Page 63 - 理化检验-物理分册2025年第二期

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质量控制与失效分析 DOI:10.11973/lhjy-wl240288

行星齿轮的断齿原因

宫秀勉

[莱茵技术（上海）有限公司，上海 200072]
摘 要：某行星齿轮在长期服役后发生开裂、断齿现象。采用宏观观察、化学成分分析、扫描电
镜及能谱分析、金相检验、硬度测试、渗碳层深度测试等方法对齿轮断齿的原因进行分析。结果表
明：1号齿轮中存在以Al 2 O 3 为主的非金属夹杂物，在循环载荷的作用下，材料产生了应力集中，疲劳
裂纹萌生并扩展，最终导致1号齿轮疲劳开裂；1号齿轮开裂使零件的有效承载面积减小， 应力增大，
进而导致2号和3号齿轮发生过载断齿事故。
关键词： 行星齿轮；疲劳开裂；过载断齿；夹杂物；晶间内氧化深度
中图分类号：TB31；TG115.2 文献标志码：B 文章编号：1001-4012(2025)02-0047-05
Reasons for planetary gear tooth breakage

GONG Xiumian
(Shanghai TÜV Rheinland Co., Ltd., Shanghai 200072)

Abstract: A certain planetary gear experienced cracking and tooth breakage after long-term service. The
reasons for gear tooth breakage were analyzed using macroscopic observation, chemical composition analysis, scanning
electron microscopy and energy spectrum analysis, metallographic examination, hardness testing, and depth testing
of the carburized layer. The results show that there were non-metallic inclusions mainly composed of Al 2 O 3 in the first
gear, which caused stress concentration and fatigue crack initiation and propagation under cyclic loading, ultimately led
to fatigue cracking of the first gear. The cracking of gear 1 reduced the effective load-bearing area of the component and
increased stress, and subsequently led to overload and tooth breakage accidents of gears 2 and 3.
Keywords: planet gear; fatigue cracking; overloaded tooth breakage; inclusion; depth of intragranular oxidation

随着全球对可再生能源需求的迅速增长，风力 某风电齿轮箱有一组（3 个）行星齿轮在运行
发电作为一种清洁、可再生的能源方式，其发展前 过程中发生断齿事故。这些行星齿轮的材料均为
[1]
景备受瞩目 。风电机组是风电场的核心设备，其 18CrNiMo7-6钢，表面热处理工艺为渗碳淬火+回
设计和性能直接影响风电的经济性和可靠性。风电 火。这些行星齿轮的设计预期寿命为20 a，某行星
机组中齿轮箱是连接风轮和发电机的关键部件，主 齿轮在相应的设备中运行了6 a就发生了开裂、断齿
要作用为将风轮的低转速提升到发电机所需的高转 情况。笔者采用一系列理化检验方法对该组行星齿
速。由于风力的不稳定性和风轮的巨大尺寸，风电 轮断裂的原因进行分析，并提出了改进措施，以避免
齿轮箱通常工作在高载荷、高扭矩和高冲击的环境 该类问题再次发生。
中。这些苛刻的工作条件对齿轮箱的设计、材料和 1 理化检验
[2]
制造工艺提出了极高的要求 。齿轮作为齿轮箱中
1.1 宏观观察
的重要组成部分，其较为常见的失效形式有齿面接
1~3号齿轮的宏观形貌如图1所示。 由图1可知：
触疲劳、齿根弯曲疲劳、齿面磨损、偏载、电蚀、点蚀、
1~3号齿轮中每个齿的中部位置沿齿轮运行方向均
变形、折齿等 [3-4] 。
发生了不同程度的变形，局部出现断齿现象；1号齿
轮从齿根至内表面存在一条明显的贯穿裂纹。
收稿日期：2024-10-08
将1号齿轮沿裂纹人工打开， 断口的宏观形貌如
作者简介：宫秀勉（1987-） ，女，硕士，工程师，主要从事金属
材料检测与失效分析工作，Linda.Gong@tuv.com 图2所示。由图2可知：断口表面可见明显疲劳弧线，
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