一、风电齿轮箱金属齿轴断齿的基本情况
齿轮箱系统作为整个风机系统的核心部件，受到通过叶片系统传递来的低速强载荷的扰动冲击作用，同时承载齿轮箱的机舱系统在阵风作用下也有较大幅度的摆动，再加上内部的温度计润滑状态的变动，因此关键零部件金属齿轮、轴承、主轴等失效问题是目前最主要、影响最大的装备故障，齿轮轮齿损伤是目前比例大且影响相对较大的损伤形式。某风场使用的风机在服役 3 年后发生故障，进行检查后发现在齿轮箱齿轴上有断齿现象，如图 1 所示。本文通过宏观检查、断口微观形貌分析、化学成分分析、低倍试验、力学性能试验、金属夹渣物评级、金相组织分析方法对该齿轴断齿现象进行分析。
二、实验研究
宏观检查
金属齿轴齿轮上有 1 个轮齿在偏右侧齿端处发生折断，开裂起始于轮齿的工作面靠近齿根处，其余轮齿未发生折断，在金属轮齿的工作面上均有印痕存在，其分布与断齿的断裂位置(见图 2)。
在体视显微镜下观察发现，断齿(编为 1#)起始开裂处的边缘存在明显的压痕，部分区域的表层金属已被压碎 ;2 个未断裂的轮齿(编号为 2# 和 3#)工作面上存在压痕、擦伤和破损现象，齿顶及其附近的非工作面上均有擦伤或破损痕迹存在，3# 轮齿非工作面局部区域存在麻点状锈蚀点。
断口微观形貌
扫描电镜观察断裂金属轮齿的断口形貌发现，断裂起始于轮齿的工作面侧，裂源区的断口形貌呈疲劳辉纹特征(见图 3、图 4、图 5)，裂纹扩展区的断口形貌呈疲劳辉纹特征(见图 6、图 7、图 8)。
化学成分分析
对金属齿轮进行化学成分分析，结果发现齿轮的成分符合 EN10084-1998 中 18CrNiMo7-6 的成分标准，结果见表 1。
低倍检验
在断裂的轮齿(1#)、未断裂的轮齿(2#、3#)上取横截面，腐蚀后发现轮齿的表面淬硬层完整，无明显差异。
金相检验
在 2# 轮齿上取纵截面，参照 GB/T 10561-2005 钢中金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法进行评级，轮齿的金属夹杂物评为 A 类细系 0.5 级，结果见表 2。
分别在 1# 轮齿的未损坏区域取横截面和纵截面、在 2# 轮齿对应于 1# 轮齿的损坏区域取横截面和纵截面进行金相检验，结果发现金属齿顶和齿根部位均存在微裂纹，齿面基本无微裂纹，但在 2# 轮齿的齿面上存在损伤凹坑;轮齿表面经过渗碳淬回火处理，渗碳层的金相组织为针状马氏体、贝氏体及残余奥氏体，轮齿心部的金相组织为回火马氏体 + 贝氏体，组织中存在带状偏析(见图 9~18)。
参照 GB/T 6394-2017 金属平均晶粒度测定方法，1# 轮齿和 2# 轮齿的晶粒度评为 7 级，形貌见图 19、图 20。
渗层深度测试
分别在 1# 轮齿的未损坏区域取横截面、在 2# 轮齿对应于 1# 轮齿的损坏区域取横截面，对齿顶、齿面、齿根进行有效硬化层深度的测定：1# 齿顶有效硬化层深度约为 4.2mm，2# 齿顶有效硬化层深度约为 2.6mm，1# 齿面有效硬化层深度约为 2.8mm，2# 齿面有效硬化层深度约为 2.4mm，1# 齿根有效硬化层深度约为 2.8mm，2# 齿根有效硬化层深度约为 2.6mm，1# 轮和 2# 轮齿的齿硬化层硬度变化曲线见图 21、22。
硬度检测
分别在1#轮齿(断裂齿)和2#(完整齿)轮齿的横截面上对基体进行硬度检测，1#轮齿的基体硬度为36.0~39.0HRC，表面硬度为56.6~59.5HRC，2#轮齿的基体硬度为38.5~40.0HRC，表面硬度为51.8~58.9HRC，结果见表3。
冲击试验
在金属齿轴半径的 1/3 位置取 1 组横向冲击试样，齿轴半径的 1/2 位置取 1 组纵向冲击试样，在 -40℃下进行冲击性能试验，结果见表 4。
三、分析讨论
实验结果表明：金属齿轴齿轮的成分符合成分符合 EN10084-1998 中 18CrNiMo7-6 的成分标准。2# 轮齿的轮齿的非金属夹杂物评为 A 类细系 0.5 级 ;1# 轮齿和 2# 轮齿的晶粒度评为 7 级 ;1# 轮齿的未损坏区域的齿顶和齿根部位均存在微裂纹，齿面基本无微裂纹 ;2# 轮齿对应于 1# 轮齿的损坏区域的齿顶和齿根部位均存在微裂纹，齿面基本无微裂纹，但有损伤凹坑存在 ;1# 轮齿和 2# 轮齿的表面均经过渗碳淬回火处理，渗碳层的金相组织为针状马氏体、贝氏体及残余奥氏体，轮齿心部的金相组织均为回火马氏体 + 贝氏体，组织中存在带状偏析 ;断裂轮齿和未断裂轮齿的表面淬硬层完整，无明显差异。1# 轮齿未损坏区域的有效硬化层深度：齿顶约为 4.2mm，齿面约为 2.8mm，齿根约为 2.8mm ;2# 轮齿对应于 1# 轮齿的损坏区域的有效硬化层深度 ：齿顶约为 2.6mm，齿面约为 2.4mm，齿根约为 2.6mm;1# 轮齿的基体硬度为36.0~39.0HRC，表面硬度为 56.6~59.5HRC，2# 轮齿的基体硬度为38.5~40.0HRC，表面硬度为 51.8~58.9HRC，齿轴材料在 -40℃的冲击值为 11~19J ;
金属齿轴齿轮上有 1 个轮齿在偏右侧发生疲劳折断，开裂起始于轮齿的工作面靠近齿根处，起始开裂处的边缘存在明显的压痕，部分区域的表层金属已被压碎。其余轮齿未发生折断，但在轮齿的工作面上均有压痕、擦伤和破损存在，其分布与断齿的断裂位置相对应。
从上述实验结果来看，在轮齿的未损坏区域，其齿面和齿根有效硬化层深度约为 2.8mm，齿根有微裂纹存在，为表面淬硬处理产生的缺陷。当齿轮在传动过程中，轮齿类似一根悬臂梁，承载后齿根处产生较大的弯曲应力，由于轮齿在交变的弯曲应力下工作，容易从齿根处的薄弱环节形成裂纹源，继而裂纹发生疲劳扩展，最终导致齿轮疲劳折断。
整个齿轮轮齿的右侧存在损伤痕迹，说明该区域受到异物挤压。至于异物的来源，很可能是折断轮齿部分。
四、结语
金属齿轮表面淬硬处理后表面有微裂纹存在，轮齿承载后齿根附近受到的应力较大，在交变应力的作用下轮齿发生了疲劳折断。
参考文献略.