增速齒輪箱作為風機系統(tǒng)中傳動鏈的重要部件,起到動力傳輸?shù)淖饔?通過增速齒輪箱使葉片的轉(zhuǎn)速增大,使其轉(zhuǎn)速達到發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速,從而使發(fā)電機正常發(fā)電。行星齒輪是齒輪箱的核心部件,其與齒圈和太陽輪的輪齒嚙合傳動,將齒圈輸入過來的載荷傳遞給太陽輪。行星齒輪在使用過程中容易發(fā)生點蝕、剝落、斷齒等損傷。行星輪的材料為18CrNiMo7-6鋼,一般生產(chǎn)工藝流程為：煉鋼→鍛造→鍛后正回火→粗加工→滲碳淬火→精加工[1],齒輪箱的內(nèi)部結構如圖1所示。某型號齒輪箱屬于三級行星結構,在運轉(zhuǎn)了約8個月后,經(jīng)振動檢測發(fā)現(xiàn)異常,對其進行登機內(nèi)窺鏡檢查及下架拆解檢查,發(fā)現(xiàn)三級行星輪齒面存在剝落損傷。經(jīng)校核計算,齒面接觸、齒根彎曲疲勞強度和極限強度安全系數(shù)及膠合安全系數(shù)均滿足技術要求。筆者采用一系列理化檢驗方法對該行星輪剝落的原因進行分析,以避免該類問題再次發(fā)生。 

圖  1  齒輪箱的內(nèi)部結構示意

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

齒輪箱及剝落行星輪的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：齒輪箱拆解后發(fā)現(xiàn)三級行星輪、三級太陽輪、三級內(nèi)齒圈齒面均有不同程度損傷；三級行星輪齒面損傷最嚴重,4個三級行星輪中1個行星輪的1顆齒與太陽輪嚙合齒面發(fā)生了嚴重剝落,其余3個三級行星輪齒面只存在磨損,與行星輪嚙合運轉(zhuǎn)的三級太陽輪和三級內(nèi)齒圈齒面存在輕微磨損。 

圖  2  齒輪箱及剝落行星輪的宏觀形貌

根據(jù)零件損傷類型、損傷程度以及齒輪間的相互嚙合關系,可以判斷三級行星輪首先發(fā)生剝落,剝落碎屑導致三級太陽輪和三級內(nèi)齒圈嚙合齒面發(fā)生磨損現(xiàn)象。 

1.2   化學成分分析

在剝落行星輪上取樣,按照GB/T 20125—2006 《低合金鋼 多元素的測定 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：試樣的化學成分符合EN 10084—2008 《滲碳鋼交貨技術條件》對18CrNiMo7-6鋼的要求。 

1.3   金相檢驗

在剝落行星輪上取樣,按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》對試樣進行非金屬夾雜物分析,結果如表2所示。由表2可知：剝落行星輪的非金屬夾雜物符合技術要求。 

在剝落行星輪上取樣,分別按照JB/T 6141.3—1992 《重載齒輪滲碳金相檢驗》、GB/T 9450—2005 《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》、GB/T 25744—2010 《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》和圖紙要求,對試樣的顯微組織、齒面硬度、硬化層等進行分析,試樣的齒面硬度和硬化層分析結果如表3所示,顯微組織分析結果如表4所示,齒面節(jié)圓的顯微組織形貌如圖3所示,齒根內(nèi)氧化微觀形貌如圖4所示。由表3,4和圖3,4可知：齒根內(nèi)氧化深度、齒面硬度、齒根馬氏體級別、齒根殘留奧氏體級別均不符合相應技術要求。 

圖  3  齒面節(jié)圓顯微組織形貌

圖  4  齒根內(nèi)氧化微觀形貌

1.4   硬度測試

在剝落行星輪上取樣,按照GB/T 9450—2005 在左右齒面節(jié)圓位置進行硬度梯度測試,結果如圖5所示。由圖5可知：左齒面滲碳層深度為2.45 mm,右齒面滲碳層深度為2.58 mm,滿足設計要求（2.16~2.88 mm）。 

