风电齿轮箱行星齿轮用连铸坯的试验研究

□ 周明明

中车福伊特传动技术(北京)有限公司 北京 102202

1 试验研究背景

随着风电行业的快速发展,市场对风电齿轮箱的质量、成本、可靠性等提出了更高的要求。目前国内市场上大部分风电齿轮箱内部结构主要为行星排齿轮传动。对行星齿轮原材料的选择,大多用模铸材。由于模铸材生产效率低,能耗高,成坯率低,不能大批量供货,因此难以满足风电市场日益增长的需求。对此,很多企业都将目光投向了连铸坯。连铸坯用作一二级内齿圈的原材料早有应用,但对于连铸坯用作行星齿轮的原材料,业内存在一定的分歧。一种观点认为,目前连铸坯的质量与模铸材相比已经相差无几,甚至在某些项目上已经优于模铸材,如纯净度和氮、氢、氧有害气体等,而且使用连铸坯成本优势大,因此主张使用连铸坯。另一种观点认为,国内的连铸坯质量状况仍达不到国际标准,主张慎用连铸坯。针对这个问题,依据模铸材的质量采购要求,采购相同牌号合金钢连铸坯,锻造为齿轮锻坯,按要求对各项指标进行检验,检验结果均达到要求,并进行了相应的钢中非金属夹杂物的测定极值分析和旋转弯曲疲劳试验。由连铸坯加工成多组按照实际行星齿轮尺寸等效换算的能用于试验台进行试验的试样齿轮,分别进行齿根弯曲疲劳强度试验、齿面接触疲劳强度试验,最终得到的平均结果为齿根弯曲疲劳极限550 MPa、齿面接触疲劳极限1 670 MPa,均已满足ISO 6336-5:2016中给出的表面硬化渗碳淬火齿轮强度要求,因此满足设计要求。

2 合金钢连铸坯及模铸材冶金质量对比

为了确保试验的可靠性,在进行等效齿轮试验前,进行合金钢连铸坯与模铸材的冶金质量对比。在确保氢、氧、磷、硫含量基本相同,锻后热处理正火+回火工艺完全相同的条件下,在长期合作的连铸坯和模铸材供应商中任意抽取行星齿轮用连铸坯和模铸材各三个炉号,进行对比,锻后尺寸均为外径580 mm、内径300 mm、厚度400 mm。

钢材的化学成分见表1,钢材的残余元素含量见表2。

表1 钢材化学成分

表2 钢材残余元素含量

钢材的低倍组织及非金属夹杂物等级见表3。由表3中各数值可见,连铸坯和模铸材的低倍组织致密,无裂纹,非金属夹杂物很少,连铸坯和模铸材相比未见差异。

表3 钢材低倍组织及非金属夹杂物等级

钢材的非金属夹杂物检测结果见表4。采用钢中非金属夹杂物的显微检验方法,可以对非金属夹杂物进行分类测量,但存在面积小、偶然性大的缺陷。而采用非金属夹杂物测定极值分析,取样检测数量至少为24个检测面,用扫描电子显微镜进行检测,检测总面积为150×12 mm2,并用极值分析的方法对数据进行统计学分析,可以在最大程度上反映出非金属夹杂物的分布状态,降低偶然性,对于一定含量的非金属夹杂物,分析得到的数据具有唯一性。由检测结果可以看出,在非金属夹杂物等级检测相同的前提下,连铸坯的夹杂物相比模铸材尺寸大一些,纯净度相对差一些。

表4 钢材非金属夹杂物检测结果

3 旋转弯曲疲劳试验

在连铸坯内孔处制取45根标准圆柱试棒,连铸坯内孔处相对而言是夹杂物比较多的部分,在内孔处制取试棒进行试验更具有代表性。通过旋转弯曲疲劳试验机,获得室温下标准光滑试样单轴弯曲应力作用时被测材料的疲劳寿命曲线和基础疲劳强度值,并对疲劳断口进行失效模式分类与裂纹溯源。

试验在使用频率为50～100 Hz的悬臂式旋转弯曲疲劳试验台上进行,主轴转速采用3 000～6 000 r/min,直至进行到试样失效或达到规定的循环次数107,试验终止。根据得到的应力值和循环次数,确定疲劳寿命曲线和疲劳强度值。

在一定弯矩下,试样半径方向和轴向上的应力分布如图1所示。

▲图1 试样应力分布

根据试验结果绘制出试样疲劳寿命曲线,如图2所示。显然,循环次数为107的平均疲劳强度为780 MPa,循环次数为3×106的平均疲劳强度为840 MPa。通过计算极限试样的疲劳寿命变化,可以推断出99%可靠度3×106次循环的疲劳强度极限在700 MPa～720 MPa范围内。试样旋转弯曲疲劳强度见表5。

