风力发电机齿轮箱轮齿断裂原因分析

风力发电机齿轮箱轮齿断裂原因分析

陈浩

弗兰德传动系统有限公司 天津 300400

摘要：风能变化是风力发电机的主要部件之一，刀具是旋转齿轮箱最常用的部件，其工作状态直接影响到整个材料的工作状态，齿轮的主要失效形式是齿面磨损，齿面接触疲劳、齿面塑性变形及齿面弯曲断裂，因此，研究风机齿面断裂的原因，提高风机的整体性能具有重要意义，提高风力发电机使用寿命，降低风力发电机维护成本。

关键词：风力发电机；齿轮箱轮齿；断裂原因

1. 风力发电机齿轮箱轮齿断裂的原因

1）随机断裂通常是由于轮齿缺陷、点蚀、剥落或其他应力集中源在该处形成过高局部应力集中引起的。2）夹杂物、细微磨削裂纹等轮齿缺陷在交变应力作用下，裂纹不断扩展导致轮齿随机断裂。3）不当热处理造成的过高残余应力也能引起轮齿的局部断裂。4）载荷过大，或轮齿修形不到位，引起啮入冲击载荷过大，都会造成随机断裂。5）轮齿偏载造成的齿面损伤会引起轮齿腰部或轮齿根部的随机断裂。6）较大的异物进入啮合处也会使局部轮齿断裂。

2. 风力发电机齿轮箱轮齿断裂原因分析过程和结果

2.1材料力学性能测试结果

在斜齿段的1/2轴半径位置，沿纵向制取3根棒状拉伸试样（ϕ10mm）和3个V型冲击试样（10mm×10mm×55mm），在轮齿心部取2根棒状拉伸试样（ϕ5mm）。研究得知，中间轴材料的规定塑性延伸强度略低于技术要求下限，其他指标满足技术要求，材料室温冲击吸收功满足技术要求；轮齿心部材料的拉伸性能满足技术要求。

2.2宏观形貌分析

图1为断齿中间轴宏观形貌照片。可见，轴上共有3条轮齿发生断裂，分别编号为1、2、3。

图1齿轮轴宏观形貌

其中断口1和断口2形貌类似，整个断齿上都观察不到明显的塑性变形，面积较大的断面上可见清晰的贝纹状疲劳弧线，断口断裂方向与齿面夹角约为70°，结合轮齿受力情况，判断该断口为交变弯曲应力作用下的疲劳断口。断口1、断口2主起裂源均位于距离右侧端面90mm的位置，两个断口的起裂源均位于齿腰位置，疲劳裂纹在交变弯曲载荷作用下向两侧和对面扩展，疲劳断口的瞬断区面积很小，表明轮齿所受循环应力不大。轮齿主断面发生开裂之后，中间轴仍然持续工作了一段时间，受断口上方啮合面承载力降低的影响，断口下方啮合面的载荷大幅上升，导致形成了多条平行于主断面的小疲劳裂纹，部分小裂纹与主断口汇合后形成小的碎块剥落下来。

从现场收集到的残片中找到了轮齿1和轮齿2主断口的匹配断口，从断口上疲劳弧线的收敛方向判断，起裂源均位于轮齿内部次表层位置，其中轮齿1的起裂点位于距齿顶垂直距离10mm、齿面下方垂直距离约4mm的位置，轮齿2的起裂点位于距齿顶垂直距离11mm、齿面下方垂直距离约4mm的位置。断口3没有发生明显的塑性变形，断口较为平整，断面上有清晰的放射线，能观察到贝纹状疲劳弧线，从放射线的收敛方向来看，断口从齿根表面发生开裂，在交变应力的作用下裂纹向对侧疲劳扩展，最终有效承载面积不足从而发生断裂。轮齿3断口没有发生明显的二次损伤，说明其断裂发生在轮齿1和轮齿2断裂之后。

当轮齿1和轮齿2先后发生断裂时，轮齿3受到的工作应力明显增加，且齿根位置存在一定程度的应力集中，导致该条轮齿齿根位置受力异常增大，当交变载荷超过材料的疲劳极限时，轮齿从齿根位置发生疲劳开裂并最终断裂。断口宏观形貌分析结果表明，轮齿1和轮齿2为交变弯曲应力作用下的疲劳开裂，疲劳裂纹从轮齿内部起裂。轮齿3从齿根表面发生疲劳开裂。

