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風(fēng)力發(fā)電機組運轉(zhuǎn)環(huán)境非常惡劣，受力情況復(fù)雜，風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱種類有很多，下面例子主要說的是風(fēng)電增速機在運行時發(fā)生輸出齒輪軸斷裂事分析，根據(jù)齒輪軸斷裂外觀檢測，斷口形貌，組織檢測等進行分析，本公司分享出齒輪軸斷裂的具體原因所在。
1、齒輪軸外觀形貌
如圖1所示，失效區(qū)域為連續(xù)5個齒，其中4個齒沿齒長方向完全斷裂，1個齒在節(jié)線以上呈現(xiàn)局部完全剝離現(xiàn)象，其余輪齒未見斷齒現(xiàn)象，所有非工作面無嚙合痕跡；失效區(qū)工作面呈大面積剝落、斷齒現(xiàn)象，其余工作面可見局部分布的輕微凹坑剝落，主要呈光面狀態(tài)，工作面可見嚙合痕跡不均勻；軸承表面無麻點等異常缺陷。
圖1 輸出軸外觀形貌
2、齒輪軸斷口形貌特征及斷裂模式
宏觀觀察，斷口可見三種失效模式：
①疲勞斷口，有明顯的疲勞斷裂模式，斷口由三部分組成，斷裂源區(qū)、擴展區(qū)及瞬斷區(qū)，斷裂源區(qū)處于表面點蝕坑內(nèi)，為多個疲勞源頭，擴展區(qū)特征為疲勞貝紋線，斷口由工作面向非工作面擴展，疲勞弧線在源頭較致密，在瞬斷區(qū)較粗，擴展區(qū)占總斷裂面積的75%以上（見圖2）。
圖2 斷口宏觀形貌
②一次性快速斷裂斷口，斷口無明顯的疲勞斷裂特征，屬于大應(yīng)力破壞，輪齒斷裂起始源處于高應(yīng)力區(qū)。
③齒面剝落及點蝕，屬于接觸疲勞的一種表現(xiàn)，點蝕主要原因為交變接觸應(yīng)力的最大值超過材料的接觸疲勞強度，其次為齒面潤滑油滲入裂紋的脹擠作用，加速裂紋的擴展而形成點蝕。
從這三種齒面失效模式分析得出：輸出軸的斷齒失效事故為疲勞斷裂，非過載導(dǎo)致的快速斷裂失效，疲勞斷裂源頭為點蝕坑及剝落凹坑（見圖3）。在剛出現(xiàn)少數(shù)點蝕時，齒輪軸仍能繼續(xù)工作，但隨著工作時間的延續(xù)，點蝕剝落現(xiàn)象將不斷增多和擴大，嚙合情況不斷惡化，磨損加劇產(chǎn)生疲勞裂紋并不斷擴展直至齒斷裂，而斷裂的齒嵌入未發(fā)生裂紋的齒間，產(chǎn)生較大的沖擊力，使齒輪軸斷齒附近的其余數(shù)齒均被打斷，產(chǎn)生輪齒快速斷裂。
圖3 剝落宏觀形貌
3、檢測分析
①冶金質(zhì)量檢測：對齒輪軸斷裂區(qū)域進行取樣，經(jīng)過化學(xué)成分定量檢測和顯微鏡的觀察，發(fā)現(xiàn)齒輪軸符合技術(shù)要求，僅含有少量非金屬夾雜物，
②滲碳淬火組織：取斷裂齒部，經(jīng)磨制后，在金相顯微鏡進行微觀組織觀察，發(fā)現(xiàn)脫碳層符合技術(shù)要求，不存在齒輪軸根表面因脫碳二產(chǎn)生拉應(yīng)力引起疲勞斷裂的可能。端口區(qū)域齒面無可見碳化物，殘奧為20%左右，芯部組織為馬氏體加少量下貝氏體，芯部硬度組織符合要求，失效非熱處理組織問題導(dǎo)致。
③表面硬度及硬化層檢測：斷齒嚙合面表面硬度符合技術(shù)要求，斷齒嚙合面節(jié)圓區(qū)硬化層實測值均低于標(biāo)準(zhǔn)要求，若硬化層深度不足，在次表面承受不了剪切應(yīng)力的作用將萌生疲勞裂紋，隨著載荷循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋向表面擴展，繼而發(fā)生齒面剝落，隨著剝落增多，輪齒有效截面減少，最后輪齒斷裂，但對于滲碳淬火最佳淬硬層深度的確定，至今也沒有一個權(quán)威的理論和方法被大家所能完全接受，這些理論和方法一直都有爭議，此斷齒嚙合面節(jié)圓區(qū)硬化層深度可能僅是齒輪軸斷齒的非直接性因素，但其為斷裂事故提供了潛在失效基礎(chǔ)。
