风电齿轮箱是风电装备中的核心部件之一，齿轮箱中的各个齿轮，属于重载齿轮，所组成的零部件主要有齿轮及轴承等零部件构成，相对并不复杂，但由于密封于箱体内部，在产生故障时，相互间会迅速产生次生灾害，因此首次失效零件的失效信息往往容易被掩盖或者彻底破坏，致使首断件鉴别与判断产生困难，甚至出现无法给出准确原因的状况。该种情况下，首先失效件的判断所考虑的要素应按系统性分析来推理，并通过同类型多次失效分析进行综合分析找到真正原因。

　　一、齿轮箱失效主要的几种形式

　　风电齿轮失效可分为两大类：轮体失效和轮齿失效。轮体失效一般情况下很少出现，因此齿轮的失效通常是指轮齿失效。所谓轮齿失效是指齿轮在运转过程中由于某些原因导致轮齿在尺寸、形状以及材料性能等方面发生改变而不能正常完成工作。轮齿失效形式主要有折断、点蚀、磨损等等。

　　失效箱发生故障，往往需要进行系统分析，且具体问题具体分析，排除次生损伤，依据首要失效件失效特征，判断失效成因，依据成因，齿轮箱失效主要分为以下几种类型失效：

　　1、断齿

　　齿轮啮合发生断齿概率较低，发生局部崩齿现象稍多，极少出现齐根剪断所有齿的案例。这种情况主要不是设计问题，往往与制造相关，如是设计问题，根本无法通过出厂试验。

　　齿轮局部崩齿，主要可能的原因是心部过脆，抗冲击性能差，啮合轮齿间轴的直线度降低导致偏斜引起的轮齿局部啮合应力过大，形成局部疲劳断齿。另一个就是渗碳淬火导致的齿面氢致裂纹，这些裂纹有可能导致断齿发生。

　　齿轮秃齿(现象为齐根断，断面发生严重塑形变形)，主要是轮齿心部偏软，硬度不足造成的，当安全系数较高时，即使心部偏软也较难出现，有时以局部疲劳断齿形式展现，但齿轮抗瞬时大应力冲击能力显著降低，会发生轮齿塑形变形累积导致最终秃齿。

　　轮齿折断分两种，一种是疲劳折断：齿轮在传递动力时，相当于一根悬臂梁，齿根受到的弯矩应力最大，齿根过渡圆角处具有非常大的应力集中。传递载荷时，轮齿根部所受的弯矩随着啮合点的改变而变化，长时间交变载荷使得齿根应力集中处产生疲劳裂纹，随着载荷重复次数的增加，裂纹不断扩展，最终导致轮齿折断。另一种是过载折断：短时间过载或受到过大的冲击载荷导致轮齿突然折断。

　　为了提高轮齿的抗折断能力，可以采取以下措施：

　　1)选择适当的齿宽和模数，保证轮齿强度;

　　2)采用合适的材料和热处理方法;

　　3)增大齿根过渡圆角半径，减小齿面粗糙度，对齿根表面进行强化处理。

　　2、磨损

　　正常磨损是非常小的，因为齿轮啮合时的齿面接触为为渐开线接触，几乎不发生相对滑动，并且因润滑油的作用，精度较高的齿轮正常磨损非常微小。除非润滑油发生严重的长时间的失去作用，会导致啮合齿轮及轴承的干摩擦，该类型一般难于看到，主要是管理问题。异常磨损则属于技术范畴，因卡阻导致的磨损大量增加，即滑动代滚动行为出现，如润滑油发现快速发黑，但滑油油质分析未发现严重变性，只是发生铁屑增加时，应该该考虑异常卡阻问题主要在轴承上，齿轮上则较少出现，出现异常磨损往往与油膜无法有效建立相关，磨屑增多及滑油粘度异常也有关联关系，另外是滑油变性，或水分等腐蚀齿轮的成分增大时，也会出现齿轮磨损增大。

　　齿轮传动时，轮齿受载荷作用，同时接触的两齿间有相对滑动，故而发生磨损。齿面磨损速度符合预期，则正常，正常磨损的齿面光亮，且不影响齿轮正常工作。齿面磨损严重时，渐开线轮廓被破坏，齿侧间隙增大从而导致传动不平稳，产生冲击和噪音，甚至导致轮齿折断。

　　磨损的原因有很多：

　　1)轮齿工作齿面间的相对滑动;

　　2)有金属微粒、灰尘、污染物等进入啮合区;

　　3)润滑不良。

　　为了减少齿面磨损，可以：

　　1)提高齿面硬度;