2.3断裂韧性检测与分析

断裂韧性试验采用三点弯曲试验方法，试样取自断口附近，用20t的电子万能试验机进行，三点弯曲试验加载速率为2mm/min，采用的跨距为200mm。齿轮材料断裂韧性试验后的断裂形貌如图2所示，其中1根试样完全断裂开，而其余2根试样没能完全断裂，但断裂面比较平滑，准脆性断裂痕迹明显(白色部分)。

图2断裂状态图

试验最终得知：该齿轮材料的断裂韧性值偏低，对疲劳、冲击载荷比较敏感，事故将多发生在不容易受到硬化处理的部位如与轴承配合处以及几何沟槽的倒角处，由于这些部位的应力集中、断裂韧性较差，故容易产生裂纹。此外，通过对比两种常见合金钢的断裂韧性值(30CrMnSiNi2A断裂韧性值为92.3，40CrMnSiMoVA断裂韧性值为61.1)，说明当出现局部损伤或裂纹时，测试材料更容易发生裂纹扩展导致断裂损伤事故。

3.风力发电机齿轮箱轮齿断裂诊断技术实际应用

3.1油液磨屑分析检测诊断技术

目前，企业最常用的齿轮箱故障诊断技术就是油液磨屑分析检测诊断技术。油液磨屑分析检测诊断技术的原理为：从一定的油液中随机提取样本，通过光谱分析仪，对所提取的样本进行详细的分析，最后再根据对比结果，对齿轮箱的运行状况进行全面的分析，了解齿轮箱的磨损状况和设备的损坏程度。

3.2红外测温诊断技术

除了油液磨屑分析检测诊断技术外，企业应用得较多的故障诊断技术之一便是红外测温诊断技术。红外测温诊断技术的原理为：在齿轮箱的不同部位进行温度检测，如果齿轮箱某个地方烧坏或者出现磨损，就会导致齿轮箱的设备材料温度升高，并且会使齿轮箱丧失工作的能力，导致齿轮箱无法正常运转，进而影响正常的工作进度。若齿轮箱出现异常，及时应用红外测温诊断技术进行有针对性的诊断及维修，可以更高效地查找出问题，并且快速解决，使齿轮箱保持正常的运行，从而延长其使用寿命。

3.3无损检测技术

在检修过程中，还可以应用无损检测技术进行探伤实验，比如渗透、磁粉、射线等，这样就可以在不损伤零件的情况下，对齿轮箱的运行状况进行检测，确保齿轮零件没有损伤。

3.4振动检测诊断技术

振动检测诊断技术的原理为：当齿轮箱在运行的时候出现振动或者异响时，可以大致将其判断为齿轮箱出现故障缺陷，对振动或异响进行详细的诊断和仔细的分析，可以判断齿轮箱运行状态及故障信息。因此，应用振动检测诊断技术，技术人员可以更好、更快捷地发现问题。

4预防轮齿随机断裂的措施

可以从以下几方面来预防轮齿的随机断裂：

1）在齿轮的设计环节，要精细计算齿轮的强度，避免因齿面接触应力过大造成齿面的严重损伤，例如深层剥落、齿面压碎等。这些严重损伤会产生很大的应力集中，从而引发轮齿随机断裂。

2）提高齿轮的制造精度和安装精度，避免出现齿轮偏载，因为齿轮的偏载对齿面的损伤很大，特别是硬齿面齿轮更是如此。

3）对于高速、重载齿轮要经过合理的轮齿修形，避免过大的啮合冲击载荷，因为齿根部位的随机断裂，大部分是由于啮合冲击引起的。

4）采用夹杂物少的钢材，齿轮的坯料应该经过锻造，锻造比不能小于3，避免齿轮内部缺陷引发的随机断裂。

5）优化热处理工艺，避免齿轮出现过大、不利的残余应力；齿顶部位的硬度不能太高。

结语

综上所述，风力发电机因其工作环境恶劣复杂，其部件会发生各种故障，齿轮箱轮齿是风力发电机组传动链的重要组成部分，风力发电机齿轮箱轮齿断裂是风力发电机组故障的主要原因，因此在实际应用中对风力发电机齿轮箱轮齿断裂的原因进行分析，相关企业利用风力发电机齿轮箱轮齿断裂诊断技术对断裂问题进行有效诊断，减少轮齿断裂问题，增加风力发电机工作性能，促进风力发电企业可持续发展。

参考文献:

［1］王辉，李晓龙，王罡，等．大型风电齿轮箱的失效问题及其设计制造技术的国内外现状分析［J］．中国齿轮箱工程，2013，24(11):1542－1549．

［2］刘殷．风电齿轮箱设计计算中的材料热处理影响因素分析［J］．齿轮箱传动，2010，34(6):68－72．