摘 要:某型风电偏航双列球轴承外圈在服役过程中发生断裂。采用宏观观察、化学成分分析、 金相检验、力学性能测试、扫描电镜及能谱分析等方法,分析了该轴承外圈断裂的原因。结果表明: 轴承外圈断裂源部位存在应力集中,接触表面有摩擦塑性变形损伤,腐蚀部位产生疲劳裂纹并逐步 扩展,最终导致轴承外圈发生断裂。
关键词:风电偏航轴承;疲劳断裂;应力集中;摩擦损伤;腐蚀
中图分类号:TB31;TH133.33+1 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)01-0054-03
偏航轴承是偏航系统中的重要部件,位于机舱 的底部,承载着风力发电机主传动系统的全部质量, 并传递气动推力到塔架,可以准确、适时地调整风力 发电机的迎风角度。偏航轴承是风力发电机及时追 踪风力变化的保证[1]。风力发电机组偏航变桨轴承 一般采用单排或双排四点接触球转盘轴承,承受着 较大的轴向力、径向力以及倾覆力矩的共同作用[2]。
某型双排四点接触球风电偏航轴承在服役期间 出现多起轴承外圈断裂情况,笔者对其进行一系列 理化检验与分析,查明了该轴承的断裂原因,以避免 该类问题再次发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
断裂轴承外圈的宏观形貌如图1所示,发现轴 承外圈出现贯穿断裂或局部断裂,并且轴承套圈断 裂位置非常一致,均位于外圈装球缺口部位。
断裂轴承外圈断口处的宏观形貌如图2所示, 可见断口整体由4个独立断口组成,各独立断口断 裂源均分布在装球缺口与锥销孔交接的尖角附近, 各断口可见弧线状疲劳辉纹,呈疲劳断裂扩展形貌。
1.2 化学成分分析
采用直读光谱仪对断裂轴承进行化学成分分 析,结果如表1所示,可见断裂轴承的化学成分符合 GB/T29717—2013《滚动轴承 风力发电机组偏航、变桨轴承》对42CrMo钢的要求。
1.3 金相检验
在轴承外圈装球缺口与锥销孔断裂位置取样, 并进行金相检验,结果如图3所示,可见断裂轴承的 显微组织为回火索氏体调质组织,晶粒度等级为 7.0级。
1.4 力学性能测试
在断裂轴承外圈基体处取样,并进行力学性能 测试,结果如表2所示,可见断裂轴承的力学性能均 符合JB/T6396—2006《大型合金结构钢锻件 技术 条件》的要求。
1.5 扫描电镜(SEM)与能谱分析
在轴承外圈断口处截取试样,并进行SEM 分 析,结果如图4所示,其中断口Ⅱ和断口Ⅲ的断裂源因受到挤压摩擦而被严重破坏。由图4可知:断 口Ⅰ断裂源位于孔壁摩擦塑性变形沟槽底部,断口 Ⅳ断裂源位于孔壁腐蚀坑底部,断口Ⅰ和断口Ⅳ的 断裂源均位于锥销孔的孔壁处,与装球缺口的距离 为0.5~1.5mm,断裂源位置有明显的金属塑性变 形和挤压摩擦痕迹,呈沟槽状[图4a),4c)圆圈所示 标记位置为断裂源位置];锥销孔的孔壁有大量沿圆 周方向分布的摩擦塑性变形痕迹,局部锈蚀明显。
对断口Ⅰ和断口Ⅳ的断裂源进行能谱分析, 发现断口Ⅰ断裂源处的化学成分为42CrMo钢基 体成分,未发现夹杂物分布痕迹;断口Ⅳ断裂源处 主要含有Fe、O元素,推测其主要成分为铁锈(见 图5)。
2 综合分析
由上述理化检验结果可知,断裂轴承的化学成 分、显微组织、晶粒度、力学性能均未见异常。双排 四点接触球偏航轴承的结构复杂,轴承内圈与机舱 连接,外圈和塔架顶部法兰通过螺栓连接,锥销孔和 安装孔均匀分布,风机在工作过程中受轴向力、径向 力和倾覆力矩的联合作用。风力发电机开始偏转 时,偏航加速度会产生冲击力矩。偏航转速越高,产 生的加速度就越大,使转动惯量增大,导致本来就很 大的冲击力矩成倍增加[1]。
在轴承支撑刚度不能保证轴承受力后的结构稳 定时,冲击或交变载荷使轴承套圈产生一定的弹性 变形,并引起内部应力重新分布。在轴承表面的边 界棱角处,棱角效应增加,产生严重的应力集中。应 力集中削弱了轴承的强度,降低了轴承的承载能力, 是引起轴承破坏的主要因素[3]。
应力集中部位的表面损伤加剧了应力突变带来 的影响,在相同的应力水平作用下,轴承的疲劳寿命 随着表面粗糙度的增加而降低[4]。塑性变形凸起、划痕、腐蚀坑等都是常见表面损伤形态,会降低轴承 表面完整性,并在环境和交变载荷的影响作用下诱 发显微裂纹,形成疲劳裂纹源。裂纹在交变冲击载 荷的作用下逐步扩展,形成疲劳扩展特征,最终导致 轴承外圈断裂。
3 结论与建议
风电偏航轴承外圈装球缺口与锥销孔结合部位 存在应力集中,在锥销孔内壁塑性变形损伤及腐蚀 部位产生疲劳裂纹源,裂纹逐步扩展,导致轴承发生 疲劳断裂。
建议在安装使用轴承时,加强轴承支撑刚度,确 保轴承套圈弹性变形可控;加强日常维护保养和监 测,避免在安装孔、锥销孔等应力集中位置产生表面 损伤。
参考文献:
[1] 陈龙,杜宏武,武建柯,等.风力发电机用轴承简述 [J].轴承,2008(12):45-50.
[2] 尚艳涛,杨德胜,徐永智,等.风电偏航变桨用四点接 触球轴承锥销结构设计改进[J].安阳工学院学报, 2018,17(2):40-41.
[3] 陈涛,李宁,廖美华,等.某车用平衡肘断裂原因分析 [J].大型铸锻件,2018(4):44-45.
[4] 李平平,宫峰,李玉新,等.挖掘机直线行走阀芯断裂 的原因[J].理化检验(物理分册),2021,57(11):66- 70.