　　2)降低齿面粗糙度;

　　3)采用润滑良好的闭式传动。

　　3、齿面咬合

　　齿轮箱内的齿轮发生靠近齿尖部(多存在节圆上侧位置，)为啮合时，轮齿啮合面上部发生大量的掉片，划伤，应该考虑加工精度问题、装配形成的啮合间隙问题，以及零件变形因素，通过技术文件找出加工安装资料，辅以测量结果综合判断其真正原因。当出现局部零件变形引起的齿面咬合现象时，可通过齿面损伤的对称性及分布规律性来推理原因，另外齿面硬度是否足够，大型齿轮是否存在软点或软区(铸坯就存在锭型偏析问题，质量检验可能检验不到)。

　　在高速重载齿轮传动中，由于滑动速度高而产生的瞬时高温会使油膜破裂，造成齿面间的粘焊现象，粘焊处被撕裂，齿面沿滑动方向均会产生沟痕，这种胶合胶合称为热胶合。在低速齿轮传动中，不易形成油膜，摩擦热不大，但也可能因重载产生冷粘着，这种胶合称为冷胶合。

　　减少胶合的措施：

　　1)适当提高齿轮表面硬度;

　　2)降低齿轮表面粗糙度;

　　3)两齿轮选用不同材料。

　　4、轴承卡阻

　　装配游隙小及细小异物导致轴承短时卡阻，滑油补充不足，轴承的运行温度显著升高，发生轴承过热损伤等异常。缺油可导致的轴承的热损伤和塑性变形，反应在齿轮箱故障现象上为，齿轮箱运转噪声增大。一般这种情况下，在最后快速失效后期会产生严重的烧伤痕迹，导致失效典型信息可能无法找到。因此，出现噪声增大时应及时停机检查机件损伤状况，判断准确原因和评估损伤程度并对其环境进行清洁。

　　5、疲劳剥蚀

　　行星轮、太阳轮及内齿圈的疲劳剥蚀。现象为齿面出现大量麻坑，滑油出现大量铁屑。这种失效方式往往与啮合间隙发生异常，滑油变性，啮合间隙微细金属屑较多，局部啮合应力高过轮齿承受力(轻微过载)，齿轮热处理不当等因素有关。

　　轴承滚道剥蚀。现象麻坑，滑油发黑。成片的滚道脱落，产生原因主要是过载，滚道细小异物导致的支撑油膜破坏，形成点状局部严重过载，往往易形成的疲劳点蚀行为(热烧伤引起的剥蚀);另外零部件热处理不当，部分综合性能较差时也会发生疲劳点蚀行为。

　　6、行星轮开裂

　　行星轮发生开裂现象主要是内孔疲劳问题，渗碳齿轮发生轴向开裂往往与疲劳相关，疲劳一般不发生于硬度高的位置，只发生硬度较软的地方，因此，与轴承外圈配合的齿轮内孔往往发生疲劳破坏的源头。疲劳往往与零件整体刚度不足有关，过薄的轮缘壁厚导致支撑力不够，外来交变挤压力峰值过大时，其发生弹性变形尺度较大，轴承游隙瞬时变小，导致瞬时卡阻，使得齿轮内孔与轴承外圈发生短时大位移的滑动摩擦，相互间形成积屑瘤，这一积屑瘤导致该微区齿轮内孔的切向拉应力很大，形成应力集中点，一旦在其犁沟底部等轴向微裂纹发生疲劳开裂启动，则在应力集中作用及正常交变力作用下产生裂纹扩展，最终导致齿轮的疲劳断裂。

　　以下是行星轮内孔疲劳的几则图示：

　　二、齿轮箱的结构要素

　　首先齿轮箱中主要零部件为相互啮合的齿轮及实现平稳转动的轴承，无论是齿轮间的啮合还是轴承内部的滚珠与滚道间的接触受力状况均为赫兹接触，理论上为点接触或者线接触，实际上是弹性的、非均匀的面接触，零部件间相互运动时要求几乎无相对滑动，同时只发生弹性变形。当齿轮轮齿表面或者轴承零部件出现塑性变形及严重的磨损时说明已经脱离其正常的受力环境了。

　　增速齿轮箱，一定含有齿轮及轴承，除此以外就是各种固定及辅助零件。齿轮包含行星轮、太阳轮及内齿圈等。其中最外侧的内齿圈相对于变速箱而言是不动的，而行星轮既有公转又有自转，中心的太阳轮只有自转，但是浮于多个行星轮中间，本身的直线度以及各齿间中心轴线的平行度在运行过程中是在一定范围内发生变动的，这造就了各个零部件工作运行的力学环境，因此发生失效时，首先考虑各个零部件系统结构及其受力环境分析。

