风电齿轮箱小齿轮断齿原因分析-北极星风力发电网

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风电场1．5MW风电机组齿轮箱在运行中出现故障，经检查发现中速轴小齿轮出现断齿现象。采用宏观观察微观。观察并结合相关理化性能测试，综合分析得出齿轮的失效原因结果表明，风电齿轮箱中速轴小齿轮断裂性质为疲劳断裂，在断口上观察到清晰的疲劳弧线，裂纹源萌生于齿面接触疲劳产生的蚀坑中，而导致齿面严重接触疲劳的原因是偏载。

近年来，随着经济的快速发展，化石能源被大量开采和使用，导致环境严重污染。每到秋冬季节，北方雾霾频发，给人们的生产和生活带来了诸多不便。解决环境污染问题，新能源首当其冲风能是一种新型清洁可再生能源，合理利用风能部分取代传统化石能源越来越受到社会的关注和重视。随着风力发电技术的日趋成熟以及风电成本的日益下降，风电能源比例在逐年增长，风电产业的发展前景非常广阔。据报道，2007年底，我国累计装机容量已达5906MW，位居全球第五风电机组齿轮箱工作环境恶劣，载荷也非常复杂。因此，风电机组中的齿轮、轴承等核心部件失效问题较多。

风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，齿轮箱的主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速在风电齿轮箱中，齿轮是关键传动部件，容易发生失效。据报道，引起齿轮失效的原因很多，包括设计不当、制造和热处理方法不当、安装和操作不当、维护不当等较为常见的齿轮破坏形式有齿面磨损、胶合、接触疲劳、塑性变形以及轮齿折断等。其中，疲劳断裂最为常见，如点蚀、剥落等导致的弯曲疲劳，严重时轮齿会发生折断。齿轮传动是一种重要的传动方式，通过轮齿接触传递能动能。在齿面啮合过程中，发生相对滚动接触齿面比较容易产生接触疲劳，如形成麻点或微点蚀坑，随后在这些蚀点位置会萌生疲劳裂纹，随着裂纹的扩展，会产生齿面剥落，甚至发生轮齿折断。接触疲劳是齿轮失效最早期的表现形式。

齿轮发生接触疲劳时，容易在齿轮上3个位置出现:齿顶节线附近和齿根处、发生接触疲劳以后、齿面上会出现点蚀，在点蚀坑中会产生应力集中、这些点蚀坑中可能萌生疲劳裂纹并最终导致轮齿断裂。

本文研究主要研究风电齿轮箱中速轴小齿轮的失效机理。该齿轮设计寿命20年，实际使用了5年就发生失效本研究工作能够加深人们对风电机组齿轮箱失效机制的认识，改进产品质量，避免同类事故的发生，提高齿轮箱的服役寿命，为风电生产企业减少损失。

实验材料与方法

研究对象是风电齿轮箱中的中速轴小齿轮，该齿轮为斜齿轮圆柱齿轮，齿轮材质为20CrNiMo。

失效齿轮的宏观形貌采用高级数码相机记录。同时，断口形貌还采用了超景深体视显微镜进行观察和记录局部微观特征采用FEIQuanta。600扫描电镜进行表征金相组织表征采用O-LYMPUSGX71金相显微镜，在轮齿上垂直于齿面切割金相样品，观察截面金相组织首先将样品在400#～2000#砂纸上依次打磨，并用金刚石抛光膏抛光后，采用无水乙醇清洗后冷风吹干。采用4%(质量分数)硝酸酒精溶液腐蚀金相组织金相观察结束后，采用热镶制作样品进行硬化层显微硬度梯度测试，采用的仪器是AH43全自动显微硬度仪齿轮表面粗糙度采用A-StepIQ表面轮廓仪进行分析。失效小齿轮现场宏观像如图1所示：从图1a中可以看到，一些轮齿损伤严重，轮齿折断。

结果与讨论

1齿轮断口观察

图2分别为从不同方向观察的其中1支轮齿掉块的宏观像。在轮齿掉块断口上可见到明显的疲劳特征，即疲劳弧线(图2a中黑色箭头所指)。根据疲劳弧线的形状判断，疲劳源位于图2a中白色箭头所指的位置。样品倾转一个较小的角度后，在疲劳源处观察到齿面上出现了麻点区，从颜色上看，麻点区为发白的条带状(图2b中黑色箭头所指)在麻点区靠近断口一侧，还可见明显的剥落区(图2b中白色箭头所指)。

２齿轮疲劳源区形貌观察

通过轮齿断口和掉块断口宏观观察与对比，找出了掉块的对偶断口。图3为轮齿对偶断口的体视显微镜图像。图3a给出了疲劳源在掉块上的位置，很显然，疲劳源位于齿面剥落坑的底部。图3b给出了在对偶断口上疲劳源的位置。此外，在对偶断口上还发现许多次疲劳源，这说明导致掉块的载荷相对较大。从断口上瞬断区和疲劳断口面积的对比看，瞬断区面积远小于疲劳断口面积，这说明轮齿疲劳倾向于高周疲劳。

３齿面微观观察

宏观观察发现，一些轮齿齿面发生了严重的剥落。为了分析剥落坑产生的原因，采用扫描电子显微镜对轮齿工作齿面B端剥落位置进一步放大观察，结果如图4所示：在齿面上可以见到明显的麻点，一些裂纹分布在麻点区中，部分裂纹扩展产生了蚀坑，局部还形成了较大剥落坑对图4a黑框中所指区域进一步放大观察，发现在蚀坑底部存在明显的疲劳弧线，其裂纹源位于图4b黑框标示位置。据此分析，齿面先发生了接触疲劳产生了麻点，随后麻点扩展形成了微裂纹，微裂纹在齿面工作应力的反复作用下萌生疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展后，导致齿面硬化层剥落形成点蚀坑。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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