您當前的位置：檢測資訊 > 檢測案例
嘉峪檢測網 2020-06-24 11:30
風電機組上齒輪失效分析舉例
1、高速齒軸表面凹坑形成原因分析(熱處理工藝不當導致噴丸時局部剝落)
某風電機組上的高速齒軸材料為18CrNiMo7-6鋼，總長度為840mm，齒部分長度為140mm，齒頂圓直徑為180mm，模數為5mm。熱處理時一爐處理12件，發現有兩件在噴丸后齒面出現凹坑。凹坑大多位于齒頂部位，且較淺，有些已連成一體，見圖1。
圖1 齒表面凹坑的宏觀形貌
圖2 齒軸表面的晶間氧化情況
理化檢驗結果表明，該失效的齒軸各項指標均滿足技術要求，但表面存在晶間氧化現象，見圖2。晶間氧化導致晶粒間結合力降低，有的甚至彼此分離，在噴丸過程中表面因承受較大切向應力而造成局部脫落，形成凹坑。
2、內齒圈開裂原因分析(熱處理工藝不當導致淬火開裂和延遲性開裂)
某風電機組上的內齒圈材料為42CrMoA鋼，為模鑄鋼錠、環鍛，該零件經中頻沿齒溝感應淬火和回火后磁粉探傷，或在磨削加工后進行磁粉探傷時發現裂紋，裂紋多出現在靠齒圈端面的齒表面，以出口位置居多，中間部位也發現裂紋，見圖3。
圖3 齒圈裂紋的宏觀形貌
該零件的加工工序為：粗車→粗銑齒→調質→半粗車→精銑齒→倒角→感應淬火→噴丸→精車→鏜→磨齒。感應淬火時從下端面進口端沿齒槽連續掃描至上端面出口端，采取邊加熱邊噴淬火液的冷卻方式。淬火溫度大約為860℃，回火溫度為220℃。
探傷發現裂紋的時間段為：①感應淬火后磨齒前發現開裂(少數)；②感應淬火及磨齒后發現開裂(多數)，其中一件在感應淬火前磁粉探傷未發現裂紋，磨齒后發現裂紋；③感應淬火及磨齒后探傷入庫，復查時發現一件開裂。
理化檢驗結果表明，齒端部和齒中部的裂紋開口處側面未見明顯脫碳特征，裂紋較直，均位于淬硬層內，具有淬火開裂特征；裂紋縱深擴展方向大多數和帶狀偏析方向一致，說明開裂和帶狀組織偏析有一定的關系；齒表面未見明顯的磨削變質層，說明淬火后的磨削工藝正常。
齒圈齒面的感應淬火會導致齒面在短時間內產生較大的熱處理殘余內應力。42CrMo鋼屬于合金結構鋼，其碳含量和鉻含量均較高，淬透性較好，一般采用油冷卻工藝，淬火時若采用水冷卻可造成工件熱處理應力大幅度提高，容易引起淬火裂紋。實際檢測結果顯示組織偏析區域亮區的硬度略高于暗區的硬度，這會增加淬火冷卻時的應力集中程度，更容易產生淬火開裂。齒圈端部呈弧形的裂紋尖端“存在較細的、不連續的呈沿晶特征的微裂紋”為延遲性裂紋，見圖4，該延遲性裂紋與熱處理殘余內應力、淬火裂紋尖端的應力集中以及氫元素有關。淬火后進行適時除氫和消除殘余內應力可以減少延遲性裂紋的產生。
圖4 齒圈端部裂紋的剖面形貌
3、輸出齒輪軸內部缺陷分析(原材料缺陷導致不良品)
某風電機組上的輸出齒輪軸材料為18CrNiMo7-6鋼，最終熱處理后在精加工期間，超聲波探傷時發現內部有缺陷顯示，缺陷顯示部位如圖5中的標識所示。
圖5 輸出齒輪軸的宏觀形貌
圖6 齒輪軸內部的缺陷形貌
