摘 要:某型風電偏航雙列球軸承外圈在服役過程中發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、化學成分分析、 金相檢驗、力學性能測試、掃描電鏡及能譜分析等方法,分析了該軸承外圈斷裂的原因。結果表明: 軸承外圈斷裂源部位存在應力集中,接觸表面有摩擦塑性變形損傷,腐蝕部位產生疲勞裂紋并逐步 擴展,最終導致軸承外圈發(fā)生斷裂。
關鍵詞:風電偏航軸承;疲勞斷裂;應力集中;摩擦損傷;腐蝕
中圖分類號:TB31;TH133.33+1 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)01-0054-03
偏航軸承是偏航系統(tǒng)中的重要部件,位于機艙 的底部,承載著風力發(fā)電機主傳動系統(tǒng)的全部質量, 并傳遞氣動推力到塔架,可以準確、適時地調整風力 發(fā)電機的迎風角度。偏航軸承是風力發(fā)電機及時追 蹤風力變化的保證[1]。風力發(fā)電機組偏航變槳軸承 一般采用單排或雙排四點接觸球轉盤軸承,承受著 較大的軸向力、徑向力以及傾覆力矩的共同作用[2]。
某型雙排四點接觸球風電偏航軸承在服役期間 出現(xiàn)多起軸承外圈斷裂情況,筆者對其進行一系列 理化檢驗與分析,查明了該軸承的斷裂原因,以避免 該類問題再次發(fā)生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
斷裂軸承外圈的宏觀形貌如圖1所示,發(fā)現(xiàn)軸 承外圈出現(xiàn)貫穿斷裂或局部斷裂,并且軸承套圈斷 裂位置非常一致,均位于外圈裝球缺口部位。
斷裂軸承外圈斷口處的宏觀形貌如圖2所示, 可見斷口整體由4個獨立斷口組成,各獨立斷口斷 裂源均分布在裝球缺口與錐銷孔交接的尖角附近, 各斷口可見弧線狀疲勞輝紋,呈疲勞斷裂擴展形貌。
1.2 化學成分分析
采用直讀光譜儀對斷裂軸承進行化學成分分 析,結果如表1所示,可見斷裂軸承的化學成分符合 GB/T29717—2013《滾動軸承 風力發(fā)電機組偏航、變槳軸承》對42CrMo鋼的要求。
1.3 金相檢驗
在軸承外圈裝球缺口與錐銷孔斷裂位置取樣, 并進行金相檢驗,結果如圖3所示,可見斷裂軸承的 顯微組織為回火索氏體調質組織,晶粒度等級為 7.0級。
1.4 力學性能測試
在斷裂軸承外圈基體處取樣,并進行力學性能 測試,結果如表2所示,可見斷裂軸承的力學性能均 符合JB/T6396—2006《大型合金結構鋼鍛件 技術 條件》的要求。
1.5 掃描電鏡(SEM)與能譜分析
在軸承外圈斷口處截取試樣,并進行SEM 分 析,結果如圖4所示,其中斷口Ⅱ和斷口Ⅲ的斷裂源因受到擠壓摩擦而被嚴重破壞。由圖4可知:斷 口Ⅰ斷裂源位于孔壁摩擦塑性變形溝槽底部,斷口 Ⅳ斷裂源位于孔壁腐蝕坑底部,斷口Ⅰ和斷口Ⅳ的 斷裂源均位于錐銷孔的孔壁處,與裝球缺口的距離 為0.5~1.5mm,斷裂源位置有明顯的金屬塑性變 形和擠壓摩擦痕跡,呈溝槽狀[圖4a),4c)圓圈所示 標記位置為斷裂源位置];錐銷孔的孔壁有大量沿圓 周方向分布的摩擦塑性變形痕跡,局部銹蝕明顯。
對斷口Ⅰ和斷口Ⅳ的斷裂源進行能譜分析, 發(fā)現(xiàn)斷口Ⅰ斷裂源處的化學成分為42CrMo鋼基 體成分,未發(fā)現(xiàn)夾雜物分布痕跡;斷口Ⅳ斷裂源處 主要含有Fe、O元素,推測其主要成分為鐵銹(見 圖5)。
2 綜合分析
由上述理化檢驗結果可知,斷裂軸承的化學成 分、顯微組織、晶粒度、力學性能均未見異常。雙排 四點接觸球偏航軸承的結構復雜,軸承內圈與機艙 連接,外圈和塔架頂部法蘭通過螺栓連接,錐銷孔和 安裝孔均勻分布,風機在工作過程中受軸向力、徑向 力和傾覆力矩的聯(lián)合作用。風力發(fā)電機開始偏轉 時,偏航加速度會產生沖擊力矩。偏航轉速越高,產 生的加速度就越大,使轉動慣量增大,導致本來就很 大的沖擊力矩成倍增加[1]。
在軸承支撐剛度不能保證軸承受力后的結構穩(wěn) 定時,沖擊或交變載荷使軸承套圈產生一定的彈性 變形,并引起內部應力重新分布。在軸承表面的邊 界棱角處,棱角效應增加,產生嚴重的應力集中。應 力集中削弱了軸承的強度,降低了軸承的承載能力, 是引起軸承破壞的主要因素[3]。
應力集中部位的表面損傷加劇了應力突變帶來 的影響,在相同的應力水平作用下,軸承的疲勞壽命 隨著表面粗糙度的增加而降低[4]。塑性變形凸起、劃痕、腐蝕坑等都是常見表面損傷形態(tài),會降低軸承 表面完整性,并在環(huán)境和交變載荷的影響作用下誘 發(fā)顯微裂紋,形成疲勞裂紋源。裂紋在交變沖擊載 荷的作用下逐步擴展,形成疲勞擴展特征,最終導致 軸承外圈斷裂。
3 結論與建議
風電偏航軸承外圈裝球缺口與錐銷孔結合部位 存在應力集中,在錐銷孔內壁塑性變形損傷及腐蝕 部位產生疲勞裂紋源,裂紋逐步擴展,導致軸承發(fā)生 疲勞斷裂。
建議在安裝使用軸承時,加強軸承支撐剛度,確 保軸承套圈彈性變形可控;加強日常維護保養(yǎng)和監(jiān) 測,避免在安裝孔、錐銷孔等應力集中位置產生表面 損傷。
參考文獻:
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