风力发电机齿轮箱轮齿断裂原因分析

1.故障原因的初步判断

通过对风力发电机组中破坏的齿轮箱进行插接后看出，一个行星齿轮断裂成为4块，具体情况如图1所示。通过查看齿轮箱的损坏情况能够看出，造成行星齿圈损坏的最主要问题在于发生断裂情况后由于传动载荷不够均匀还有就是断裂的齿轮发生了错位等。所以造成齿轮箱损坏的最直接原因在于行星轮发生了断裂。

通过对行星齿轮破损的4块碎片进行仔细检查后可以发现，齿轮的八个断面中有六个断面(A-F)存在疲劳裂纹扩展的痕迹，这六个断面上的疲劳断裂痕迹区域的几何形状都存在或多或少的差异，能够看出每一个疲劳裂纹扩展的速度都是存在差别的，造成这一差别的主要原因在于裂纹源附近承受的应力状态不一样。但是这些疲劳裂纹扩展区域存在一个相似点，就是区域中都会存在一个相同的几何形状- 半椭圆形，这一形状的圆心点通常处在沟槽的附近，能够看出这一位置的应力集中要比其他位置严重。

2.试验与分析

2.1化学成分分析

通过选择齿轮的中间部位进行取样分析，将齿轮表面渗碳等加工工艺参数影响忽略不计，通过化学分析得到表1。

通过得到的检测结果能够看出受损的齿轮箱化学成分同生产厂家提供的标准相似，属于接近国标GB/T3077-1999中牌号20CrNiMo的合金结构钢。但是在化学成分上还是存在一些差异，取样试验的材料中Mo的含量要比国标的含量高出0.2%-0.3%，成分高出规范的允许偏差值。Mo元素在材料中的作用主要是将钢的淬透性有效地提高，同时将火脆性降低，材料使用过程中能够实现二次硬化，能够获得较好的渗碳效果和将齿面硬度明显提高。

2.2金相分析

采取金相分析这种方法同化学成分分析方法具有相同的步骤，对于取得的试验首先进行机械加工和磨削工作，接着进行化学侵蚀步骤，通过金相显微镜得到金相图，具体情况见图2。能够看出取样的材料选择的合金钢组织形式为回马氏体组织，根据不同截面金相图的对比能够看出显微组织下基本都是相同的，这就表示受损的齿轮力学性能具有向同性。通过采取扫描电镜的方式分析非金属夹杂物，能够看出夹杂物造成的母材损失主要体现在以下几个方面，夹杂物的硬度、密度以及几何尺寸大小等几个方面。受损齿轮的夹杂物形状多为多边形和球状，尺寸的大小通常在2um左右，夹杂物中心的颜色呈现出较深的黑色，边缘呈现出较浅的灰色。

在对脆性氧化物夹杂进行分析时，因为其弹性的模量比基体要大，所以在进行塑性加工工作时不能出现形变，因此容易出现应力集中的现象，故而成为裂纹比较容易产生的地方。但是要有效的处理这一问题就需要通过塑性比较好的硫化物对其进行包裹，只有这样才能有效的降低这一问题的出现。但是对该材料的疲劳性能的改善，却没有非常合适的办法。因为该硬质夹杂物是在软基体内部的，所以在外力的作用下会出现脱粘而出现裂纹，严重者会出现断裂现象。

2.3硬度检测与分析

在对齿轮的硬度进行检验的时候通常会使用维氏的硬度计，并且在选择试验材料的时候还要选择齿轮齿尖附近的材料，通常材料加工工艺的影响都是由齿面的硬度来进行反应的，但是齿轮材料的实际硬度值通常是通过齿轮内部断面的硬度进行科学的反映的。所以为了有效的对齿轮的硬度进行科学的检测，就必须要对齿面以及齿的内部都进行科学的检测，在检测的过程中在对压头进行选择时一般会选择50N的菱形压头，并且要求锥体的两相对面的呈现136°夹角，此外在进行加载时，时间一般都限制在30秒，通过科学的检测，硬度的检测结果见表2、3。

通过科学的处理，通过上表我们可以看出经过硬化处理，齿面的硬度有了非常显著的变化，但是仍然存在一定的问题，就是在齿根的位置以及到齿顶的价置其硬度分布的不是非常均匀，出现这种问题的主要原因主要是因为齿面材料中的Mo的含量比较高，而且通过热力口工或者渗碳等工艺导致的。所以导致最后的结果及日司经过硬化后的齿面虽然硬度有了一定的提升但是硬度却出现不均匀，而且如果是低速重载，最终出现磨损和裂痕的概率是非常高的。

2.4冲击试验与分析

在对齿轮进行冲击试验时通常会使用夏比摆锤冲击方法，因为风机受到的温差比较显著，所以一般都会进行常温或者低温试验两种检测方式。其检测的材料通常也会选取断口处的材料，一般常温下的检测的温度会控制在25°C，而低温检测温度会控制在- 30°C。通过试验可以得出，一般温度下冲击韧值为46.12J/cm2，与国家标准相比比较低。而低温冲击韧性值为24.09J/cm2，与国家标准相比也比较小，由此可以看出，在常温情况下的冲击韧性值与低温下的冲击韧性值相差很大，已经超过50%，但是实际的规定二者相差应该控制在20%。所以由此可以看出，在- 30℃以下的工作环境中，冲击韧性是不能在这种环境中进行低速重载工作。

3.结论

3.1通过有效的分析可以看出，在化学成分方面，只有Mo成分比较高，因此轮齿的硬度也比较高，但是齿面的硬度分布确实不均匀的，在不能硬化或者应力过大的区域非常容易产生裂纹或者磨损；但是对于显微组织方面，因为材料中含有一定的非金属，而且还有一定杂物，所以其对齿轮的抗疲劳性非常不利。

3.2通过实验研究可以发现，齿轮的抗拉强度以及屈服强度、断裂延伸率等都满足力学的性能，但是因为齿轮的断裂韧性比较低，所以在受到冲击时或者处于疲劳状态下就非常容易产生断裂现象。