风电机组齿轮箱高速轴断齿原因分析

风电机组齿轮箱高速轴断齿原因分析

黄绪林

身份证号：421122198605015854

摘要：在碳达峰、碳中和的等国家新政策的推动下，国内风力发电装机容量持续增长。同时，随着风力涡轮机运行时间的增加，离心风机设备的故障率不断上升，离心风机的运行和维护问题日益突出。风机齿轮箱是连接离心风机主轴轴承和发电机的关键旋转部件。其主要功能是将叶轮在风速作用下形成的驱动力传递给发电机组，使其获得相对速比。由于风机齿轮箱工作环境恶劣，负载相对复杂。因此，减速器中的关键部件，如传动齿轮、滚动轴承、旋转轴等存在许多无效问题。其中，断齿是减速器最严重的无效方式，这将立即导致离心风机停机，从而危及生产率，并继续造成非计划的更换和维护成本。

关键词：风电机组；齿轮箱；高速轴断齿；原因；措施

1机组故障概况

某风电机组齿轮箱高速轴在运行16000h时发现齿轮箱异常，停机解体后发现高速轴的齿面断裂。高速轴材料为DIN17210—1986中的17CrNiMo6，符合标准，该材料经过渗碳淬火热处理，有效硬化层深度要求不小于1.47mm。机组为1500kW、三叶片、水平轴、上风向、变速变桨恒频的双馈机组，齿轮箱为一级行星两级平行结构的齿轮箱。

2失效原因分析

2.1宏观检查

依据GB/T3481-1997对高速轴样品进行损伤定性，检查发现，样品20个齿面存在载荷不均现象，受力侧均存在明显磨损痕迹，其中电机侧齿面的磨损程度明显比对侧严重；样品除齿面整体磨损外，主要存在齿端折断和剥落2类损伤形貌；齿端折断位于1个齿靠近电机侧端部，发生断裂部位齿长约57mm;剥落损伤位于紧邻断齿的齿面和与断齿相邻的齿面。

高速轴样品的主要实测尺寸有：高速轴总长约1070mm,共有20个齿，齿沿轴向长约195mm,沿齿向长205mm;齿高约18mm,齿间距约26mm。

2.2材料化学成分分析

从高速中间轴的断裂位置提取了部分样品，并利用EMGA-930氧氮氢联测仪以及固定式金属光谱仪分析了该样品。在不计算热处理等情况影响的前提下。由此可知，该样品符合DIN17210-1986标准。

2.3基体硬度试验

取2个强度样品，测试基材的强度是否符合国家规定。本试验标准按gb/t4340.1-2009执行。试验中施加的核载荷为30kgf，规定的保持时间不小于10秒，然后将其转换为抗拉强度进行验证，以澄清样品基板的强度。

2.4渗氮硬底涂层深度测试

对于高速轴横向试样断齿处的其他零件，选择2。其中，根据gb/t9450-2005，断齿的样本数为5，完整零件的样本数为6，测试强度梯度的方向，测试选择的载荷设置为1kgf。同时，试验中规定的核负荷保持时间不少于15秒。试验通过后得出的结论见表3。为每个试验零件选择2个样品。试验硬化层的深度应至少为0.72mm，较大者不得超过1.20MM。测试结果不符合相关标准。

2.5外部经济金相检验

选择减速器的中间齿轮断裂部分和损坏部分，分别设置为序列号7和序列号8。此外，序列号为9的制备样品的部分没有视觉损坏。本试验使用的相关国家规范为gb/t25744-2010。为了更准确地确定样品的外观，使用Olympusmicro单gx71显微镜进行精细观察。断齿中部有一些小裂纹，脱落位置表明凹痕内部结构及其周围有许多裂纹，无宏观损伤，齿位齿面无异常；渗氮层机制为隐晶质奥氏体-残余马氏体-渗碳体，三者的等级均为1级；核心机制是碳还原奥氏体，等级为1级；芯粒径6级；氮化层机制等级、芯机制和晶粒度等级符合技术标准的要求，DIN17210和JB/T6396中无渗碳层和心部组织的规定。

