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啤嶺機(jī)電設(shè)備(上海)有限公司

淺談風(fēng)電齒輪箱的失效分析

2025-10-09

風(fēng)電齒輪箱是風(fēng)電裝備中的核心部件之一,齒輪箱中的各個(gè)齒輪,屬于重載齒輪,所組成的零部件主要有齒輪及軸承等零部件構(gòu)成,相對(duì)并不復(fù)雜,但由于密封于箱體內(nèi)部,在產(chǎn)生故障時(shí),相互間會(huì)迅速產(chǎn)生次生災(zāi)害,因此首次失效零件的失效信息往往容易被掩蓋或者徹底破壞,致使首斷件鑒別與判斷產(chǎn)生困難,甚至出現(xiàn)無(wú)法給出準(zhǔn)確原因的狀況。該種情況下,首先失效件的判斷所考慮的要素應(yīng)按系統(tǒng)性分析來(lái)推理,并通過(guò)同類(lèi)型多次失效分析進(jìn)行綜合分析找到真正原因。

一、齒輪箱失效主要的幾種形式

風(fēng)電齒輪失效可分為兩大類(lèi):輪體失效和輪齒失效。輪體失效一般情況下很少出現(xiàn),因此齒輪的失效通常是指輪齒失效。所謂輪齒失效是指齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于某些原因?qū)е螺嘄X在尺寸、形狀以及材料性能等方面發(fā)生改變而不能正常完成工作。輪齒失效形式主要有折斷、點(diǎn)蝕、磨損等等。

失效箱發(fā)生故障,往往需要進(jìn)行系統(tǒng)分析,且具體問(wèn)題具體分析,排除次生損傷,依據(jù)首要失效件失效特征,判斷失效成因,依據(jù)成因,齒輪箱失效主要分為以下幾種類(lèi)型失效:

1、斷齒

齒輪嚙合發(fā)生斷齒概率較低,發(fā)生局部崩齒現(xiàn)象稍多,極少出現(xiàn)齊根剪斷所有齒的案例。這種情況主要不是設(shè)計(jì)問(wèn)題,往往與制造相關(guān),如是設(shè)計(jì)問(wèn)題,根本無(wú)法通過(guò)出廠試驗(yàn)。

齒輪局部崩齒,主要可能的原因是心部過(guò)脆,抗沖擊性能差,嚙合輪齒間軸的直線度降低導(dǎo)致偏斜引起的輪齒局部嚙合應(yīng)力過(guò)大,形成局部疲勞斷齒。另一個(gè)就是滲碳淬火導(dǎo)致的齒面氫致裂紋,這些裂紋有可能導(dǎo)致斷齒發(fā)生。

齒輪禿齒(現(xiàn)象為齊根斷,斷面發(fā)生嚴(yán)重塑形變形),主要是輪齒心部偏軟,硬度不足造成的,當(dāng)安全系數(shù)較高時(shí),即使心部偏軟也較難出現(xiàn),有時(shí)以局部疲勞斷齒形式展現(xiàn),但齒輪抗瞬時(shí)大應(yīng)力沖擊能力顯著降低,會(huì)發(fā)生輪齒塑形變形累積導(dǎo)致最終禿齒。

輪齒折斷分兩種,一種是疲勞折斷:齒輪在傳遞動(dòng)力時(shí),相當(dāng)于一根懸臂梁,齒根受到的彎矩應(yīng)力最大,齒根過(guò)渡圓角處具有非常大的應(yīng)力集中。傳遞載荷時(shí),輪齒根部所受的彎矩隨著嚙合點(diǎn)的改變而變化,長(zhǎng)時(shí)間交變載荷使得齒根應(yīng)力集中處產(chǎn)生疲勞裂紋,隨著載荷重復(fù)次數(shù)的增加,裂紋不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致輪齒折斷。另一種是過(guò)載折斷:短時(shí)間過(guò)載或受到過(guò)大的沖擊載荷導(dǎo)致輪齒突然折斷。

