風(fēng)電偏航雙列球軸承外圈斷裂的原因

仵永剛

(1.洛陽LYC軸承有限公司，洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，洛陽 471039；3.河南省高端軸承產(chǎn)業(yè)研究院，洛陽 471039；4.河南省軸承技術(shù)創(chuàng)新中心，洛陽 471039)

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(fēng)力發(fā)電機主傳動系統(tǒng)的全部質(zhì)量，并傳遞氣動推力到塔架，可以準(zhǔn)確、適時地調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機的迎風(fēng)角度。偏航軸承是風(fēng)力發(fā)電機及時追蹤風(fēng)力變化的保證[1]。風(fēng)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(zhuǎn)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(fēng)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(jìn)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。

圖1 斷裂軸承外圈的宏觀形貌

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。

圖2 斷裂軸承外圈斷口處的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對斷裂軸承進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可見斷裂軸承的化學(xué)成分符合GB/T 29717—2013 《滾動軸承 風(fēng)力發(fā)電機組偏航、變槳軸承》對42CrMo鋼的要求。

表1 斷裂軸承的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

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(jìn)行金相檢驗，結(jié)果如圖3所示，可見斷裂軸承的顯微組織為回火索氏體調(diào)質(zhì)組織，晶粒度等級為7.0級。

圖3 斷裂軸承的微觀形貌

1.4 力學(xué)性能測試

在斷裂軸承外圈基體處取樣，并進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表2所示，可見斷裂軸承的力學(xué)性能均符合JB/T 6396—2006 《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù)條件》的要求。

表2 斷裂軸承的力學(xué)性能測試結(jié)果

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(jìn)行SEM分析，結(jié)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(yán)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0.5～1.5 mm，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(biāo)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。

圖4 軸承外圈斷口的SEM形貌

對斷口Ⅰ和斷口Ⅳ的斷裂源進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)斷口Ⅰ斷裂源處的化學(xué)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)。

圖5 斷口Ⅳ斷裂源處的能譜分析結(jié)果

2 綜合分析

由上述理化檢驗結(jié)果可知，斷裂軸承的化學(xué)成分、顯微組織、晶粒度、力學(xué)性能均未見異常。雙排四點接觸球偏航軸承的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軸承內(nèi)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電機開始偏轉(zhuǎn)時，偏航加速度會產(chǎn)生沖擊力矩。偏航轉(zhuǎn)速越高，產(chǎn)生的加速度就越大，使轉(zhuǎn)動慣量增大，導(dǎo)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定時，沖擊或交變載荷使軸承套圈產(chǎn)生一定的彈性變形，并引起內(nèi)部應(yīng)力重新分布。在軸承表面的邊界棱角處，棱角效應(yīng)增加，產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中。應(yīng)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(yīng)力集中部位的表面損傷加劇了應(yīng)力突變帶來的影響，在相同的應(yīng)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(dǎo)致軸承外圈斷裂。

3 結(jié)論與建議

風(fēng)電偏航軸承外圈裝球缺口與錐銷孔結(jié)合部位存在應(yīng)力集中，在錐銷孔內(nèi)壁塑性變形損傷及腐蝕部位產(chǎn)生疲勞裂紋源，裂紋逐步擴展，導(dǎo)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(hù)保養(yǎng)和監(jiān)測，避免在安裝孔、錐銷孔等應(yīng)力集中位置產(chǎn)生表面損傷。