2.6断口形貌分析

对样品断齿面和剥落部位用Quanta400HV扫描电子显微镜(SEM)进行观察。断齿面源区可见一些小裂纹，扩展区可见疲劳弧线，终断区形貌为准解离；断口形貌主要以浅韧窝为主，未发现明显塑性变形痕迹，表明齿轮开裂后以疲劳形式进行裂纹扩展。

3综合分析

高速轴测试样品的材料检查结果发现，齿面上存在不均匀载荷，电机侧齿面损伤程度明显高于检查侧，硬化层的深层不符合相关技术标准的要求，基质的室内温度冲击吸收能量适中，其他材料的实验结论符合规定要求或内部无异常。在宏观经济条件下，除了齿面整体损坏外，试验对象的关键问题是齿端断裂和剥落。2外观损坏；齿端断裂，位于1。齿靠近电机侧顶部，断裂的齿长约57mm。在断齿中间源区的外部经济性下，可以看到一些小裂纹，在扩展区域可以看到疲劳对角线。最终破碎区的外观为标准分离；剥落损伤位于与断齿相邻的齿面和与断齿相邻的齿面上。在外部经济条件下，可以看出存在许多疲劳小裂纹。剥落是一种可膨胀的微缝隙腐蚀，当凹坑合并并在总面积相对较大的齿面上产生不规则凹痕时发生。齿端断裂通常是因为传动齿轮传递的载荷集中在靠近一端的一小部分齿面上，而齿面磨损端的断裂是由缝隙腐蚀和剥落的进一步发展引起的，即“缝隙腐蚀剥落齿断裂”三部曲。

通过在常见故障位置对高速轴进行检查和测试，发现断齿位置的核载荷存在问题，以便不均匀。此外，风机电机旁的齿面摩擦大，磨损严重；通过对数据的测试和统计分析可知，硬化层的深层不符合我国相关标准。最后，基板的室内温度减震能级无法达到基本标准值。以上是分析样本的难点。在宏观经济条件下，除了齿面整体损坏外，样品的关键是齿端断裂和脱落。2外观损坏；齿端断裂位于1，齿靠近电机侧顶部，断裂的齿长约57mm。在断齿中间源区的外部经济条件下，可以看到一些小裂纹，在扩展区可以看到疲劳裂纹；脱落损伤位于与断齿相邻的齿面和与断齿相邻的齿面上。在外部经济条件下，可以看出存在许多疲劳小裂纹。

通过对样品的观察和测试分析，发现样品电机侧的20个齿面损坏较为严重，出现了常见的断齿故障。根据侧齿表面，样品齿表面上的不均匀载荷导致不均匀的地应力，从而导致在齿表面上产生极限应力和疲劳裂纹。随着时间的推移，裂纹加剧并最终损坏，导致断齿和部分齿面分离的问题。因此，在离心式风机发电机组的工作中，有必要防止核负荷不平衡。除上述常见故障外，试验表明，试样断齿产生的部分深层硬化层达不到我国相关标准。在剪切力的作用下，当齿面长期处于剪应力和抗压强度不足的条件下时，会出现疲劳裂纹，这也是齿断裂的主要原因之一。总之，核载荷不均匀和深层硬化层未能满足相关要求是导致高速轴减速器失效的原因。

结论

高速轴样品的齿面载荷不均匀，硬化层的深层不符合相关技术标准的要求，基体的室内温度冲击吸收能量处于中等水平，其他材料的测试结果符合要求或无异常。试样有齿面脱落和端齿断裂2。这种损伤的失效模式是疲劳裂纹，其关键原因与工作期间齿面上的载荷不均匀和齿面上缺乏深层硬化层有关。建议对高速轴进行材料检查，对减速箱进行监督检查，防止使用材料不良的部件，并妥善处理齿面载荷不均匀等异常现象。

参考文献：

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