淺談風電齒輪箱的失效分析
2025-10-09
風電齒輪箱是風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成，相對并不復雜，但由于密封于箱體內部，在產生故障時，相互間會迅速產生次生災害，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生困難，甚至出現無法給出準確原因的狀況。該種情況下，首先失效件的判斷所考慮的要素應按系統性分析來推理，并通過同類型多次失效分析進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，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轉過程中由于某些原因導致輪齒在尺寸、形狀以及材料性能等方面發生改變而不能正常完成工作。輪齒失效形式主要有折斷、點蝕、磨損等等。
失效箱發生故障，往往需要進行系統分析，且具體問題具體分析，排除次生損傷，依據首要失效件失效特征，判斷失效成因，依據成因，齒輪箱失效主要分為以下幾種類型失效：
1、斷齒
齒輪嚙合發生斷齒概率較低，發生局部崩齒現象稍多，極少出現齊根剪斷所有齒的案例。這種情況主要不是設計問題，往往與制造相關，如是設計問題，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致偏斜引起的輪齒局部嚙合應力過大，形成局部疲勞斷齒。另一個就是滲碳淬火導致的齒面氫致裂紋，這些裂紋有可能導致斷齒發生。
齒輪禿齒（現象為齊根斷，斷面發生嚴重塑形變形），主要是輪齒心部偏軟，硬度不足造成的，當安全系數較高時，即使心部偏軟也較難出現，有時以局部疲勞斷齒形式展現，但齒輪抗瞬時大應力沖擊能力顯著降低，會發生輪齒塑形變形累積導致最終禿齒。
輪齒折斷分兩種，一種是疲勞折斷：齒輪在傳遞動力時，相當于一根懸臂梁，齒根受到的彎矩應力最大，齒根過渡圓角處具有非常大的應力集中。傳遞載荷時，輪齒根部所受的彎矩隨著嚙合點的改變而變化，長時間交變載荷使得齒根應力集中處產生疲勞裂紋，隨著載荷重復次數的增加，裂紋不斷擴展，最終導致輪齒折斷。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)選擇適當的齒寬和模數，保證輪齒強度;
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，對齒根表面進行強化處理。
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。除非潤滑油發生嚴重的長時間的失去作用，會導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范疇，因卡阻導致的磨損大量增加，即滑動代滾動行為出現，如潤滑油發現快速發黑，但滑油油質分析未發現嚴重變性，只是發生鐵屑增加時，應該該考慮異常卡阻問題主要在軸承上，齒輪上則較少出現，出現異常磨損往往與油膜無法有效建立相關，磨屑增多及滑油粘度異常也有關聯關系，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，故而發生磨損。齒面磨損速度符合預期，則正常，正常磨損的齒面光亮，且不影響齒輪正常工作。齒面磨損嚴重時，漸開線輪廓被破壞，齒側間隙增大從而導致傳動不平穩，產生沖擊和噪音，甚至導致輪齒折斷。
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、污染物等進入嚙合區;
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
齒輪箱內的齒輪發生靠近齒尖部（多存在節圓上側位置）為嚙合時，輪齒嚙合面上部發生大量的掉片，劃傷，應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，通過技術文件找出加工安裝資料，輔以測量結果綜合判斷其真正原因。當出現局部零件變形引起的齒面咬合現象時，可通過齒面損傷的對稱性及分布規律性來推理原因，另外齒面硬度是否足夠，大型齒輪是否存在軟點或軟區（鑄坯就存在錠型偏析問題，質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生的瞬時高溫會使油膜破裂，造成齒面間的粘焊現象，粘焊處被撕裂，齒面沿滑動方向均會產生溝痕，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，但也可能因重載產生冷粘著，這種膠合稱為冷膠合。
減少 膠合的措施：
1)適當提高齒輪表面硬度;
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
裝配游隙小及細小異物導致軸承短時卡阻，滑油補充不足，軸承的運行溫度顯著升高，發生軸承過熱損傷等異常。缺油可導致的軸承的熱損傷和塑性變形，反應在齒輪箱故障現象上為，齒輪箱運轉噪聲增大。一般這種情況下，在最后快速失效后期會產生嚴重的燒傷痕跡，導致失效典型信息可能無法找到。因此，出現噪聲增大時應及時停機檢查機件損傷狀況，判斷準確原因和評估損傷程度并對其環境進行清潔。
5、疲勞剝蝕
行星輪、太陽輪及內齒圈的疲勞剝蝕。現象為齒面出現大量麻坑，滑油出現大量鐵屑。這種失效方式往往與嚙合間隙發生異常，滑油變性，嚙合間隙微細金屬屑較多，局部嚙合應力高過輪齒承受力（輕微過載），齒輪熱處理不當等因素有關。
