Page 78 - 理化检验-物理分册2025年第二期

厉旭旺，等：兆瓦级风机偏航齿轮箱中心轮断轴原因

行是保障风机稳定提升效能的重要保障之一。很多 题再次发生。
关于偏航驱动加速寿命测试、高精度故障监控的研 1 理化检验
究验证了偏航驱动扭矩、润滑条件、使用频率等因素
对偏航系统寿命的影响，发现扭矩和疲劳载荷对偏 1.1 宏观观察
航系统的影响最大，高扭力加速寿命测试装置已经 该机组偏航系统采用4台偏航电机驱动齿轮箱
被用于偏航系统的性能验证，后续也有很多研究人 提供动力，搭配液压制动完成偏航动作。4根断裂
员采用研究偏航轴承布置、优化传动结构和输出齿 及开裂中心轮的宏观形貌如图1所示。由图1可知：
等方法有效降低了扭矩和疲劳载荷，提升了偏航系 4根中心轮的输出齿和花键表面均无明显变形、开裂
统的稳定性。 及疲劳损伤，啮合痕迹正常，说明部件齿条、齿面强
某陆上风机的偏航驱动齿轮箱工作约 3 a后出 度无异常，不存在异常偏载现象；1号、2号中心轮从
现了多起4级中心轮断轴事故，引发同机组其余4级 花键侧轴肩位置断开，3号、4号中心轮未断开， 但轴
中心轮产生关联性断轴或电机过载损坏，直接影响 肩位置有不同程度的微裂纹；1号中心轮的断口表面
了整机运行的可靠性与经济性。笔者采用一系列理 摩擦磨损情况严重，断口初始特征消失，推测其最先
化检验方法，结合故障机组的运行状态，从设计制造 发生断裂，原因是中心轮断裂后的偏航电机依旧执
与使用方面分析了中心轮断轴的原因，计算了轴肩 行同步变桨指令而持续运转，导致两侧断口因转速
R角优化后的应力与寿命改善状态，以避免该类问 差而持续产生配合磨损，且持续时间较长。

图 1 4 根断裂及开裂中心轮的宏观形貌

2号中心轮断口的宏观形貌如图2所示。由图2 3号、4号中心轮轴肩位置均存在呈环绕形的不
可知：断口参差不齐，断面可以依照粗糙度、摩擦磨 连续裂纹（见图3），说明中心轮的轴肩位置为裂纹源
损程度、断面光泽情况区分为3个区域，a区为起源 区，且属于多源起裂。
与初始扩展区，裂纹围绕花键侧的轴肩不断向内部 1.2 安全性分析
扩展；b区为裂纹扩展区，断面相对平滑，颜色较暗， 2号中心轮强度校核结果如表1所示，其所在截
整体摩擦痕迹较轻；c区为瞬时断裂区，中心残留棘 面的轴强度设计安全系数如表2所示。 由表1，2可知：
轮状花样，瞬断区占比较小。推测该中心轮的断裂 2号中心轮的计算等效扭矩不超过极限转矩，各项强
性质为低应力扭转疲劳断裂。
度设计安全系数均满足GL IV-1∶2010 《工业服务规
则和指南 第4部分：风力涡轮机认证指南》的要求，
轴的危险截面计算结果满足设计要求，但接触强度
的安全系数设计值偏低，两个轴肩部位的安全系数
较小，轴肩部位为危险截面。
1.3 化学成分分析
2号中心轮的化学成分分析结果如表3所示。由
表3可知：2号中心轮的化学成分符合GB/T 3077—
图 2 2 号中心轮断口的宏观形貌 2015《合金结构钢》对20CrMnMo钢的要求。

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