為了提高輪齒的抗折斷能力,可以采取以下措施:

1)選擇適當(dāng)?shù)凝X寬和模數(shù),保證輪齒強(qiáng)度;

2)采用合適的材料和熱處理方法;

3)增大齒根過(guò)渡圓角半徑,減小齒面粗糙度,對(duì)齒根表面進(jìn)行強(qiáng)化處理。

2、磨損

正常磨損是非常小的,因?yàn)辇X輪嚙合時(shí)的齒面接觸為為漸開(kāi)線接觸,幾乎不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),并且因潤(rùn)滑油的作用,精度較高的齒輪正常磨損非常微小。除非潤(rùn)滑油發(fā)生嚴(yán)重的長(zhǎng)時(shí)間的失去作用,會(huì)導(dǎo)致嚙合齒輪及軸承的干摩擦,該類(lèi)型一般難于看到,主要是管理問(wèn)題。異常磨損則屬于技術(shù)范疇,因卡阻導(dǎo)致的磨損大量增加,即滑動(dòng)代滾動(dòng)行為出現(xiàn),如潤(rùn)滑油發(fā)現(xiàn)快速發(fā)黑,但滑油油質(zhì)分析未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重變性,只是發(fā)生鐵屑增加時(shí),應(yīng)該該考慮異??ㄗ鑶?wèn)題主要在軸承上,齒輪上則較少出現(xiàn),出現(xiàn)異常磨損往往與油膜無(wú)法有效建立相關(guān),磨屑增多及滑油粘度異常也有關(guān)聯(lián)關(guān)系,另外是滑油變性,或水分等腐蝕齒輪的成分增大時(shí),也會(huì)出現(xiàn)齒輪磨損增大。

齒輪傳動(dòng)時(shí),輪齒受載荷作用,同時(shí)接觸的兩齒間有相對(duì)滑動(dòng),故而發(fā)生磨損。齒面磨損速度符合預(yù)期,則正常,正常磨損的齒面光亮,且不影響齒輪正常工作。齒面磨損嚴(yán)重時(shí),漸開(kāi)線輪廓被破壞,齒側(cè)間隙增大從而導(dǎo)致傳動(dòng)不平穩(wěn),產(chǎn)生沖擊和噪音,甚至導(dǎo)致輪齒折斷。

磨損的原因有很多:

1)輪齒工作齒面間的相對(duì)滑動(dòng);

2)有金屬微粒、灰塵、污染物等進(jìn)入嚙合區(qū);

3)潤(rùn)滑不良。

為了減少齒面磨損,可以:

1)提高齒面硬度;

2)降低齒面粗糙度;

3)采用潤(rùn)滑良好的閉式傳動(dòng)。

3、齒面咬合

齒輪箱內(nèi)的齒輪發(fā)生靠近齒尖部(多存在節(jié)圓上側(cè)位置)為嚙合時(shí),輪齒嚙合面上部發(fā)生大量的掉片,劃傷,應(yīng)該考慮加工精度問(wèn)題、裝配形成的嚙合間隙問(wèn)題,以及零件變形因素,通過(guò)技術(shù)文件找出加工安裝資料,輔以測(cè)量結(jié)果綜合判斷其真正原因。當(dāng)出現(xiàn)局部零件變形引起的齒面咬合現(xiàn)象時(shí),可通過(guò)齒面損傷的對(duì)稱(chēng)性及分布規(guī)律性來(lái)推理原因,另外齒面硬度是否足夠,大型齒輪是否存在軟點(diǎn)或軟區(qū)(鑄坯就存在錠型偏析問(wèn)題,質(zhì)量檢驗(yàn)可能檢驗(yàn)不到)。

在高速重載齒輪傳動(dòng)中,由于滑動(dòng)速度高而產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫會(huì)使油膜破裂,造成齒面間的粘焊現(xiàn)象,粘焊處被撕裂,齒面沿滑動(dòng)方向均會(huì)產(chǎn)生溝痕,這種膠合膠合稱(chēng)為熱膠合。在低速齒輪傳動(dòng)中,不易形成油膜,摩擦熱不大,但也可能因重載產(chǎn)生冷粘著,這種膠合稱(chēng)為冷膠合。

