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浅谈风电齿轮箱的失效分析

国际新能源网  来源:质量钟声  日期:2017-07-12
  风电齿轮箱是风电装备中的核心部件之一,因风电设备主要分布在风力较好的山区、岭地、戈壁、海上等人类活动少,交通不方便的地方,其安装、建造及维修非常不便,因此,高可靠性设计是其设计制造过程中的主要考虑因素。不同类型的风电齿轮箱采用不同的结构形式,但最终目的是实现增速传动功能,使桨叶输入的低速的机械能输出为高速的机械能来带动发电机发电,最终实现机械能转变电能的目的。
 
  齿轮箱中的各个齿轮,属于重载齿轮,所组成的零部件主要有齿轮及轴承等零部件构成,相对并不复杂,但由于密封于箱体内部,在产生故障时,相互间会迅速产生次生灾害,因此首次失效零件的失效信息往往容易被掩盖或者彻底破坏,致使首断件鉴别与判断产生困难,甚至出现无法给出准确原因的状况。该种情况下,首先失效件的判断所考虑的要素应按系统性分析来推理,并通过同类型多次失效分析进行综合分析找到真正原因。
 
  一、齿轮箱的结构要素
 
  增速齿轮箱,一定含有齿轮及轴承,除此以外就是各种固定及辅助零件。齿轮包含行星轮、太阳轮及内齿圈等。其中最外侧的内齿圈相对于变速箱而言是不动的,而行星轮既有公转又有自转,中心的太阳轮只有自转,但是浮于多个行星轮中间,本身的直线度以及各齿间中心轴线的平行度在运行过程中是在一定范围内发生变动的,这造就了各个零部件工作运行的力学环境,因此发生失效时,首先考虑各个零部件系统结构及其受力环境分析。
 
  首先齿轮箱中主要零部件为相互啮合的齿轮及实现平稳转动的轴承,无论是齿轮间的啮合还是轴承内部的滚珠与滚道间的接触受力状况均为赫兹接触,理论上为点接触或者线接触,实际上是弹性的、非均匀的面接触,零部件间相互运动时要求几乎无相对滑动,同时只发生弹性变形。当齿轮轮齿表面或者轴承零部件出现塑性变形及严重的磨损时说明已经脱离其正常的受力环境了。
 
  二、齿轮箱失效主要的几种形式
 
  失效箱发生故障,往往需要进行系统分析,且具体问题具体分析,排除次生损伤,依据首要失效件失效特征,判断失效成因,依据成因,齿轮箱失效主要分为以下几种类型失效:
 
  1、磨损
 
  正常磨损是非常小的,因为齿轮啮合时的齿面接触为为渐开线接触,几乎不发生相对滑动,并且因润滑油的作用,精度较高的齿轮正常磨损非常微小。除非润滑油发生严重的长时间的失去作用,会导致啮合齿轮及轴承的干摩擦,该类型一般难于看到,主要是管理问题。异常磨损则属于技术范畴,因卡阻导致的磨损大量增加,即滑动代滚动行为出现,如润滑油发现快速发黑,但滑油油质分析未发现严重变性,只是发生铁屑增加时,应该该考虑异常卡阻问题主要在轴承上,齿轮上则较少出现,出现异常磨损往往与油膜无法有效建立相关,磨屑增多及滑油粘度异常也有关联关系,另外是滑油变性,或水分等腐蚀齿轮的成分增大时,也会出现齿轮磨损增大。
 
  2、疲劳剥蚀
 
  行星轮、太阳轮及内齿圈的疲劳剥蚀。现象为齿面出现大量麻坑,滑油出现大量铁屑。这种失效方式往往与啮合间隙发生异常,滑油变性,啮合间隙微细金属屑较多,局部啮合应力高过轮齿承受力(轻微过载),齿轮热处理不当等因素有关。
 
  轴承滚道剥蚀。现象麻坑,滑油发黑。成片的滚道脱落,产生原因主要是过载,滚道细小异物导致的支撑油膜破坏,形成点状局部严重过载,往往易形成的疲劳点蚀行为(热烧伤引起的剥蚀);另外零部件热处理不当,部分综合性能较差时也会发生疲劳点蚀行为。
 
  3、断齿
 
  齿轮啮合发生断齿概率较低,发生局部崩齿现象稍多,极少出现齐根剪断所有齿的案例。这种情况主要不是设计问题,往往与制造相关,如是设计问题,根本无法通过出厂试验。
 
  齿轮局部崩齿,主要可能的原因是心部过脆,抗冲击性能差,啮合轮齿间轴的直线度降低导致偏斜引起的轮齿局部啮合应力过大,形成局部疲劳断齿。另一个就是渗碳淬火导致的齿面氢致裂纹,这些裂纹有可能导致断齿发生。
 
  齿轮秃齿(现象为齐根断,断面发生严重塑形变形),主要是轮齿心部偏软,硬度不足造成的,当安全系数较高时,即使心部偏软也较难出现,有时以局部疲劳断齿形式展现,但齿轮抗瞬时大应力冲击能力显着降低,会发生轮齿塑形变形累积导致最终秃齿。
 
  4、齿面咬合
 
  齿轮箱内的齿轮发生靠近齿尖部(多存在节圆上侧位置,)为啮合时,轮齿啮合面上部发生大量的掉片,划伤,应该考虑加工精度问题、装配形成的啮合间隙问题,以及零件变形因素,通过技术文件找出加工安装资料,辅以测量结果综合判断其真正原因。当出现局部零件变形引起的齿面咬合现象时,可通过齿面损伤的对称性及分布规律性来推理原因,另外齿面硬度是否足够,大型齿轮是否存在软点或软区(铸坯就存在锭型偏析问题,质量检验可能检验不到)。
 
  5、轴承卡阻
 
  装配游隙小及细小异物导致轴承短时卡阻,滑油补充不足,轴承的运行温度显着升高,发生轴承过热损伤等异常。缺油可导致的轴承的热损伤和塑性变形,反应在齿轮箱故障现象上为,齿轮箱运转噪声增大。一般这种情况下,在最后快速失效后期会产生严重的烧伤痕迹,导致失效典型信息可能无法找到。因此,出现噪声增大时应及时停机检查机件损伤状况,判断准确原因和评估损伤程度并对其环境进行清洁。
 
  6、行星轮开裂
 
  行星轮发生开裂现象主要是内孔疲劳问题,渗碳齿轮发生轴向开裂往往与疲劳相关,疲劳一般不发生于硬度高的位置,只发生硬度较软的地方,因此,与轴承外圈配合的齿轮内孔往往发生疲劳破坏的源头。疲劳往往与零件整体刚度不足有关,过薄的轮缘壁厚导致支撑力不够,外来交变挤压力峰值过大时,其发生弹性变形尺度较大,轴承游隙瞬时变小,导致瞬时卡阻,使得齿轮内孔与轴承外圈发生短时大位移的滑动摩擦,相互间形成积屑瘤,这一积屑瘤导致该微区齿轮内孔的切向拉应力很大,形成应力集中点,一旦在其犁沟底部等轴向微裂纹发生疲劳开裂启动,则在应力集中作用及正常交变力作用下产生裂纹扩展,最终导致齿轮的疲劳断裂。
 
  以下是行星轮内孔疲劳的几则图示:

 
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