴。扩展区（疲劳辉纹）占断口总面积比例超过80%，说明应力不大，非应力过大导致断裂，属于低应力高周疲劳断裂。

从金相观察结果看，二级小齿轮裂纹源附近未见明显材料缺陷，金相组织正常。观察外表面肉眼可见存在两层异常组织，最外层为垂直于外表面的明显的柱状晶，且大晶粒明显，这说明经过了液体凝固过程，分析认为，该层为补焊层，次表层为热影响区。

综合分析，二级小齿轮靠齿端轴颈处表面经过了补焊。零件在进行补焊时，补焊区和熔合区有合金元素和碳扩散等，存在一个过渡区，该处化学成分和金相组织不均匀，物理性能、力学性能有较大差异，可能引起缺陷或降低材料性能^[3]。导致在补焊区域组织异常及存在焊接应力和热影响区等不利因素，而该区域为薄弱区域，在交变工作应力条件下，于该处形成疲劳裂纹源，随后裂纹逐渐扩展，经历较长时间后，最终引起断轴，随后造成齿轮箱运行异常。

该二级小齿轮断轴性质为疲劳断裂，疲劳源处于圆周边缘，断裂性质为扭转疲劳断裂。二级小齿轮疲劳源于表面。其形成原因是二级小齿轮经过了补焊，补焊区域组织异常及存在焊接应力和热影响区等不利因素促进了疲劳裂纹的萌生。二级小齿轮发生疲劳断裂主要为表层补焊造成综合性能降低有关。

通过本次失效事故的分析，建议二级小齿轮类锻件零件在生产过程中，应严格把控质量检验关，以避免后期质量事故发生。本着对产品负责、对行业负责的态度，对设备缺陷应进行深入研究，对可以修复的缺陷应有可靠的质量保证措施，并真正能得到落实和实施，不能修复的产品应予以报废处理。

参考文献：

[1]王军伟. 风电齿轮箱的故障分析及诊断[J]. 应用技术, 2014, 247(8): 91-93.

[2]王晶晶, 吴晓玲. 风电齿轮箱的发展及技术分析[J]. 机械传动, 2008, 32(6): 5-8.

[3]李崇崇, 张磊磊, 霍晓磊等. 焊接工艺在42CrMo特大型转盘轴承返修中的应用[J]. 轴 承, 2013, (6): 26-28.

作者：重庆齿轮箱责任有限公司 刘新川，王平，杨才兴