風(fēng)機變槳軸承失效原因分析

常慶東，王 斌?，高 磊

（1.國家能源集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司銀川分公司，寧夏 銀川 7500000；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710000）

1 引言

在“碳達(dá)峰，碳中和”大背景下，風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔環(huán)保的可再生能源，能夠有效推進能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級，對治理大氣霧霾和轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式具有重要意義［1-2］。截至2021 年年底，我國風(fēng)力發(fā)電累計裝機容量穩(wěn)居世界首位，為社會產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益［3］，但是風(fēng)電機組服役過程中產(chǎn)生的材料失效問題日益突出，嚴(yán)重影響機組安全穩(wěn)定運行［4］。

變槳系統(tǒng)是風(fēng)電機組控制系統(tǒng)的核心，可自動調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機槳葉的迎風(fēng)角度，被廣泛應(yīng)用于變槳系統(tǒng)當(dāng)中［5-8］。但是變槳軸承在服役過程中因其工作環(huán)境惡劣，受力復(fù)雜，通常有來自葉片轉(zhuǎn)動過程傳來的空氣動力載荷、重力載荷、離心力載荷以及機組啟停過程產(chǎn)生的沖擊載荷［7］，易造成變槳軸承的失效。付洋洋［10］、陶鋼正［11］等人研究了風(fēng)機變槳軸承在腐蝕坑的誘發(fā)下引起的疲勞斷裂；薛永盛［12］等人研究了變槳軸承在原材料加工和熱處理工藝不當(dāng)下造成的斷裂；顧婷等人［13］研究了變槳軸承服役中出現(xiàn)微量磨損時軸承潤滑系統(tǒng)的維護升級；屈德斌等人［14］研究了變槳齒的磨損并提出解決方案；魏瑞濤等人［15］通過熱力學(xué)仿真分析研究了風(fēng)力變槳軸承因摩擦升溫導(dǎo)致的軸承老化和磨損問題。這些案例分別研究了變槳軸承失效的各類原因，對該結(jié)構(gòu)失效分析提供了解決思路與方案，本文從風(fēng)機變槳軸承的運行環(huán)境和基體質(zhì)量入手，通過宏觀檢查、化學(xué)成分分析、機械性能分析、金相及掃描與能譜分析等方法，對其疲勞裂紋產(chǎn)生的原因從基體本身到實際運行進行了全方位分析，并對變槳軸承后期維護提供了可行性建議，因此本文研究變槳軸承螺栓孔內(nèi)壁腐蝕坑引起的疲勞裂紋具有重要的意義，為后期風(fēng)電機組變槳軸承的制造、安裝、運行、維護提供了理論知識和經(jīng)驗支撐。

2 研究方法

2.1 研究對象

某風(fēng)電場安裝24 臺由東方電氣股份有限公司生產(chǎn)的單機容量為2.0 MW，型號為FD108C—2000的風(fēng)電機組，變槳軸承內(nèi)圈通過螺栓與輪轂連接在一起，軸承內(nèi)圈與外圈之間為滾道，滾道中放有鋼珠，變槳過程中鋼珠滾動連接軸承外圈轉(zhuǎn)動部分與內(nèi)圈固定部分，變槳齒輪與軸承上的齒輪嚙合驅(qū)動變槳軸承外圈轉(zhuǎn)動，葉片與變槳軸承外圈通過螺栓連接在一起，跟隨變槳軸承外圈一起轉(zhuǎn)動［16-25］，變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示［7］。

圖1 變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成Fig.1 The structure of the pitch system