減少 膠合的措施:

1)適當(dāng)提高齒輪表面硬度;

2)降低齒輪表面粗糙度;

3)兩齒輪選用不同材料。

4、軸承卡阻

裝配游隙小及細(xì)小異物導(dǎo)致軸承短時(shí)卡阻,滑油補(bǔ)充不足,軸承的運(yùn)行溫度顯著升高,發(fā)生軸承過(guò)熱損傷等異常。缺油可導(dǎo)致的軸承的熱損傷和塑性變形,反應(yīng)在齒輪箱故障現(xiàn)象上為,齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲增大。一般這種情況下,在最后快速失效后期會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的燒傷痕跡,導(dǎo)致失效典型信息可能無(wú)法找到。因此,出現(xiàn)噪聲增大時(shí)應(yīng)及時(shí)停機(jī)檢查機(jī)件損傷狀況,判斷準(zhǔn)確原因和評(píng)估損傷程度并對(duì)其環(huán)境進(jìn)行清潔。

5、疲勞剝蝕

行星輪、太陽(yáng)輪及內(nèi)齒圈的疲勞剝蝕。現(xiàn)象為齒面出現(xiàn)大量麻坑,滑油出現(xiàn)大量鐵屑。這種失效方式往往與嚙合間隙發(fā)生異常,滑油變性,嚙合間隙微細(xì)金屬屑較多,局部嚙合應(yīng)力高過(guò)輪齒承受力(輕微過(guò)載),齒輪熱處理不當(dāng)?shù)纫蛩赜嘘P(guān)。

軸承滾道剝蝕?,F(xiàn)象麻坑,滑油發(fā)黑。成片的滾道脫落,產(chǎn)生原因主要是過(guò)載,滾道細(xì)小異物導(dǎo)致的支撐油膜破壞,形成點(diǎn)狀局部嚴(yán)重過(guò)載,往往易形成的疲勞點(diǎn)蝕行為(熱燒傷引起的剝蝕);另外零部件熱處理不當(dāng),部分綜合性能較差時(shí)也會(huì)發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕行為。

6、行星輪開(kāi)裂

行星輪發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象主要是內(nèi)孔疲勞問(wèn)題,滲碳齒輪發(fā)生軸向開(kāi)裂往往與疲勞相關(guān),疲勞一般不發(fā)生于硬度高的位置,只發(fā)生硬度較軟的地方,因此,與軸承外圈配合的齒輪內(nèi)孔往往發(fā)生疲勞破壞的源頭。疲勞往往與零件整體剛度不足有關(guān),過(guò)薄的輪緣壁厚導(dǎo)致支撐力不夠,外來(lái)交變擠壓力峰值過(guò)大時(shí),其發(fā)生彈性變形尺度較大,軸承游隙瞬時(shí)變小,導(dǎo)致瞬時(shí)卡阻,使得齒輪內(nèi)孔與軸承外圈發(fā)生短時(shí)大位移的滑動(dòng)摩擦,相互間形成積屑瘤,這一積屑瘤導(dǎo)致該微區(qū)齒輪內(nèi)孔的切向拉應(yīng)力很大,形成應(yīng)力集中點(diǎn),一旦在其犁溝底部等軸向微裂紋發(fā)生疲勞開(kāi)裂啟動(dòng),則在應(yīng)力集中作用及正常交變力作用下產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展,最終導(dǎo)致齒輪的疲勞斷裂。

以下是行星輪內(nèi)孔疲勞的幾則圖示:

二、齒輪箱的結(jié)構(gòu)要素

首先齒輪箱中主要零部件為相互嚙合的齒輪及實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承,無(wú)論是齒輪間的嚙合還是軸承內(nèi)部的滾珠與滾道間的接觸受力狀況均為赫茲接觸,理論上為點(diǎn)接觸或者線接觸,實(shí)際上是彈性的、非均勻的面接觸,零部件間相互運(yùn)動(dòng)時(shí)要求幾乎無(wú)相對(duì)滑動(dòng),同時(shí)只發(fā)生彈性變形。當(dāng)齒輪輪齒表面或者軸承零部件出現(xiàn)塑性變形及嚴(yán)重的磨損時(shí)說(shuō)明已經(jīng)脫離其正常的受力環(huán)境了。

增速齒輪箱,一定含有齒輪及軸承,除此以外就是各種固定及輔助零件。齒輪包含行星輪、太陽(yáng)輪及內(nèi)齒圈等。其中最外側(cè)的內(nèi)齒圈相對(duì)于變速箱而言是不動(dòng)的,而行星輪既有公轉(zhuǎn)又有自轉(zhuǎn),中心的太陽(yáng)輪只有自轉(zhuǎn),但是浮于多個(gè)行星輪中間,本身的直線度以及各齒間中心軸線的平行度在運(yùn)行過(guò)程中是在一定范圍內(nèi)發(fā)生變動(dòng)的,這造就了各個(gè)零部件工作運(yùn)行的力學(xué)環(huán)境,因此發(fā)生失效時(shí),首先考慮各個(gè)零部件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其受力環(huán)境分析。

三、外形結(jié)構(gòu)與受力分析

斜齒與直齒各有特點(diǎn),斜齒首先嚙合沖擊相對(duì)較小,運(yùn)行受力相對(duì)均勻平穩(wěn),嚙合噪聲相對(duì)較小,但是該結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生周向分切力需要通過(guò)止推軸承等部件來(lái)抵消增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性;而直齒嚙合過(guò)程中噪聲大,與斜齒相比,在相同嚙合間隙下,其齒間嚙合存在瞬時(shí)接觸沖擊較大,因此,噪聲較高,但幾無(wú)周向分力。各有其優(yōu)缺點(diǎn),可見(jiàn)二者并無(wú)太大的高下之別。在失效時(shí)應(yīng)該考慮齒輪本身及周?chē)h(huán)境對(duì)其作用力狀況,周?chē)h(huán)境損傷痕跡等。

對(duì)高頻次往復(fù)交變受力零件就一定存在疲勞問(wèn)題,齒輪箱設(shè)計(jì)主要考慮齒輪輪齒的抗接觸疲勞因素,因此,接觸疲勞往往是設(shè)計(jì)師們考慮的重點(diǎn)方向。但是齒輪輪齒齒面接觸疲勞,有時(shí)還與冷熱加工精度有關(guān),外形加工可通過(guò)多種手段檢驗(yàn),而內(nèi)在熱處理質(zhì)量則只能通過(guò)齒形樣、首檢、抽檢等發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,相對(duì)難度較大些,易出現(xiàn)漏檢問(wèn)題。當(dāng)齒面滲碳形成的沿晶分布的角塊狀碳化物時(shí),因淬火軟點(diǎn)等導(dǎo)致接觸抗疲勞差,在齒輪面上不一定是處處存在,有時(shí)是局部存在,導(dǎo)致漏檢,這一問(wèn)題及風(fēng)險(xiǎn)可通過(guò)增加檢查及檢驗(yàn)頻次解決。

受力分析不應(yīng)該僅考慮穩(wěn)態(tài)的嚙合力,安全系數(shù)考慮過(guò)低時(shí),雖然滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)應(yīng)用要求,但抗異常非穩(wěn)態(tài)的沖擊力或者額外載荷的能力就相應(yīng)較低,出現(xiàn)失效概率增加。系統(tǒng)沖擊力與外來(lái)沖擊載荷,柔性緩沖設(shè)計(jì),自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素相關(guān),如緊急制動(dòng),切向風(fēng)等對(duì)齒輪箱的沖擊要考慮,有時(shí)沖擊力是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的幾倍力量,產(chǎn)生的損傷雖然短時(shí)非致命,但累積起來(lái)則對(duì)系統(tǒng)失效影響還是很大的,如齒輪開(kāi)裂、崩齒等現(xiàn)象。