軸承滾道剝蝕。現象麻坑，滑油發黑。成片的滾道脫落，產生原因主要是過載，滾道細小異物導致的支撐油膜破壞，形成點狀局部嚴重過載，往往易形成的疲勞點蝕行為（熱燒傷引起的剝蝕）；另外零部件熱處理不當，部分綜合性能較差時也會發生疲勞點蝕行為。
6、行星輪開裂
行星輪發生開裂現象主要是內孔疲勞問題，滲碳齒輪發生軸向開裂往往與疲勞相關，疲勞一般不發生于硬度高的位置，只發生硬度較軟的地方，因此，與軸承外圈配合的齒輪內孔往往發生疲勞破壞的源頭。疲勞往往與零件整體剛度不足有關，過薄的輪緣壁厚導致支撐力不夠，外來交變擠壓力峰值過大時，其發生彈性變形尺度較大，軸承游隙瞬時變小，導致瞬時卡阻，使得齒輪內孔與軸承外圈發生短時大位移的滑動摩擦，相互間形成積屑瘤，這一積屑瘤導致該微區齒輪內孔的切向拉應力很大，形成應力集中點，一旦在其犁溝底部等軸向微裂紋發生疲勞開裂啟動，則在應力集中作用及正常交變力作用下產生裂紋擴展，最終導致齒輪的疲勞斷裂。
以下是行星輪內孔疲勞的幾則圖示：
二、齒輪箱的結構要素
首先齒輪箱中主要零部件為相互嚙合的齒輪及實現平穩轉動的軸承，無論是齒輪間的嚙合還是軸承內部的滾珠與滾道間的接觸受力狀況均為赫茲接觸，理論上為點接觸或者線接觸，實際上是彈性的、非均勻的面接觸，零部件間相互運動時要求幾乎無相對滑動，同時只發生彈性變形。當齒輪輪齒表面或者軸承零部件出現塑性變形及嚴重的磨損時說明已經脫離其正常的受力環境了。
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、太陽輪及內齒圈等。其中最外側的內齒圈相對于變速箱而言是不動的，而行星輪既有公轉又有自轉，中心的太陽輪只有自轉，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行過程中是在一定范圍內發生變動的，這造就了各個零部件工作運行的力學環境，因此發生失效時，首先考慮各個零部件系統結構及其受力環境分析。
三、外形結構與受力分析
斜齒與直齒各有特點，斜齒首先嚙合沖擊相對較小，運行受力相對均勻平穩，嚙合噪聲相對較小，但是該結構會產生周向分切力需要通過止推軸承等部件來抵消增加了結構復雜性；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。各有其優缺點，可見二者并無太大的高下之別。在失效時應該考慮齒輪本身及周圍環境對其作用力狀況，周圍環境損傷痕跡等。
對高頻次往復交變受力零件就一定存在疲勞問題，齒輪箱設計主要考慮齒輪輪齒的抗接觸疲勞因素，因此，接觸疲勞往往是設計師們考慮的重點方向。但是齒輪輪齒齒面接觸疲勞，有時還與冷熱加工精度有關，外形加工可通過多種手段檢驗，而內在熱處理質量則只能通過齒形樣、首檢、抽檢等發現問題，相對難度較大些，易出現漏檢問題。當齒面滲碳形成的沿晶分布的角塊狀碳化物時，因淬火軟點等導致接觸抗疲勞差，在齒輪面上不一定是處處存在，有時是局部存在，導致漏檢，這一問題及風險可通過增加檢查及檢驗頻次解決。
受力分析不應該僅考慮穩態的嚙合力，安全系數考慮過低時，雖然滿足穩態應用要求，但抗異常非穩態的沖擊力或者額外載荷的能力就相應較低，出現失效概率增加。系統沖擊力與外來沖擊載荷，柔性緩沖設計，自身轉動慣量等因素相關，如緊急制動，切向風等對齒輪箱的沖擊要考慮，有時沖擊力是穩態運行時的幾倍力量，產生的損傷雖然短時非致命，但累積起來則對系統失效影響還是很大的，如齒輪開裂、崩齒等現象。
四、選材及熱處理不當
選材一般采用材料 手冊中參數和一般行業經驗來選擇，相對出現問題較少，采用新材料一般都非常小心，經過大量實驗驗證后才敢大批量應用，一般不會出現問題。但是有時用錯料等情況，這一般與原材料進廠把關不嚴或者存放轉運等混亂有關，是質量管理問題。
零部件熱處理不當引起的組織狀態異常，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，其他位置不太關心，這往往會出現對熱處理不能全面把控。
多次失效證明：當熱處理質量過關，但輪緣厚度設計偏小時，或因熱處理淬火冷卻速度低出現大量非馬氏體，而導致齒輪壁厚方向偏軟，組織中上貝氏體過多引起機械性能較差時，均易出現內孔疲勞或者斷齒現象。相比較而言齒面出現大角塊狀碳化物、硬度梯度相對較易發現，齒形樣一般會顯示出來， 但是齒面碳含量及氫含量等指標一般不去過度關注，有時也會導致滲碳齒面氫致延遲裂紋的發生，滲碳淬火并磨齒后應該進行滲透探傷，發現齒面顯微裂紋，一旦漏網可能會出現斷齒現象，甚至形成嚴重次生破壞，導致無法準確找到真正事故原因。
（滲碳過程同時也會同時滲氫，后期脫氫不徹底導致的晶界弱化而產生的氫致開裂）
五、運行管理
這個問題相對較難掌控，因設計到的人員繁多，相互專業專長差異較大。運行管理過程中部分技術規法，應該由設計人員（專家）與現場維護人員（專家）共同制定，經過多方運行管理后發現問題及時更新添減項目，形成更好的適于工況條件的運維規范，并采用運行記錄及日志管理，形成過程數據資料，結合系統本身的自動監控數據均對事故調查有極大的好處，可幫助快速鑒別故障類型，快速預判失效原因作用很大。
六、發現故障一般處理常識
首先，迅速判斷防止次生災害的繼續發生；
其次，記錄下事故所有可能的現象，可采用文字記錄、影像、音頻等形式；
再次，保護損傷斷面，防止接觸熱潮濕氧化環境；
最后，積極搜尋齒輪箱文檔及運行數據資料等備查信息。
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