2020 年1 月某機組3 號葉片隨變槳軸承外圈脫落，開裂部位位于連接葉片的螺栓孔至滾道之間的軸承，從輪轂側(cè)觀察發(fā)現(xiàn)3 條裂紋已貫穿螺栓孔至滾道之間，缺陷位置和形貌如圖2（a）所示，軸承材質(zhì)為42CrMo。在1 號位置滾道側(cè)截取縱向試樣，編號依次為1-1、1-2、1-3，如圖2（b）所示；在1 號位置齒輪側(cè)截取縱向試樣，編號為1-4，如圖2（c）所示；在2 號位置滾道側(cè)和齒輪側(cè)分別截取縱向試樣，編號為2-1、2-2，如圖2（d）所示；在3 號位置滾道側(cè)和齒輪側(cè)分別截取縱向試樣，編號為3-1、3-2，如圖2（e）所示。

圖2 裂紋缺陷所在部位及試樣取樣部位（a，裂紋缺陷所在部位；b，1-1、1-2、1-3號試樣取樣部位；c，1-4號試樣取樣部位；d.2-1、2-2號試樣取樣部位；e，3-1、3-2號試樣取樣部位）Fig.2 The location of the crack defec and sample sampling site（a，The location of the crack defect;b，Sample sampling site of 1-1、1-2、1-3；c，Sample sampling site of 1-4；d，Sample sampling site of 2-1、2-2；e，Sample sampling site of 3-1、3-2.）

2.2 分析方法

（1）宏觀檢查

通過對變槳軸承裂紋處宏觀特征的觀察，初步總結(jié)得到產(chǎn)生裂紋的可能原因，進一步對裂紋附近的基體等進行其他檢驗分析。

（2）化學(xué)成分分析試驗

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》（GB/T 223），使用可見分光光度計和高頻紅外碳硫分析儀對軸承基體進行化學(xué)成分分析，試驗結(jié)果依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《滾動軸承風(fēng)力發(fā)電機組偏航、變槳軸承》（GB/T 29717—2013）中42CrMo的化學(xué)成分要求。

（3）非金屬夾雜物試驗

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》（GB/T 10561—2005）對1-4 號試樣進行非金屬夾雜物試驗，實驗結(jié)果依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《滾動軸承風(fēng)力發(fā)電機組偏航、變槳軸承》（GB/T 29717—2013）中42CrMo的非金屬夾雜物級別要求。

（4）機械性能試驗

室溫拉伸試驗：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2010）在2號位置和3 號位置附近各取2 個縱向拉伸試樣，使用微機控制電子萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，試驗結(jié)果依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《大型合金鋼鍛件技術(shù)條件》（JB/T 6396—2006）中42CrMo的技術(shù)要求。

沖擊試驗：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》（GB/T 229—2007），在2 號位置和3 號位置附近各制取3 個55×10×10 mm 的V 型缺口沖擊試樣，使用半自動沖擊試驗機進行室溫沖擊試驗和-40 ℃下沖擊試驗，試驗結(jié)果依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《大型合金鋼鍛件技術(shù)條件》（JB/T 6396—2006）中42CrMo的技術(shù)要求。

硬度試驗：將1、2、3 號位置所取的8 個試樣依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料布氏硬度試驗第1 部分：試驗方法》（GB/T 231.1—2009）進行基體布氏硬度檢測，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料洛氏硬度試驗第1 部分：試驗方法》（GBT 230.1—2009）進行基體表面硬化層洛氏硬度計檢測，試驗結(jié)果依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《滾動軸承風(fēng)力發(fā)電機組偏航、變槳軸承》（GB/T 29717—2013）中42CrMo的技術(shù)要求。

有效硬化層深度檢測試驗：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》（GB/T 5617—2005）將1、2、3號位置所取的8個試樣使用洛氏硬度計進行有效硬化層深度檢測，從硬化層表面向內(nèi)1mm 開始進行洛氏硬度試驗，每間隔1.5mm測量一個點，直到測出硬度值小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的有效硬化層硬度下限為止，當(dāng)下限值處于相鄰兩個點硬度值之間時，通過線性擬合方式得出有效硬化層深度，標(biāo)準(zhǔn)《滾動軸承風(fēng)力發(fā)電機組偏航、變槳軸承》（GB/T 29717—2013）規(guī)定滾道有效硬化層深度為滾道表面到硬度值為48HRC 處的垂直距離，齒面和齒根有效硬化層深度為齒面或齒根表面到硬度值為40HRC 處的垂直距離。試驗結(jié)果依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《滾動軸承風(fēng)力發(fā)電機組偏航、變槳軸承》（GB/T 29717—2013）中42CrMo的技術(shù)要求。

