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，相對并不復(fù)雜，但由于密封于箱體內(nèi)部，在產(chǎn)生故障時，相互間會迅速產(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)性分析來推理，并通過同類型多次失效分析進(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：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)計問題，往往與制造相關(guān)，如是設(shè)計問題，根本無法通過出廠試驗。
齒輪局部崩齒，主要可能的原因是心部過脆，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)力過大，形成局部疲勞斷齒。另一個就是滲碳淬火導(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，即使心部偏軟也較難出現(xiàn)，有時以局部疲勞斷齒形式展現(xiàn)，但齒輪抗瞬時大應(yīng)力沖擊能力顯著降低，會發(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：齒輪在傳遞動力時，相當(dāng)于一根懸臂梁，齒根受到的彎矩應(yīng)力最大，齒根過渡圓角處具有非常大的應(yīng)力集中。傳遞載荷時，輪齒根部所受的彎矩隨著嚙合點(diǎn)的改變而變化，長時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。另一種是過載折斷：短時間過載或受到過大的沖擊載荷導(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)增大齒根過渡圓角半徑，減小齒面粗糙度，對齒根表面進(jìn)行強(qiáng)化處理。
2、磨損
正常磨損是非常小的，因為齒輪嚙合時的齒面接觸為為漸開線接觸，幾乎不發(fā)生相對滑動，并且因潤滑油的作用，精度較高的齒輪正常磨損非常微小。除非潤滑油發(fā)生嚴(yán)重的長時間的失去作用，會導(dǎo)致嚙合齒輪及軸承的干摩擦，該類型一般難于看到，主要是管理問題。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，即滑動代滾動行為出現(xiàn)，如潤滑油發(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，應(yīng)該該考慮異常卡阻問題主要在軸承上，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，也會出現(xiàn)齒輪磨損增大。
齒輪傳動時，輪齒受載荷作用，同時接觸的兩齒間有相對滑動，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，漸開線輪廓被破壞，齒側(cè)間隙增大從而導(dǎo)致傳動不平穩(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滑動;
2)有金屬微粒、灰塵、污染物等進(jìn)入嚙合區(qū);
3)潤滑不良。
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)采用潤滑良好的閉式傳動。
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，輪齒嚙合面上部發(fā)生大量的掉片，劃傷，應(yīng)該考慮加工精度問題、裝配形成的嚙合間隙問題，以及零件變形因素，通過技術(shù)文件找出加工安裝資料，輔以測量結(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，可通過齒面損傷的對稱性及分布規(guī)律性來推理原因，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題，質(zhì)量檢驗可能檢驗不到）。
在高速重載齒輪傳動中，由于滑動速度高而產(chǎn)生的瞬時高溫會使油膜破裂，造成齒面間的粘焊現(xiàn)象，粘焊處被撕裂，齒面沿滑動方向均會產(chǎn)生溝痕，這種膠合膠合稱為熱膠合。在低速齒輪傳動中，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產(chǎn)生嚴(yán)重的燒傷痕跡，導(dǎo)致失效典型信息可能無法找到。因此，出現(xiàn)噪聲增大時應(yīng)及時停機(jī)檢查機(jī)件損傷狀況，判斷準(zhǔn)確原因和評估損傷程度并對其環(huán)境進(jìn)行清潔。
5、疲勞剝蝕
行星輪、太陽輪及內(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)力高過輪齒承受力（輕微過載），齒輪熱處理不當(dāng)?shù)纫蛩赜嘘P(guān)。
軸承滾道剝蝕。現(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也會發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕行為。
6、行星輪開裂
