一、風電齒輪箱金屬齒軸斷齒的基本情況
齒輪箱系統作為整個風機系統的核心部件，受到通過葉片系統傳遞來的低速強載荷的擾動沖擊作用，同時承載齒輪箱的機艙系統在陣風作用下也有較大幅度的擺動，再加上內部的溫度計潤滑狀態的變動，因此關鍵零部件金屬齒輪、軸承、主軸等失效問題是目前最主要、影響最大的裝備故障，齒輪輪齒損傷是目前比例大且影響相對較大的損傷形式。某風場使用的風機在服役 3 年后發生故障，進行檢查后發現在齒輪箱齒軸上有斷齒現象，如圖 1 所示。本文通過宏觀檢查、斷口微觀形貌分析、化學成分分析、低倍試驗、力學性能試驗、金屬夾渣物評級、金相組織分析方法對該齒軸斷齒現象進行分析。
二、實驗研究
宏觀檢查
金屬齒軸齒輪上有 1 個輪齒在偏右側齒端處發生折斷，開裂起始于輪齒的工作面靠近齒根處，其余輪齒未發生折斷，在金屬輪齒的工作面上均有印痕存在，其分布與斷齒的斷裂位置(見圖 2)。
在體視顯微鏡下觀察發現，斷齒(編為 1#)起始開裂處的邊緣存在明顯的壓痕，部分區域的表層金屬已被壓碎 ;2 個未斷裂的輪齒(編號為 2# 和 3#)工作面上存在壓痕、擦傷和破損現象，齒頂及其附近的非工作面上均有擦傷或破損痕跡存在，3# 輪齒非工作面局部區域存在麻點狀銹蝕點。
斷口微觀形貌
掃描電鏡觀察斷裂金屬輪齒的斷口形貌發現，斷裂起始于輪齒的工作面側，裂源區的斷口形貌呈疲勞輝紋特征(見圖 3、圖 4、圖 5)，裂紋擴展區的斷口形貌呈疲勞輝紋特征(見圖 6、圖 7、圖 8)。
化學成分分析
對金屬齒輪進行化學成分分析，結果發現齒輪的成分符合 EN10084-1998 中 18CrNiMo7-6 的成分標準，結果見表 1。
低倍檢驗
在斷裂的輪齒(1#)、未斷裂的輪齒(2#、3#)上取橫截面，腐蝕后發現輪齒的表面淬硬層完整，無明顯差異。
金相檢驗
在 2# 輪齒上取縱截面，參照 GB/T 10561-2005 鋼中金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法進行評級，輪齒的金屬夾雜物評為 A 類細系 0.5 級，結果見表 2。
分別在 1# 輪齒的未損壞區域取橫截面和縱截面、在 2# 輪齒對應于 1# 輪齒的損壞區域取橫截面和縱截面進行金相檢驗，結果發現金屬齒頂和齒根部位均存在微裂紋，齒面基本無微裂紋，但在 2# 輪齒的齒面上存在損傷凹坑;輪齒表面經過滲碳淬回火處理，滲碳層的金相組織為針狀馬氏體、貝氏體及殘余奧氏體，輪齒心部的金相組織為回火馬氏體 + 貝氏體，組織中存在帶狀偏析(見圖 9~18)。
參照 GB/T 6394-2017 金屬平均晶粒度測定方法，1# 輪齒和 2# 輪齒的晶粒度評為 7 級，形貌見圖 19、圖 20。
滲層深度測試
分別在 1# 輪齒的未損壞區域取橫截面、在 2# 輪齒對應于 1# 輪齒的損壞區域取橫截面，對齒頂、齒面、齒根進行有效硬化層深度的測定：1# 齒頂有效硬化層深度約為 4.2mm，2# 齒頂有效硬化層深度約為 2.6mm，1# 齒面有效硬化層深度約為 2.8mm，2# 齒面有效硬化層深度約為 2.4mm，1# 齒根有效硬化層深度約為 2.8mm，2# 齒根有效硬化層深度約為 2.6mm，1# 輪和 2# 輪齒的齒硬化層硬度變化曲線見圖 21、22。
硬度檢測
分別在1#輪齒(斷裂齒)和2#(完整齒)輪齒的橫截面上對基體進行硬度檢測，1#輪齒的基體硬度為36.0~39.0HRC，表面硬度為56.6~59.5HRC，2#輪齒的基體硬度為38.5~40.0HRC，表面硬度為51.8~58.9HRC，結果見表3。
沖擊試驗
在金屬齒軸半徑的 1/3 位置取 1 組橫向沖擊試樣，齒軸半徑的 1/2 位置取 1 組縱向沖擊試樣，在 -40℃下進行沖擊性能試驗，結果見表 4。
三、分析討論
實驗結果表明：金屬齒軸齒輪的成分符合成分符合 EN10084-1998 中 18CrNiMo7-6 的成分標準。2# 輪齒的輪齒的非金屬夾雜物評為 A 類細系 0.5 級 ;1# 輪齒和 2# 輪齒的晶粒度評為 7 級 ;1# 輪齒的未損壞區域的齒頂和齒根部位均存在微裂紋，齒面基本無微裂紋 ;2# 輪齒對應于 1# 輪齒的損壞區域的齒頂和齒根部位均存在微裂紋，齒面基本無微裂紋，但有損傷凹坑存在 ;1# 輪齒和 2# 輪齒的表面均經過滲碳淬回火處理，滲碳層的金相組織為針狀馬氏體、貝氏體及殘余奧氏體，輪齒心部的金相組織均為回火馬氏體 + 貝氏體，組織中存在帶狀偏析 ;斷裂輪齒和未斷裂輪齒的表面淬硬層完整，無明顯差異。1# 輪齒未損壞區域的有效硬化層深度：齒頂約為 4.2mm，齒面約為 2.8mm，齒根約為 2.8mm ;2# 輪齒對應于 1# 輪齒的損壞區域的有效硬化層深度 ：齒頂約為 2.6mm，齒面約為 2.4mm，齒根約為 2.6mm;1# 輪齒的基體硬度為36.0~39.0HRC，表面硬度為 56.6~59.5HRC，2# 輪齒的基體硬度為38.5~40.0HRC，表面硬度為 51.8~58.9HRC，齒軸材料在 -40℃的沖擊值為 11~19J ;
金屬齒軸齒輪上有 1 個輪齒在偏右側發生疲勞折斷，開裂起始于輪齒的工作面靠近齒根處，起始開裂處的邊緣存在明顯的壓痕，部分區域的表層金屬已被壓碎。其余輪齒未發生折斷，但在輪齒的工作面上均有壓痕、擦傷和破損存在，其分布與斷齒的斷裂位置相對應。
從上述實驗結果來看，在輪齒的未損壞區域，其齒面和齒根有效硬化層深度約為 2.8mm，齒根有微裂紋存在，為表面淬硬處理產生的缺陷。當齒輪在傳動過程中，輪齒類似一根懸臂梁，承載后齒根處產生較大的彎曲應力，由于輪齒在交變的彎曲應力下工作，容易從齒根處的薄弱環節形成裂紋源，繼而裂紋發生疲勞擴展，最終導致齒輪疲勞折斷。
整個齒輪輪齒的右側存在損傷痕跡，說明該區域受到異物擠壓。至于異物的來源，很可能是折斷輪齒部分。
四、結語
金屬齒輪表面淬硬處理后表面有微裂紋存在，輪齒承載后齒根附近受到的應力較大，在交變應力的作用下輪齒發生了疲勞折斷。
參考文獻略.