（5）金相試驗

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》（GB/T 226—2015）對1-4 號試樣使用金相顯微鏡進行金相組織觀察和非金屬夾雜物檢測，試驗結(jié)果依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《滾動軸承風(fēng)力發(fā)電機組偏航、變槳軸承》（GB/T 29717—2013）中42CrMo的技術(shù)要求。

（6）掃描電鏡及能譜試驗

使用掃描電鏡（SEM）對1-1 試樣斷面進行形貌觀察，使用附帶的能譜儀（EDS）對腐蝕坑產(chǎn)物及進行定性分析。

3 結(jié)果與討論

表1 試驗儀器及設(shè)備Tab.1 Test instruments and equipment

3.1 宏觀檢查

從輪轂側(cè)端面觀察開裂部位，裂紋基本沿直線擴展，由螺栓孔至滾道側(cè)開裂長度為22 mm，如圖3（d）所示；螺栓孔內(nèi)由輪轂側(cè)端面向葉片側(cè)端面開裂，深度為80 mm，如圖3（a）所示；滾道側(cè)由輪轂側(cè)端面向葉片側(cè)端面開裂，深度為70 mm，如圖3（e）所示；將螺栓孔沿縱向剖開，可以看到螺栓孔內(nèi)壁沿周向均存在明顯的腐蝕坑，腐蝕區(qū)域覆蓋整個裂紋深度，如圖3（b）所示；將螺栓孔至滾道側(cè)的輪轂沿端面剖開，可見裂紋由螺栓孔向滾道側(cè)直線擴展，裂紋尖端已接近滾道側(cè)表面，如圖3（c）所示。

圖3 變槳軸承裂紋宏觀形貌（a，螺栓孔裂紋；b，螺栓孔內(nèi)壁形貌；c，裂紋尖端形貌；d，輪轂側(cè)端面裂紋；e，滾道側(cè)裂紋）Fig.3 Macromorphology of cracks in variable propeller bearings（a，cracks in bolt holes;b，The inner wall morphology of the bolt hole;c，Morphology of the crack tip;d，cracks on the side of the hub;e，cracks on the side of the raceway）

通過宏觀檢測分析可以得到，在螺栓孔內(nèi)壁腐蝕坑的作用下，由于螺栓孔中心與滾道連線方向軸承的有效壁厚較小，特別是螺栓孔與滾道油槽之間厚度遠(yuǎn)小于該方向其他部位，該方向應(yīng)力水平較高，導(dǎo)致裂紋最先出現(xiàn)在螺栓孔中心與滾道連線的方向。

3.2 化學(xué)成分分析試驗

在變槳軸承的基體上取樣進行化學(xué)成分定性定量分析，結(jié)果見表2。分析結(jié)果符合《滾動軸承風(fēng)力發(fā)電機組偏航、變槳軸承》（GB/T 29717—2013）中42CrMo的化學(xué)成分要求，說明制造變槳軸承的原材料化學(xué)成分符合產(chǎn)品性能的最終要求。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果（wt%）Tab.2 Chemical composition analysis results（wt%）

3.3 非金屬夾雜物試驗

對1—4 號試樣螺栓孔與齒輪之間的軸承基體進行非金屬夾雜物試驗，通過金相顯微鏡可以看出基體中存在彌散無規(guī)則分布的黑色顆粒，屬于球狀氧化物類非金屬夾雜物，未見其他非金屬雜物，如圖4 所示，四類非金屬夾雜物試驗結(jié)果見表3，符合《滾動軸承風(fēng)力發(fā)電機組偏航、變槳軸承》（GB/T 29717—2013）中42CrMo的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 非金屬夾雜物分析結(jié)果Tab.3 Analysis results of non-metallic inclusion

