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.河南省高端軸承產業(yè)研究院，洛陽 471039；4.河南省軸承技術創(chuàng)新中心，洛陽 471039)

偏航軸承是偏航系統中的重要部件，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)現軸承外圈出現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/T 29717—2013 《滾動軸承 風力發(fā)電機組偏航、變槳軸承》對42CrMo鋼的要求。

表1 斷裂軸承的化學成分分析結果 %

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。

圖3 斷裂軸承的微觀形貌

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/T 6396—2006 《大型合金結構鋼鍛件 技術條件》的要求。

表2 斷裂軸承的力學性能測試結果

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0.5～1.5 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的斷裂源進行能譜分析，發(fā)現斷口Ⅰ斷裂源處的化學成分為42CrMo鋼基體成分，未發(fā)現夾雜物分布痕跡;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果

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。