行星輪發(fā)生開裂現(xiàn)象主要是內(nèi)孔疲勞問題，滲碳齒輪發(fā)生軸向開裂往往與疲勞相關(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)，過薄的輪緣壁厚導(dǎo)致支撐力不夠，外來交變擠壓力峰值過大時，其發(fā)生彈性變形尺度較大，軸承游隙瞬時變小，導(dǎo)致瞬時卡阻，使得齒輪內(nèi)孔與軸承外圈發(fā)生短時大位移的滑動摩擦，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)生疲勞開裂啟動，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)動的軸承，無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)動時要求幾乎無相對滑動，同時只發(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)重的磨損時說明已經(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、太陽輪及內(nèi)齒圈等。其中最外側(cè)的內(nèi)齒圈相對于變速箱而言是不動的，而行星輪既有公轉(zhuǎn)又有自轉(zhuǎn)，中心的太陽輪只有自轉(zhuǎn)，但是浮于多個行星輪中間，本身的直線度以及各齒間中心軸線的平行度在運(yùn)行過程中是在一定范圍內(nèi)發(fā)生變動的，這造就了各個零部件工作運(yùn)行的力學(xué)環(huán)境，因此發(fā)生失效時，首先考慮各個零部件系統(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較小，運(yùn)行受力相對均勻平穩(wěn)，嚙合噪聲相對較小，但是該結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生周向分切力需要通過止推軸承等部件來抵消增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性；而直齒嚙合過程中噪聲大，與斜齒相比，在相同嚙合間隙下，其齒間嚙合存在瞬時接觸沖擊較大，因此，噪聲較高，但幾無周向分力。各有其優(yōu)缺點(diǎn)，可見二者并無太大的高下之別。在失效時應(yīng)該考慮齒輪本身及周圍環(huán)境對其作用力狀況，周圍環(huán)境損傷痕跡等。
對高頻次往復(fù)交變受力零件就一定存在疲勞問題，齒輪箱設(shè)計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)計師們考慮的重點(diǎn)方向。但是齒輪輪齒齒面接觸疲勞，有時還與冷熱加工精度有關(guān)，外形加工可通過多種手段檢驗，而內(nèi)在熱處理質(zhì)量則只能通過齒形樣、首檢、抽檢等發(fā)現(xiàn)問題，相對難度較大些，易出現(xiàn)漏檢問題。當(dāng)齒面滲碳形成的沿晶分布的角塊狀碳化物時，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，有時是局部存在，導(dǎo)致漏檢，這一問題及風(fēng)險可通過增加檢查及檢驗頻次解決。
受力分析不應(yīng)該僅考慮穩(wěn)態(tài)的嚙合力，安全系數(shù)考慮過低時，雖然滿足穩(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)沖擊力與外來沖擊載荷，柔性緩沖設(shè)計，自身轉(zhuǎn)動慣量等因素相關(guān)，如緊急制動，切向風(fēng)等對齒輪箱的沖擊要考慮，有時沖擊力是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的幾倍力量，產(chǎn)生的損傷雖然短時非致命，但累積起來則對系統(tǒng)失效影響還是很大的，如齒輪開裂、崩齒等現(xiàn)象。
四、選材及熱處理不當(dāng)
選材一般采用材料 手冊中參數(shù)和一般行業(yè)經(jīng)驗來選擇，相對出現(xiàn)問題較少，采用新材料一般都非常小心，經(jīng)過大量實(shí)驗驗證后才敢大批量應(yīng)用，一般不會出現(xiàn)問題。但是有時用錯料等情況，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)量管理問題。
零部件熱處理不當(dāng)引起的組織狀態(tài)異常，同時檢驗不夠全面或者辨識錯誤引起的問題相對較多。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，這往往會出現(xiàn)對熱處理不能全面把控。
多次失效證明：當(dāng)熱處理質(zhì)量過關(guān)，但輪緣厚度設(shè)計偏小時，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，組織中上貝氏體過多引起機(jī)械性能較差時，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、硬度梯度相對較易發(fā)現(xiàn)，齒形樣一般會顯示出來， 但是齒面碳含量及氫含量等指標(biāo)一般不去過度關(guān)注，有時也會導(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)可能會出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象，甚至形成嚴(yán)重次生破壞，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確找到真正事故原因。
（滲碳過程同時也會同時滲氫，后期脫氫不徹底導(dǎo)致的晶界弱化而產(chǎn)生的氫致開裂）
五、運(yùn)行管理
這個問題相對較難掌控，因設(shè)計到的人員繁多，相互專業(yè)專長差異較大。運(yùn)行管理過程中部分技術(shù)規(guī)法，應(yīng)該由設(shè)計人員（專家）與現(xiàn)場維護(hù)人員（專家）共同制定，經(jīng)過多方運(yùn)行管理后發(fā)現(xiàn)問題及時更新添減項目，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，形成過程數(shù)據(jù)資料，結(jié)合系統(tǒng)本身的自動監(jiān)控數(shù)據(jù)均對事故調(diào)查有極大的好處，可幫助快速鑒別故障類型，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
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。
來源：網(wǎng)絡(luò)
