摘 要:某型風(fēng)電偏航雙列球軸承外圈在服役過(guò)程中發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、 金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能測(cè)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(jié)果表明: 軸承外圈斷裂源部位存在應(yīng)力集中,接觸表面有摩擦塑性變形損傷,腐蝕部位產(chǎn)生疲勞裂紋并逐步 擴(kuò)展,最終導(dǎo)致軸承外圈發(fā)生斷裂。

關(guān)鍵詞:風(fēng)電偏航軸承;疲勞斷裂;應(yīng)力集中;摩擦損傷;腐蝕

中圖分類(lèi)號(hào):TB31;TH133.33+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):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(jī)艙 的底部,承載著風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的全部質(zhì)量, 并傳遞氣動(dòng)推力到塔架,可以準(zhǔn)確、適時(shí)地調(diào)整風(fēng)力 發(fā)電機(jī)的迎風(fēng)角度。偏航軸承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)及時(shí)追 蹤風(fēng)力變化的保證[1]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航變槳軸承 一般采用單排或雙排四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤(pán)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(diǎn)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(duì)其進(jìn)行一系列 理化檢驗(yàn)與分析,查明了該軸承的斷裂原因,以避免 該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

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(jiàn)斷口整體由4個(gè)獨(dú)立斷口組成,各獨(dú)立斷口斷 裂源均分布在裝球缺口與錐銷(xiāo)孔交接的尖角附近, 各斷口可見(jiàn)弧線狀疲勞輝紋,呈疲勞斷裂擴(kuò)展形貌。

1.2 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對(duì)斷裂軸承進(jìn)行化學(xué)成分分 析,結(jié)果如表1所示,可見(jiàn)斷裂軸承的化學(xué)成分符合 GB/T29717—2013《滾動(dòng)軸承 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航、變槳軸承》對(duì)42CrMo鋼的要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

在軸承外圈裝球缺口與錐銷(xiāo)孔斷裂位置取樣, 并進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖3所示,可見(jiàn)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(jí)為 7.0級(jí)。

1.4 力學(xué)性能測(cè)試

在斷裂軸承外圈基體處取樣,并進(jìn)行力學(xué)性能 測(cè)試,結(jié)果如表2所示,可見(jiàn)斷裂軸承的力學(xué)性能均 符合JB/T6396—2006《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù) 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(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(xiāo)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(biāo)記位置為斷裂源位置];錐銷(xiāo)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(duì)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(cè)其主要成分為鐵銹(見(jiàn) 圖5)。

2 綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)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(jiàn)異常。雙排 四點(diǎn)接觸球偏航軸承的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,軸承內(nèi)圈與機(jī)艙 連接,外圈和塔架頂部法蘭通過(guò)螺栓連接,錐銷(xiāo)孔和 安裝孔均勻分布,風(fēng)機(jī)在工作過(guò)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(jī)開(kāi)始偏轉(zhuǎn) 時(shí),偏航加速度會(huì)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(dòng)慣量增大,導(dǎo)致本來(lái)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(shí),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(qiáng)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(lái) 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(jiàn)表面損傷形態(tài),會(huì)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(kuò)展,形成疲勞擴(kuò)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(xiāo)孔結(jié)合部位 存在應(yīng)力集中,在錐銷(xiāo)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(kuò)展,導(dǎo)致軸承發(fā)生 疲勞斷裂。

建議在安裝使用軸承時(shí),加強(qiáng)軸承支撐剛度,確 保軸承套圈彈性變形可控;加強(qiáng)日常維護(hù)保養(yǎng)和監(jiān) 測(cè),避免在安裝孔、錐銷(xiāo)孔等應(yīng)力集中位置產(chǎn)生表面 損傷。

參考文獻(xiàn):

[1] 陳龍,杜宏武,武建柯,等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)用軸承簡(jiǎn)述 [J].軸承,2008(12):45-50.

[2] 尚艷濤,楊德勝,徐永智,等.風(fēng)電偏航變槳用四點(diǎn)接 觸球軸承錐銷(xiāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)[J].安陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào), 2018,17(2):40-41.

[3] 陳濤,李寧,廖美華,等.某車(chē)用平衡肘斷裂原因分析 [J].大型鑄鍛件,2018(4):44-45.

[4] 李平平,宮峰,李玉新,等.挖掘機(jī)直線行走閥芯斷裂 的原因[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2021,57(11):66- 70.

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