圖  5  齒面節(jié)圓硬度梯度曲線

1.5   掃描電鏡（SEM）分析

在剝落行星輪上取樣,將試樣在乙醇中超聲清洗,然后烘干,采用掃描電鏡對試樣進行觀察,結果如圖6所示。由圖6可知：大剝落坑是以初期剝落為裂紋源進一步剝落而成的,裂紋源處未發(fā)現(xiàn)原材料冶金缺陷；裂紋源位于齒面,輪齒表面形成裂紋后,在齒面嚙合過程中,表面金屬發(fā)生了明顯塑性變形,形成了鱗片,鱗片的伸長方向即為兩嚙合齒面的相對滑動方向；部分剝落處可以看到明顯的疲勞條帶。 

圖  6  剝落行星輪的SEM形貌

1.6   精度檢測

將剝落行星輪清洗后,采用三坐標儀對其加工尺寸進行檢測[2],行星輪精度檢測結果如表5所示。由表5可知：齒輪在自由狀態(tài)下的加工精度滿足圖紙要求,與三級太陽輪嚙合的右齒面磨損相對嚴重,磨損尺寸約為10.6 μm。 

2.   使用維護分析

2.1   溫度分析

對剝落齒輪箱相應的機組進行溫度分析,機組在并網(wǎng)發(fā)電到故障停機的過程中,溫度一直處于正常范圍內(nèi),但齒輪箱的油溫有輕微上升現(xiàn)象,原因是齒輪箱齒面剝落情況加劇,碾壓的碎屑進入油路中,引起潤滑油量減少,導致油溫升高。 

將齒輪箱并網(wǎng)至故障期間的運行數(shù)據(jù)最大值與額定值進行對比,結果如表6所示。 

2.2   油壓分析

該機組齒輪箱采取三級行星結構,其中A1口對應主軸承潤滑油壓,A2口對應一級行星潤滑油壓,A3口對應二級行星潤滑油壓,A4口對應三級行星潤滑油壓。對機組并網(wǎng)以來A1、A2、A3、A4潤滑口進行油壓分析,均在正常壓力范圍內(nèi)。 

3.   綜合分析

三級行星輪齒面發(fā)生了嚴重剝落,三級太陽輪和三級內(nèi)齒圈齒面存在輕微磨損,根據(jù)零件損傷類型、損傷程度以及齒輪間的相互嚙合關系,可以判斷三級行星輪首先發(fā)生損傷[3]。三級行星輪齒面接觸、齒根彎曲疲勞強度和極限強度安全系數(shù)及膠合安全系數(shù)等指標均滿足相關標準要求。該機型齒輪箱已安裝使用幾百臺,截至目前發(fā)生該類問題的齒輪箱只有1臺,因此可以排除因設計不當而導致剝落的可能。三級行星齒輪在自由狀態(tài)下的加工精度滿足圖紙要求,說明零件加工沒有異常。三級行星輪齒的表面硬度、內(nèi)氧化深度、馬氏體級別、殘留奧氏體級別等多項指標均不符合設計要求,說明滲碳淬火質(zhì)量較差。齒面硬度低會降低齒輪齒面接觸強度,縮短齒輪的使用壽命,馬氏體粗大、殘余奧氏體含量多會影響齒輪的性能和尺寸穩(wěn)定性[4]。內(nèi)氧化層深,說明晶界氧化程度嚴重,顯微裂紋會沿晶界快速擴展。機組在并網(wǎng)發(fā)電到故障停機時,相關溫度和壓力數(shù)據(jù)均處在正常范圍內(nèi),說明運行維護沒有明顯異常。 

4.   結論

三級行星輪齒面發(fā)生了嚴重剝落,三級行星輪齒面硬度、內(nèi)氧化深度、馬氏體級別、殘留奧氏體級別等指標不符合設計要求,熱處理質(zhì)量差,降低了齒面接觸強度,縮短了齒輪的使用壽命,滲碳淬火質(zhì)量差是三級行星輪齒面剝落的主要原因。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)