通過無損檢測確定了缺陷位置，然后切取缺陷部位，采用磨拋的方法觀察到了缺陷顯示，見圖6。經測量得到缺陷軸向長度大于3mm，寬度為0.93~0.85mm。經EDS能譜分析，缺陷區域的顆粒狀異物主要化學成分(質量分數)為2.20％Cr，1.00％Mn，96.77％Fe，和基體的主要化學成分相似；顆粒狀異物之間的區域能譜分析結果為1.02％C，1.86％O，1.30％Ca，2.05％Cr，92.25％Fe，1.52％Ni，除基體元素外，存在較低含量的碳、氧、鈣，分析認為這些元素是磨拋光過程中缺陷間隙受污染所致。金相檢驗發現缺陷區域的碎塊和基體的顯微組織相同，說明這些碎塊材料和基體相似，是鑄造疏松經鍛打后形成的。
4、輸出齒輪軸開裂原因分析(原材料缺陷導致延遲性開裂)
某風電機組上的輸出齒輪軸材料為18CrNiMo7-6鋼，在熱處理、噴丸和加工后發現有6件開裂(精車前發現2件，精車后發現3件，另一件在精磨后開裂)，裂紋形態基本相同，均呈縱向開裂。該輸出齒輪軸加工制造過程為：鍛造→粗車→探傷→滾齒→滲碳→淬回火→噴丸→精車→精磨。
根據理化檢驗結果可知，開裂的輸出齒輪軸的化學成分、滲碳層深度和表面硬度等均符合技術要求；斷裂源處、斷口處的顯微組織和遠離斷口的基體處的顯微組織一致，均為回火馬氏體，未見明顯增、脫碳和其他異常現象；根據宏觀開裂面斷口分析和SEM形貌分析可知，開裂源位于距離表面25.58mm處，為內裂；開裂源處存在一條3.73mm(長)×(0.16~0.17)mm(寬)的呈軸向密集分布的顆粒狀物質，見圖7，缺陷區域進一步放大后夾雜物的形貌見圖8，經EDS能譜分析結果顯示為氧化鋁類夾雜物。
圖7 呈帶狀分布的密集夾雜物
圖8 顆粒狀夾雜物的形貌
零件淬火時由于較大的溫度差和顯微組織變化，會產生較大的熱處理殘余內應力。淬火后的回火處理可消除一部分熱處理殘余內應力，但消除的程度主要取決于回火溫度。研究表明：400℃回火的鋼中仍然存在約50％的殘余應力，500℃回火后還存在約20％的殘余應力，低溫回火通常不能完全去除材料中的殘余應力。該齒輪軸滲碳熱處理后為低溫回火(200℃)，會存在較大的殘余內應力。材料內部呈條帶狀軸向分布的聚集夾雜物破壞了材料的連續性，等同于一條微裂紋，存在較大的應力集中，在較大的殘余內應力作用下會產生開裂，或者協同材料內部氫的作用而發生氫致延遲性開裂。
圖9 發生周向開裂的齒輪
圖10 發生軸向開裂的齒軸
類似的開裂失效形式在其他機組的齒輪上也有發現，如圖9和圖10所示。
5、中間齒輪軸開裂分析(原材料缺陷導致疲勞斷裂)
某風電機組上的中間齒輪軸材料為18CrNiMo7-6鋼，齒部采用了滲碳處理，使用狀態為淬火+低溫回火態。該齒輪軸裝機并網時間為2014年9月3日，發現斷齒失效的時間為2016年2月15日，運行時間為530d(天)。經事故調查，該類型的齒輪軸發生斷齒失效的事故有數起，同批次的僅此一起，運行過程中齒輪軸為單向轉動。失效的齒輪軸宏觀形貌見圖11，圖12所示為從齒軸上斷裂的部分齒。
圖11 斷齒失效的齒輪軸
圖12 齒輪軸斷裂的齒面
宏觀觀察結果發現，斷裂的齒輪軸上僅有一個斷齒，其余齒均比較完整，所有齒面均未見明顯的變形或損傷。斷口整體上比較平坦、細膩，可見貝殼紋，具有疲勞斷裂的宏觀特征。將斷裂的兩部分進行拼接，靠近齒根部位吻合良好，靠近節圓處匹配性較差，存在材料缺失，該部位的齒面上存在擠壓痕跡，說明該齒面為受力面。發生斷齒后，連在齒軸上的斷齒受到配合齒的多次撞擊，斷口邊緣部分發生了二次斷裂，導致部分材料缺失和匹配性變差。