表5 旋转弯曲疲劳强度 MPa

失效试样断裂表面的扫描电子显微镜照片如图3所示。由图3可见,失效试样均为疲劳断裂,失效试样的大多数裂纹萌生位置来自加工表面,个别来自非金属夹杂物。对断裂处非金属夹杂物进行测量,最大尺寸为63.3 μm左右。

▲图2 试样疲劳寿命曲线

4 齿根弯曲疲劳强度试验

齿轮的失效形式如图4所示,大部分为齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合、塑性变形、齿根断裂、齿面断裂等。从故障失效机理分析,可分为材料疲劳相关故障和非材料疲劳相关故障。点蚀和齿根断裂是齿轮疲劳失效的典型表现。齿轮运行过程中应力分布如图5所示。从图5中可以看出,齿面接触应力和齿根弯曲应力相对最大,这两点也是试验的重点。

▲图3 失效试样表面扫描电子显微镜照片

▲图4 齿轮失效形式

为了消除单纯为试验加工样件带来的生产差异,试验齿轮的机加工过程和热处理过程均在现有设备生产能力的基础上进行,同时按照常规生产质量要求进行控制。

加工工艺流程为锻件粗车、精车、滚齿、齿廓倒角、渗碳淬火、抛丸、磨齿、酸洗检测、磁粉探伤,得到试验齿轮成品。

▲图5 轮齿应力分布

齿根弯曲疲劳强度试验用试样齿轮参数见表6。

表6 齿根弯曲疲劳强度试验试样齿轮参数

齿根弯曲疲劳强度试验台如图6所示。在恒定脉动载荷下,直至轮齿出现齿根弯曲疲劳失效或齿根应力循环次数达到6×106,试验终止,同时获得轮齿在试验应力下的一个寿命数据。

试验中,若出现下列情况之一,均应判为齿根弯曲失效:① 齿根出现可见疲劳裂纹;② 载荷或频率下降5%～10%;③ 沿齿根断齿。

根据25～30个试验点的脉动试验载荷,确定相应的疲劳寿命曲线,并根据ISO 6336-5:2016 将脉动试验结果转换为齿根弯曲疲劳极限。

▲图6 齿根弯曲疲劳强度试验台

5 齿面接触疲劳强度试验

齿面接触疲劳强度试验用试样齿轮参数见表7。

表7 齿面接触疲劳强度试验试样齿轮参数

试验在齿面接触疲劳试验台上进行,如图7所示。试验台以1 800 r/min的恒定速度驱动,齿面滑移速度为13～15 m/s。所有试验均在油雾润滑条件下进行,使用黏度等级为ISO VG 100 的矿物油,油温为60 ℃。当齿面出现接触疲劳失效或齿面应力循环次数达到规定的循环次数5×107时,试验终止,同时获得齿面在试验应力下的一个寿命数据。

▲图7 齿面接触疲劳强度试验台

试验在以下情况时终止:① 发生断齿;② 点蚀损坏后单齿点蚀面积率达到4%或齿轮副点蚀面积率达到0.5%。

每次试验运行后,通过扫描电子显微镜照片对点蚀损伤形貌、齿面位置、齿面齿序号、应力循环次数进行跟踪检查,并做描述和记录,根据ISO 6336-5:2016计算出齿面接触疲劳极限。

6 试验结果

齿根弯曲疲劳极限、齿面接触疲劳极限的平均值与标准给出的不同质量等级的参考值比较如图8所示。图8中,ME为齿轮材料品质和热处理质量最佳时得到的疲劳极限,MQ为齿轮材料品质和热处理质量中等时得到的疲劳极限,ML为齿轮材料品质和热处理质量最低时得到的疲劳极限。显然,连铸坯齿轮的齿根弯曲疲劳极限高于ME等级,同时表现出非常高的齿面接触疲劳极限,即齿面接触疲劳极限同样高于ME等级。

7 结束语

试验用的合金钢连铸坯的冶金质量与模铸材相比未见差异,由非金属夹杂物的测定检测结果可知,连铸量坯的非金属夹杂物大小为69.47 μm,模铸材的非金属夹杂物大小为48.90 μm,连铸坯相比模铸材,非金属夹杂物尺寸大。圆柱试棒的弯曲疲劳断口分析中,非金属夹杂物的最大长度为63 μm,与非金属夹杂物的测定检测结果相吻合。

▲图8 疲劳极限比较

由齿根弯曲疲劳强度试验及齿面接触疲劳强度试验得到的结果可知,齿根弯曲疲劳极限为550 MPa,齿面接触疲劳极限为1 670 MPa,均已达到并高于齿轮承载能力计算标准ISO 6336-5:2016中给出的表面硬化渗碳淬火齿轮ME等级强度要求,因此对于内孔不小于300 mm的行星齿轮而言,使用合金钢连铸坯作为原材料,能够满足设计要求。