④殘留應(yīng)力檢測：對斷裂齒的齒面及齒根進行X射線衍射法殘留應(yīng)力及殘留奧氏體檢測，該殘留應(yīng)力符合滲碳淬火齒輪壓應(yīng)力分布特點，殘留壓應(yīng)力符合技術(shù)要求，斷齒非殘留應(yīng)力異常導(dǎo)致。殘留奧氏體數(shù)量符合要求，失效與殘留奧氏體無關(guān)。
⑤齒輪軸嚙合及精度檢測：齒輪軸工作面嚙合痕跡主要呈現(xiàn)三種形態(tài)：一為齒根產(chǎn)生點蝕及凹坑，節(jié)線及以上呈光面狀態(tài)，見圖4；
圖4 輸出軸嚙合狀況1
二為僅節(jié)線以上局部接觸，沿齒高方向接觸率＜30%，其余齒面保留磨齒表面流線，見圖5；
圖5 輸出軸嚙合狀況2
三為嚙合良好，在齒高及齒向方向均有效接觸，齒面成光面狀態(tài)，見圖6。
圖6 輸出軸嚙合狀況3
從嚙合狀況來看，嚙合不良，在齒向以及齒高方向上局部未完全參加嚙合，局部偏載，載荷分布不均勻。從圖7中節(jié)線處的磨削流線痕跡可分析出：增速機運行后，該部位一直未參加嚙合運動，否則經(jīng)過一階段的跑合應(yīng)產(chǎn)生圖8所示的光面效果，說明載荷分布不均非斷裂齒部阻擾造成，為原先齒輪副系統(tǒng)設(shè)計加工或安裝不合理導(dǎo)致。
對該齒輪軸進行精度檢測，發(fā)現(xiàn)其齒頂偏正，同時對配對齒輪精度檢測發(fā)現(xiàn)其齒頂無偏正或偏負(fù)現(xiàn)象，此種齒形將導(dǎo)致嚙合時節(jié)線以上區(qū)域優(yōu)先進行跑合磨損，產(chǎn)生局部高交變應(yīng)力接觸，隨著跑合的進行，齒面的粗糙峰逐漸磨平，實際接觸面積增大。此齒輪軸齒面硬化層僅0.81mm，節(jié)線以上區(qū)域的局部磨損致使節(jié)線以上區(qū)域硬化層較大幅度降低，在嚙合時，局部高接觸應(yīng)力導(dǎo)致最大剪切應(yīng)力峰所處位置大于磨損后的硬化層深度，將在次表層萌生疲勞裂紋，疲勞裂紋萌生后，裂紋沿著最大剪切應(yīng)力方向平行齒面擴展，壓斷后形成剝落型凹坑。圖7為齒輪軸齒形示意圖；圖8為節(jié)線以上區(qū)域磨損剝落演示圖（δ為節(jié)線以上區(qū)域磨損深度）。
圖7 齒輪軸齒形示意
圖8 硬化層磨損剝落演示
偏載原因之一為設(shè)計加工或安裝不合理，安裝精度低，同軸度差；原因之二為齒廓修形偏正，節(jié)線以上區(qū)域凸起，致使齒輪軸跑合期僅節(jié)線以上區(qū)域參與嚙合，齒頂磨損量加大，結(jié)合硬化層偏淺不利因素，淺層剝落裂紋幾率大增。兩方面原因致使齒輪軸在受載變形后齒面壓力分布不均勻，齒面接觸不良，產(chǎn)生偏載和較大的振動，嚙入和嚙出的沖擊力增大，接觸應(yīng)力增大，輪齒嚙合時產(chǎn)生的摩擦熱越大，結(jié)果導(dǎo)致潤滑油膜失效，形成點蝕及剝落，最終使輪齒產(chǎn)生疲勞斷裂。
4、結(jié)論
①輸出齒輪軸失效斷裂與冶金質(zhì)量無關(guān)，斷裂源區(qū)未見原材料缺陷。
②失效斷裂為疲勞斷裂，非過載導(dǎo)致的快速斷裂失效。
③齒輪副設(shè)計、裝配不當(dāng)以及齒形修形設(shè)計、加工不合理產(chǎn)生的偏載是斷齒失效的主要原因。
④在嚙合異常條件下，齒面硬化層偏淺成為斷裂失效原因之一。
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