四、選材及熱處理不當(dāng)

選材一般采用材料 手冊(cè)中參數(shù)和一般行業(yè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇,相對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題較少,采用新材料一般都非常小心,經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后才敢大批量應(yīng)用,一般不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。但是有時(shí)用錯(cuò)料等情況,這一般與原材料進(jìn)廠把關(guān)不嚴(yán)或者存放轉(zhuǎn)運(yùn)等混亂有關(guān),是質(zhì)量管理問(wèn)題。

零部件熱處理不當(dāng)引起的組織狀態(tài)異常,同時(shí)檢驗(yàn)不夠全面或者辨識(shí)錯(cuò)誤引起的問(wèn)題相對(duì)較多。主要體現(xiàn)在工廠只檢硬度,金相只檢齒形樣,往往部分金相組織的判斷識(shí)別忽視,拉伸沖擊只檢齒根部 位,其他位置不太關(guān)心,這往往會(huì)出現(xiàn)對(duì)熱處理不能全面把控。

多次失效證明:當(dāng)熱處理質(zhì)量過(guò)關(guān),但輪緣厚度設(shè)計(jì)偏小時(shí),或因熱處理淬火冷卻速度低出現(xiàn)大量非馬氏體,而導(dǎo)致齒輪壁厚方向偏軟,組織中上貝氏體過(guò)多引起機(jī)械性能較差時(shí),均易出現(xiàn)內(nèi)孔疲勞或者斷齒現(xiàn)象。相比較而言齒面出現(xiàn)大角塊狀碳化物、硬度梯度相對(duì)較易發(fā)現(xiàn),齒形樣一般會(huì)顯示出來(lái), 但是齒面碳含量及氫含量等指標(biāo)一般不去過(guò)度關(guān)注,有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致滲碳齒面氫致延遲裂紋的發(fā)生,滲碳淬火并磨齒后應(yīng)該進(jìn)行滲透探傷,發(fā)現(xiàn)齒面顯微裂紋,一旦漏網(wǎng)可能會(huì)出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象,甚至形成嚴(yán)重次生破壞,導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確找到真正事故原因。

(滲碳過(guò)程同時(shí)也會(huì)同時(shí)滲氫,后期脫氫不徹底導(dǎo)致的晶界弱化而產(chǎn)生的氫致開(kāi)裂)

五、運(yùn)行管理

這個(gè)問(wèn)題相對(duì)較難掌控,因設(shè)計(jì)到的人員繁多,相互專(zhuān)業(yè)專(zhuān)長(zhǎng)差異較大。運(yùn)行管理過(guò)程中部分技術(shù)規(guī)法,應(yīng)該由設(shè)計(jì)人員(專(zhuān)家)與現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員(專(zhuān)家)共同制定,經(jīng)過(guò)多方運(yùn)行管理后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)更新添減項(xiàng)目,形成更好的適于工況條件的運(yùn)維規(guī)范,并采用運(yùn)行記錄及日志管理,形成過(guò)程數(shù)據(jù)資料,結(jié)合系統(tǒng)本身的自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)均對(duì)事故調(diào)查有極大的好處,可幫助快速鑒別故障類(lèi)型,快速預(yù)判失效原因作用很大。

六、發(fā)現(xiàn)故障一般處理常識(shí)

首先,迅速判斷防止次生災(zāi)害的繼續(xù)發(fā)生;

其次,記錄下事故所有可能的現(xiàn)象,可采用文字記錄、影像、音頻等形式;

再次,保護(hù)損傷斷面,防止接觸熱潮濕氧化環(huán)境;

最后,積極搜尋齒輪箱文檔及運(yùn)行數(shù)據(jù)資料等備查信息。

來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)