風(fēng)電偏航驅(qū)動行星架開裂原因

燕友增,孟高強,曹 奇,吳 飛,張 皓

(明陽智慧能源集團(tuán)股份公司,中山 528400)

偏航驅(qū)動是風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)中的重要部件,而其中的行星架是安裝行星齒輪的零件。風(fēng)的方向是隨時間不斷變化的,而風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須迎著風(fēng)向才能最大效率地利用風(fēng)能,因此風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙也必須跟隨著風(fēng)向的變化來不斷改變方向,以保證始終處于迎風(fēng)狀態(tài)。偏航驅(qū)動中的第5級行星架材料為球墨鑄鐵QT700-2,其一般生產(chǎn)工藝流程為:熔煉→澆注→正回火熱處理→機(jī)械加工,偏航系統(tǒng)及偏航驅(qū)動內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 偏航系統(tǒng)示意及偏航驅(qū)動內(nèi)部結(jié)構(gòu)

某風(fēng)機(jī)運行5個月左右后不能正常偏航,經(jīng)拆解檢查發(fā)現(xiàn)偏航系統(tǒng)第5級行星架開裂損壞(見圖2),筆者采用一系列理化檢驗方法對該行星架的斷裂原因進(jìn)行分析,以防止該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

偏航減速機(jī)外觀正常,無漏油現(xiàn)象,目視檢查行星架上的裂紋和斷裂面,發(fā)現(xiàn)多條裂紋,并且同一行星架完全開裂位置不止一處,斷口宏觀形貌如圖3所示。裂紋源處于安裝行星輪的銷軸孔表面,未見明顯加工缺陷。

圖3 行星架斷口宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

從行星架上取樣,按照GB/T 20123—2016《鋼鐵總碳硫含量的測定高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法(常規(guī)方法)》方法A,分析C、S元素的含量,按照GB/T 20125—2006《低合金鋼多元素的測定電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》分析其他元素的含量,結(jié)果如表1所示,結(jié)果符合GB/T 1348—2019《球墨鑄鐵件》的要求。

表1 行星架的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 掃描電鏡(SEM)分析

從行星架上選取斷裂面,采用SEM 對裂紋源,即區(qū)域A 進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:斷面組織有解理臺階和河流花樣,還有球冠狀凹坑,該斷口呈脆性解理斷口形貌[1]。

圖4 斷面區(qū)域A的SEM 形貌

1.4 能譜分析

采用能譜分析儀對區(qū)域A進(jìn)行分析,結(jié)果如圖5所示,裂紋源處未發(fā)現(xiàn)明顯異常夾雜物[2]。

圖5 行星架試樣裂紋源處能譜分析結(jié)果

1.5 拉伸性能測試

在行星架上取樣,按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》進(jìn)行拉伸性能測試,結(jié)果如表2所示,由表2可知:結(jié)果符合GB/T1348—2019對QT700-2球墨鑄鐵的要求。

表2 行星架試樣的拉伸性能測試結(jié)果

1.6 夏比擺錘沖擊試驗

在行星架上取樣,按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進(jìn)行夏比擺錘沖擊試驗,測得的沖擊吸收能量如表3所示。

表3 行星架試樣的夏比擺錘沖擊試驗結(jié)果 J

1.7 硬度測試

在行星架上取樣,按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 231.1—2002《金屬布氏硬度試驗第1部分:試驗方法》進(jìn)行硬度測試,結(jié)果如表4所示,結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的220～270 HB。

表4 行星架試樣的硬度測試結(jié)果 HB

1.8 金相檢驗

在行星架上取樣,用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,按照GB/T 9441—2009《球墨鑄鐵金相檢驗》,腐蝕前檢測試樣的球化級別、石墨大小及數(shù)量,腐蝕后檢測試樣的珠光體和鐵素體數(shù)量,結(jié)果如表5、圖6所示,結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表5 行星架試樣的顯微組織測試結(jié)果

圖6 行星架試樣的顯微組織形貌

2 綜合分析

該偏航驅(qū)動是一款新設(shè)計的驅(qū)動,還處于樣機(jī)驗證階段,是兩臺樣機(jī)中的一臺,還未進(jìn)行批量驗證。其有限元分析結(jié)果如圖7所示,最大應(yīng)力位于安裝行星輪的銷軸孔處和立柱與平面的圓角過渡處,安全系數(shù)為1.56,滿足靜強度設(shè)計要求。

圖7 偏航驅(qū)動的有限元分析結(jié)果

該風(fēng)機(jī)僅運行了5個月左右,偏航驅(qū)動就發(fā)生了開裂現(xiàn)象,使用時間較短,經(jīng)風(fēng)場現(xiàn)場調(diào)查,測量偏航電機(jī)電壓、線路阻值均正常,電機(jī)可以正常轉(zhuǎn)動,電磁抱閘也可以正常松開。檢查機(jī)組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),機(jī)組存在偏航滑移,即偏航驅(qū)動存在被機(jī)組拖動的現(xiàn)象。偏航驅(qū)動拖動是指偏航驅(qū)動本來是通過電機(jī)轉(zhuǎn)動驅(qū)動機(jī)組偏航旋轉(zhuǎn),但由于各方面原因,偏航驅(qū)動電機(jī)在靜止的時候,機(jī)組被風(fēng)吹動,從驅(qū)動的輸出端傳遞力矩至減速機(jī)內(nèi)部。

由宏觀和微觀斷口形貌分析可知:宏觀檢查發(fā)現(xiàn)裂紋源處于安裝行星輪的銷軸孔表面,未見明顯加工缺陷;掃描電鏡觀察到斷口存在解理臺階和河流花樣,屬于脆性解理斷口形貌;能譜分析結(jié)果表明,裂紋源處沒有明顯異常夾雜物。

由化學(xué)成分分析、拉伸性能測試、硬度測試、金相檢驗結(jié)果可知:開裂行星架的化學(xué)成分、拉伸性能、硬度和顯微組織形貌均符合GB/T 1348—2019對QT700-2球墨鑄鐵的要求。

從分析結(jié)果來看,產(chǎn)品質(zhì)量各檢測項目都滿足設(shè)計要求,可以排除由于生產(chǎn)制造不當(dāng)導(dǎo)致失效的可能。裂紋源位于安裝行星輪的銷軸孔表面,結(jié)合設(shè)計分析來看,裂紋正位于最大應(yīng)力位置處,推測開裂原因為強度設(shè)計不足,或偏航承受的瞬時應(yīng)力過大[3]。查詢機(jī)組運行數(shù)據(jù),并未發(fā)現(xiàn)載荷過大的情況,但沖擊吸收能量非常低。行星架材料的抗沖擊性能較差,故不能承受沖擊載荷而發(fā)生開裂現(xiàn)象[4]。

3 結(jié)語和建議

該偏航驅(qū)動行星架發(fā)生脆性斷裂,裂紋源處于應(yīng)力最大處,即安裝行星輪的銷軸孔表面,行星架的夏比沖擊吸收能量低,抗沖擊能力差,偏航驅(qū)動在發(fā)生被動偏航滑移時,承受了較大的沖擊載荷,在應(yīng)力最大處產(chǎn)生裂紋,裂紋在較短的時間內(nèi)快速擴(kuò)展,最終導(dǎo)致材料脆性斷裂。建議改用塑性和韌性更好的QT500-14球墨鑄鐵材料或鍛鋼件材料生產(chǎn)偏航驅(qū)動齒輪箱行星架[5]。