圖4 軸承基體端面非金屬夾雜物形貌Fig.4 Non-metallic inclusion morphology of bearing matrix end face

圖4 1-2號試樣金相組織（a，基體顯微組織；b，螺栓孔腐蝕坑附近顯微組織；c，裂紋擴展部位顯微組織;d，裂紋尖端附件顯微組織）Fig.4 Metallographic Organisation of Sample No.1-2（a，Matrix microstructure;b，Microstructure near bolt hole corrosion pit;c，Microstructure of crack propagation site;d，Crack tip attachment microstructure）

3.4 機械性能試驗

（1）常溫拉伸試驗：將2 號位置和3 號位置各制取的2 個拉伸試樣進行室溫拉伸試驗，結(jié)果見表4，試驗結(jié)果均符合《大型合金鋼鍛件技術(shù)條件》（JB/T 6396—2006）中42CrMo的技術(shù)要求。該結(jié)果表明材料的塑性和強度滿足服役條件。

表4 室溫拉伸試驗結(jié)果Tab.4 Tensile test results at room temperature

（2）沖擊試驗：將2 號位置和3 號位置制取的沖擊試樣進行室溫沖擊試驗和-40 ℃沖擊試驗，結(jié)果見表5 所示，2、3 號試樣軸承基體低于《大型合金鋼鍛件技術(shù)條件》JB/T 6396—2006 標(biāo)準(zhǔn)中的室溫沖擊吸收能量≥35 J 要求的下限和-40 ℃沖擊吸收能量≥27 J 要求的下限。該結(jié)果表明材料的韌性差、應(yīng)力集中敏感性高、抗疲勞性能低，導(dǎo)致螺栓孔附近的腐蝕坑成為機組運行過程中最薄弱部位。

表5 沖擊試驗結(jié)果Tab.5 Impact test results

（3）硬度試驗：將1、2、3 號位置所取的8 個試樣進行布氏硬度試驗（F=1.839 kN，D=2.5 mm），結(jié)果見表6所示，結(jié)果表明2-1試樣和3-2試樣基體硬度值略低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值，其余試樣基體布氏硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 布氏硬度試驗結(jié)果（HBW2.5/187.5）Tab.6 Brinell hardness test results（HBW2.5/187.5）

（4）有效硬化層測量試驗：將1、2、3號位置所取的8 個試樣進行有效硬化層深度和洛氏硬度試驗（150 kgf）測量，結(jié)果見表7 所示。結(jié)果表明滾道側(cè)1-3 試樣有效硬化層深度小于1.0 mm，表面硬化層硬度為46.7 HRC，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，齒輪測有效硬化層深度和硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表7 有效硬化層測量試驗結(jié)果Tab.7 Test results of effective hardening layer measurement

通過以上機械性能實驗表明變槳軸承基體應(yīng)力集中敏感性高、抗疲勞性能低，部分表面硬化層深度較小，硬度較低，說明變槳軸承表面硬化工藝不合格，未能很好改善材料本身的耐磨性及耐疲勞性。

3.5 金相組織試驗

在光學(xué)顯微鏡下對1-4號試樣進行金相組織檢驗，結(jié)果表明基體顯微組織為回火索氏體，存在輕微的帶狀組織偏析，平均晶粒度為6～7 級，如圖4（a）所示；螺栓孔內(nèi)表面存在明顯腐蝕坑，深度最大為0.36 mm，大部分腐蝕坑較為圓鈍，內(nèi)部充滿腐蝕產(chǎn)物，如圖4（b）所示；裂紋斷面附近的腐蝕坑較為尖銳，有向基體擴展的趨勢，如圖4（c）所示；螺栓孔內(nèi)壁腐蝕坑處存在沿晶的二次裂紋，組織為回火索氏體如圖4（d）所示。