　　三、外形结构与受力分析

　　斜齿与直齿各有特点，斜齿首先啮合冲击相对较小，运行受力相对均匀平稳，啮合噪声相对较小，但是该结构会产生周向分切力需要通过止推轴承等部件来抵消增加了结构复杂性;而直齿啮合过程中噪声大，与斜齿相比，在相同啮合间隙下，其齿间啮合存在瞬时接触冲击较大，因此，噪声较高，但几无周向分力。各有其优缺点，可见二者并无太大的高下之别。在失效时应该考虑齿轮本身及周围环境对其作用力状况，周围环境损伤痕迹等。

　　对高频次往复交变受力零件就一定存在疲劳问题，齿轮箱设计主要考虑齿轮轮齿的抗接触疲劳因素，因此，接触疲劳往往是设计师们考虑的重点方向。但是齿轮轮齿齿面接触疲劳，有时还与冷热加工精度有关，外形加工可通过多种手段检验，而内在热处理质量则只能通过齿形样、首检、抽检等发现问题，相对难度较大些，易出现漏检问题。当齿面渗碳形成的沿晶分布的角块状碳化物时，因淬火软点等导致接触抗疲劳差，在齿轮面上不一定是处处存在，有时是局部存在，导致漏检，这一问题及风险可通过增加检查及检验频次解决。

　　受力分析不应该仅考虑稳态的啮合力，安全系数考虑过低时，虽然满足稳态应用要求，但抗异常非稳态的冲击力或者额外载荷的能力就相应较低，出现失效概率增加。系统冲击力与外来冲击载荷，柔性缓冲设计，自身转动惯量等因素相关，如紧急制动，切向风等对齿轮箱的冲击要考虑，有时冲击力是稳态运行时的几倍力量，产生的损伤虽然短时非致命，但累积起来则对系统失效影响还是很大的，如齿轮开裂、崩齿等现象。

　　四、选材及热处理不当

　　选材一般采用材料手册中参数和一般行业经验来选择，相对出现问题较少，采用新材料一般都非常小心，经过大量实验验证后才敢大批量应用，一般不会出现问题。但是有时用错料等情况，这一般与原材料进厂把关不严或者存放转运等混乱有关，是质量管理问题。

　　零部件热处理不当引起的组织状态异常，同时检验不够全面或者辨识错误引起的问题相对较多。主要体现在工厂只检硬度，金相只检齿形样，往往部分金相组织的判断识别忽视，拉伸冲击只检齿根部位，其他位置不太关心，这往往会出现对热处理不能全面把控。

　　多次失效证明：当热处理质量过关，但轮缘厚度设计偏小时，或因热处理淬火冷却速度低出现大量非马氏体，而导致齿轮壁厚方向偏软，组织中上贝氏体过多引起机械性能较差时，均易出现内孔疲劳或者断齿现象。相比较而言齿面出现大角块状碳化物、硬度梯度相对较易发现，齿形样一般会显示出来， 但是齿面碳含量及氢含量等指标一般不去过度关注，有时也会导致渗碳齿面氢致延迟裂纹的发生，渗碳淬火并磨齿后应该进行渗透探伤，发现齿面显微裂纹，一旦漏网可能会出现断齿现象，甚至形成严重次生破坏，导致无法准确找到真正事故原因。

(渗碳过程同时也会同时渗氢，后期脱氢不彻底导致的晶界弱化而产生的氢致开裂)

　　五、运行管理

　　这个问题相对较难掌控，因设计到的人员繁多，相互专业专长差异较大。运行管理过程中部分技术规法，应该由设计人员(专家)与现场维护人员(专家)共同制定，经过多方运行管理后发现问题及时更新添减项目，形成更好的适于工况条件的运维规范，并采用运行记录及日志管理，形成过程数据资料，结合系统本身的自动监控数据均对事故调查有极大的好处，可帮助快速鉴别故障类型，快速预判失效原因作用很大。

　　六、发现故障一般处理常识

　　首先，迅速判断防止次生灾害的继续发生；

　　其次，记录下事故所有可能的现象，可采用文字记录、影像、音频等形式；

　　再次，保护损伤断面，防止接触热潮湿氧化环境；

　　最后，积极搜寻齿轮箱文档及运行数据资料等备查信息。