理化檢驗結果表明，18CrNiMo7-6鋼制齒輪軸的化學成分符合技術要求，齒輪軸的縱向低倍組織和橫向低倍組織均未見異常。非金屬夾雜物評級結果為A0.5，B0，C0，D0.5，奧氏體晶粒度級別為9~9.5級。
斷裂面高倍SEM形貌可見疲勞輝紋和大致平行的二次裂紋，可見該斷齒性質為疲勞斷裂；根據斷齒部分剖面金相試樣上靠近斷裂面的次生裂紋特征判斷，疲勞起源于齒的內部，向節圓部位的齒面和齒根處擴展；在斷口剖面試樣上觀察到尺寸較大的異物，經EDS能譜分析，其主要成分為鋁和氧。
對齒輪服役過程中的受力情況進行有限元模擬，參見上圖，正常情況下齒根部位受到的拉應力最大，傳遞力矩的節圓面處承受壓應力，可見正常情況下，斷裂應該從齒根開始。但實際斷裂卻起源于齒的內部，和理論分析結果不一致，說明齒的內部存在異常現象。金相檢驗發現，在近齒面處檢測到較大尺寸的非金屬夾渣是冶煉過程中進入鋼液中的外來物，為原材料缺陷，其對基體具有分割作用，同時也形成明顯的應力集中，在齒輪較長時間的服役當中，充當了裂紋源，發生了疲勞斷裂。
圖13 齒輪箱損毀情況
圖14 斷齒面的形貌
圖13是一個失效的風能機組齒輪箱，行星輪和內齒圈的大部分齒已經遭到破壞，大量的碎屑堆積在內齒圈端面。經過進一步失效分析判斷，該事故的起因也是由于聚集分布的非金屬夾雜物所致，首先導致行星輪個別斷齒，見圖14。斷齒后運動平穩性變差，由于齒圈、行星輪、太陽輪三者相互嚙合、互相牽制、互相影響，結果釀成齒輪箱嚴重損毀的較大事故。
齒輪失效的預防措施
根據齒輪(齒軸)經常失效的模式及其失效原因，可采用以下措施預防風能發電機組上的齒輪(齒軸)的早期失效。
(1)嚴格控制齒輪用鋼的冶金質量，重要的齒輪宜選擇模鍛件。
(2)合理選擇齒輪用材料，對于關鍵重要部位的齒輪不但要考慮齒輪輪齒的強度、硬度，還要考慮心部的強度、硬度。
(3)優化齒輪的熱處理工藝，保證熱處理質量。
(4)提高齒輪齒面之間的配合精度，必要時可進行多次“跑合”進行預磨。
(5)保證充足潤滑，防止潤滑油溫度過高或受到污染。
(6)定期對齒輪進行維護保養，防止齒輪運行過程產生振動。
(7)防止過載。
小結
齒輪的失效除材料和工藝因素外，還與腐蝕性環境、粉塵或顆粒狀異物、潤滑油的供給量、潤滑油的溫度和油中腐蝕性元素的含量、齒輪的配合精度以及是否過載等有關。齒輪的失效包含了斷裂、腐蝕、磨損、變形這4種機械零部件的基本失效形式。
風能發電機組上使用的齒輪(齒軸)一般都有殼體保護，不太容易遭受環境中顆粒狀異物造成的異常磨損。在機組運行正常的情況下，齒面始終有一層油膜保護，加上持續的彼此接觸和滑動，也不容易產生腐蝕。
18CrNiMo7-6鋼是風電機組上齒輪使用最多的材料。通過對該材料制造的大量齒輪的失效分析得知，國產18CrNiMo7-6鋼制造的齒輪(齒軸)早期失效的主要原因有：
①原材料中存在聚集分布的非金屬夾雜物；
②鑄造疏松在鍛造過程中形成微裂紋類缺陷；
③帶狀組織嚴重，晶粒不均勻。
可見，原材料的冶金質量至關重要。
來源：Internet
