近年來中國的風電產業蓬勃發展，2019年全國風電累計裝機容量達到210.05GW。但由于風力資源的限制，風力發電機組一般都建設在人煙稀少的地方，長期經受惡劣自然環境的侵蝕，造成其故障頻發，帶來經濟損失^[1]。齒輪箱失效占風電裝備失效的12%^[2]。風電齒輪箱作為整個風機傳動系統的核心部分，一旦發生損壞，風機將無法運行，將嚴重影響發電量。故其關鍵零部件（箱體、行星架、齒輪、軸承）等制造技術水平是影響風機裝備故障的主要因素。

材質為17CrNiMo6的1.5MW風電齒輪箱二級小齒輪斷裂，導致整個齒輪箱在運行過程中發生異常工作停滯而下塔維修。該零件加工工藝過程為：鍛造→正火→超聲波探傷→粗車→滾齒→滲碳淬火+回火→噴丸→精車→磨齒→磁力探傷。滲碳淬火+回火后再進行精車與磨齒工序加工。為此，本文通過齒面宏觀外貌觀察分析、微觀金相組織等一系列的理化試驗，對該二級小齒輪斷軸原因進行了分析。

斷裂二級小齒輪原始形貌見圖1。對斷裂二級小齒輪斷軸的斷口面進行清洗，觀察斷軸宏觀斷口形貌，并對斷軸的齒面進行觀察分析。將斷口碎片用掃描電鏡進行斷口微觀形貌分析，在斷軸二級小齒輪上切取兩件橫向宏觀金相試片，觀察二級小齒輪橫向宏觀金相組織形貌以及裂紋宏觀形態。在宏觀金相試片的裂紋處切取兩件微觀金相試樣，對裂紋的微觀形態進行分析。

圖1 二級小齒輪原始形貌

2.1 宏觀斷口形貌分析結果

對二級小齒輪斷軸碎片斷口進行清洗后觀察，如圖2所示，二級小齒輪于齒部發生大致45度斜向斷裂，斷口上疲勞輝紋明顯，這說明斷軸并非瞬間斷裂方式，而是疲勞斷裂方式，裂紋源產生后，逐漸擴展引起斷軸。擴展區（疲勞輝紋）占斷口總面積比例超過80%。裂紋源位于圖中箭頭標識位置O，即軸頸部R位置外表面一點。斷口上擦傷嚴重，裂紋源處已被嚴重破壞（見圖3）。箭頭標識位置O為裂紋源，即外表面一點，因外表面擦傷嚴重，裂紋源處已被嚴重破壞，取金相樣A樣。

圖2 二級小齒輪斷口形貌

圖3 裂源區形貌

2.2 非金屬夾雜物分析結果

按照GB/T10561-2005進行評定，材料中的非金屬夾雜物為：球狀氧化物類1級。如圖4所示。

圖4 非金屬夾雜物

2.3 金相組織

2.3.1 A樣

取二級小齒輪裂紋源附近試樣A樣進行金相觀察，結果如圖5所示。可以看出：1、裂紋源附近未見明顯材料缺陷（圖5a）；2、裂紋源區域斷口附近金相組織正常（圖5b）；3、軸頸部R處金相組織正常（圖5c）；4、芯部金相組織正常（圖5d）。

圖5 A樣金相組織（從左往右依次為a、b、c、d）

2.3.1 B樣

取二級小齒輪圖6中B樣外表面試樣進行金相觀察，觀察縱截面，結果如圖7所示。可以看出：（1）肉眼可見外表面存在兩層異常組織；（2）顯微觀察證實最外層為垂直于外表面的明顯的柱狀晶，且大晶粒明顯，組織形貌為鑄態組織，這說明經過了液態凝固過程，從組織形貌和分布狀態分析，該層為補焊層，厚約1mm，次表層為熱影響區。

圖7 B樣金相組織

二級小齒輪材料夾雜物級別不高。從宏觀形貌看，二級小齒輪斷口上疲勞輝紋明顯，這說明斷軸并非瞬間斷裂方式，而是疲勞斷裂方式，結合斷口與縱向大致呈45度斜向角度，認為斷裂為扭轉斷裂方式。裂紋源產生于圖2中的標識O位置，裂紋源產生后，經歷了較長時間擴展，最終引起斷軸。擴展區（疲勞輝紋）占斷口總面積比例超過80%，說明應力不大，非應力過大導致斷裂，屬于低應力高周疲勞斷裂。

從金相觀察結果看，二級小齒輪裂紋源附近未見明顯材料缺陷，金相組織正常。觀察外表面肉眼可見存在兩層異常組織，最外層為垂直于外表面的明顯的柱狀晶，且大晶粒明顯，這說明經過了液體凝固過程，分析認為，該層為補焊層，次表層為熱影響區。

綜合分析，二級小齒輪靠齒端軸頸處表面經過了補焊。零件在進行補焊時，補焊區和熔合區有合金元素和碳擴散等，存在一個過渡區，該處化學成分和金相組織不均勻，物理性能、力學性能有較大差異，可能引起缺陷或降低材料性能^[3]。導致在補焊區域組織異常及存在焊接應力和熱影響區等不利因素，而該區域為薄弱區域，在交變工作應力條件下，于該處形成疲勞裂紋源，隨后裂紋逐漸擴展，經歷較長時間后，最終引起斷軸，隨后造成齒輪箱運行異常。

該二級小齒輪斷軸性質為疲勞斷裂，疲勞源處于圓周邊緣，斷裂性質為扭轉疲勞斷裂。二級小齒輪疲勞源于表面。其形成原因是二級小齒輪經過了補焊，補焊區域組織異常及存在焊接應力和熱影響區等不利因素促進了疲勞裂紋的萌生。二級小齒輪發生疲勞斷裂主要為表層補焊造成綜合性能降低有關。

通過本次失效事故的分析，建議二級小齒輪類鍛件零件在生產過程中，應嚴格把控質量檢驗關，以避免后期質量事故發生。本著對產品負責、對行業負責的態度，對設備缺陷應進行深入研究，對可以修復的缺陷應有可靠的質量保證措施，并真正能得到落實和實施，不能修復的產品應予以報廢處理。

參考文獻：

[1]王軍偉. 風電齒輪箱的故障分析及診斷[J]. 應用技術, 2014, 247(8): 91-93.

[2]王晶晶, 吳曉玲. 風電齒輪箱的發展及技術分析[J]. 機械傳動, 2008, 32(6): 5-8.

[3]李崇崇, 張磊磊, 霍曉磊等. 焊接工藝在42CrMo特大型轉盤軸承返修中的應用[J]. 軸 承, 2013, (6): 26-28.

作者：重慶齒輪箱責任有限公司 劉新川，王平，楊才興