變槳軸承與葉片連接的螺栓孔周向存在多處腐蝕坑，僅在螺栓孔中心與滾道連線方向的腐蝕坑易形成開裂源區(qū)，在該處形成疲勞損傷累積，進一步萌生多個疲勞微裂紋，在交變應(yīng)力與腐蝕共同作用下不斷向金屬基體內(nèi)沿晶擴展，相鄰的微裂紋逐步連接形成較大的疲勞裂紋并繼續(xù)向滾道側(cè)擴展。

3.6 掃描電鏡及能譜試驗

使用掃描電鏡對1-1號試樣螺栓孔附近斷面進行觀察，結(jié)果表明裂紋源區(qū)附近均存在腐蝕坑，如圖5（a）所示；裂紋擴展區(qū)可見典型的疲勞條紋和沿晶開裂，如圖5（b）和圖5（c）所示；裂紋終斷區(qū)可見典型的冰糖塊形貌，如圖5（d）所示。

圖5 1-1號試樣斷面SEM形貌（a，裂紋源區(qū)；b，擴展區(qū)；c，高倍擴展區(qū)；d，終斷區(qū)）Fig.5 SEM morphology of sample section No.1-1（a，Crack source area;b，Expansion area;c，Highpower expansion area;d，Terminal area）

對1-1試樣螺栓孔內(nèi)表面腐蝕產(chǎn)物進行能譜成分分析，能譜分析結(jié)果如圖6所示，結(jié)果表明腐蝕坑中的腐蝕產(chǎn)物處除O、Fe 外，還有Si、P、S、K、Ca 等元素，其中腐蝕性元素S的含量最高為0.58%。

圖6 1-1號試樣螺栓孔腐蝕產(chǎn)物能譜分析Fig.6 Energy spectrum analysis of corrosion products of bolt holes in sample No.1-1

通過掃描電鏡及能譜試驗分析，由于在疲勞循環(huán)過程中易形成滑移臺階，新生成的滑移臺階會通過化學(xué)吸附方式吸附氧形成氧化層，滑移臺階上的氧化物易沿滑移帶進入材料內(nèi)部，從而促進裂紋形成，腐蝕坑往往會成為金屬表面裂紋萌生的位置，因此大氣環(huán)境中氧的存在嚴(yán)重影響循環(huán)滑移的動態(tài)不可逆性。

4 結(jié)論

變槳軸承發(fā)生疲勞開裂的原因是表面硬化工藝不合格，工件表面抗疲勞與抗腐蝕性能降低，長時間暴露在空氣中，會在交變應(yīng)力較大的螺栓孔內(nèi)壁產(chǎn)生腐蝕坑，并且變槳軸承基體抗疲勞性能較低，對疲勞裂紋在其內(nèi)部的擴展起促進作用，當(dāng)裂紋進一步擴展至臨界尺寸時將會發(fā)生失穩(wěn)快速斷裂。

因此，后續(xù)為防止變槳軸承發(fā)生疲勞開裂，可采取以下措施：（1）嚴(yán)格控制變槳軸承與葉片連接的螺栓孔表面加工工藝，避免出現(xiàn)表面缺陷，并對螺栓孔表面采取防腐措施；（2）通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低變槳軸承螺栓孔與滾道之間軸承基體的應(yīng)力水平；（3）新變槳軸承的制造應(yīng)按照GB/T 29727 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行質(zhì)量控制、檢驗和驗收，避免存在材質(zhì)不合格的缺陷；（4）定期對在役風(fēng)機變槳軸承內(nèi)部缺陷進行無損檢測，發(fā)現(xiàn)裂紋等危害性缺陷應(yīng)進行修復(fù)或更換處理。