G58風電機組高速軸剎車盤裂紋分析及其改進設計

李成哲，朱先勇，劉 潤

● （吉林大學 工程訓練中心，吉林長春 130025）

G58風電機組高速軸剎車盤裂紋分析及其改進設計

李成哲，朱先勇，劉 潤

● （吉林大學 工程訓練中心，吉林長春 130025）

G58-850風電機組在實際運行過程中，剎車盤極易產生裂紋，造成多臺機組停轉，影響整套制動系統的正常運行。本文從幾何外形、應力分布等方面分析了風電機組剎車盤上裂紋產生的原因，并提出了從改善金相組織、化學成分及熱處理工藝等方面降低裂紋產生的方法。

風電機組；剎車盤；裂紋

0 引言

位于吉林省境內的某風電場，共裝設 G58-850機組294臺。自并網運行以來共損壞剎車盤91臺次，損壞率達31%。剎車盤的損壞造成多臺風電機組停轉，同時也影響整套風機設備的制動系統，對機組的穩定運行造成危害。根據工作現場的統計數據知，G58風電機組高速軸剎車盤損壞的主要形式是剎車盤上產生裂紋，經分析知，剎車盤的幾何外形、結構強度、金相組織、生產工藝、剎車壓力設置、剎車動作時間步長等因素與其裂紋產生與否有直接關系。本文主要從幾何外形、應力分布等方面分析了風電機組剎車盤上裂紋的產生原因，并提出了從改善金相組織、化學成分及熱處理工藝等方面降低裂紋產生的可能性。

1 高速剎車盤的結構強度分析

剎車盤的幾何外形與其結構強度有直接關系，幾何外形將影響工作狀態的應力分布。幾何外形不合理將造成應力過度集中，最終使盤體產生裂紋。舊型剎車盤的幾何外形如圖1所示。

圖1 舊型剎車盤的幾何外形

舊型剎車盤在盤體上均勻分布了三個直徑為 12mm的高速軸轉子鎖孔，也就是應力孔。轉子鎖孔的存在造成高速軸剎車動作時的應力集中從而引起盤體的裂紋，如圖2所示。

圖2 舊型剎車盤裂紋分布

當剎車盤轉矩為額定轉矩 5010N·m 時，經 ANSYS計算軟件靜態分析故障停機時舊型剎車盤應力分布如圖3所示。

圖3 舊型剎車盤靜態受力分析圖

由圖3可知，舊型剎車盤在機組額定轉矩作用下，應力孔靠近剎車盤軸線的一端形成了應力集中區域，該區域與實際剎車盤裂紋區域相吻合。

針對以上分析，去除了盤體上的三個轉子鎖孔，設計了新型剎車盤幾何外形，如圖4所示。

圖4 新型剎車盤的幾何外形

當剎車盤轉矩為5010N·m時，經ANSYS計算軟件靜態分析故障停機時新型剎車盤應力分布如圖5所示。

圖5 新型剎車盤靜態受力分析圖

由圖4、5可知，新型剎車盤盤體僅在腰形孔周圍形成應力集中區，屬正常現象。應力集中區域的應力較小，不影響剎車盤的穩定運行。由圖3與圖5可見，新型剎車盤比舊型剎車盤有明顯結構優勢，優化盤體幾何尺寸后，剎車盤裂紋現象改善明顯。

2 剎車盤的金相組織改進

風電機組高速剎車盤材料為球墨鑄鐵，主要包括碳、硅、錳、硫、磷五種元素。其化學成分的組成直接影響結構強度，是決定剎車盤裂紋產生的關鍵因素。通過采用直讀光譜測試方法，檢測舊型及新型剎車盤金屬化學成分組成如表1所示。由表1可知，新型剎車盤在制造過程中碳(C)元素含量平均降低了0.485%。碳元素的降低增強了盤體塑性、抗沖擊性及耐大氣腐蝕能力[1]。

表1 金屬化學成分分析表（質量分數/%）

硅(Si)元素平均含量升高了0.3%。在一定范圍內提高硅含量可有效改善金屬的塑性和韌性，以顯著提高金屬材料的彈性極限、屈服點和抗拉強度。

錳(Mn)元素平均含量降低了0.11%。錳元素的降低主要有兩個作用：一是弱化球墨鑄鐵中硫的有害作用；二是穩定和細化珠光體。在一定含量范圍內，隨錳含量的降低，球墨鑄鐵的強度、硬度降低，而塑性和韌性升高。

硫(S)在通常情況下是有害元素，使鋼產生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時造成裂紋。硫對焊接性能不利，降低耐腐蝕性，所以通常要求硫含量小于0.055%。為增強剎車盤盤體的抗沖擊性能，新型剎車盤將硫含量控制在0.02%以內。

當磷(P)含量大于0.05%時，磷極易偏析于共晶團邊界形成二元、三元或復合磷共晶，降低鑄鐵的韌性[2-3]。新型剎車盤將磷含量基本控制在0.05%以內，可有效增強剎車盤的韌性與抗沖擊能力。剎車盤化學元素的優化有效改善了盤體的力學性能。經金相檢驗可知，新型剎車盤球化率為92%，屬于2級球化率[3]，球徑大小6級*100，材質為球墨鑄鐵QT-500-7。

球墨鑄鐵件的力學性能以抗拉強度和伸長率兩個指標為驗收依據[4]。舊型和新型剎車盤的材料硬度檢定結果如表2所示。

表2 材料硬度檢定結果（HRC）

3 剎車盤熱處理加工工藝的優化

風電機組在運行時剎車盤經常受到交變、沖擊負荷等形式外力的作用，其表面層承受著比中心部更高的應力，在摩擦力較大的工況下表面層所受應力進一步增大。為提高剎車盤機械強度、抗沖擊能力及耐磨性能，新型剎車盤在生產過程中嚴格控制熱處理工藝。主要通過嚴格控制淬火及低溫回火過程的處理工藝以提高其韌性和抗沖擊能力[5-6]。

新型剎車盤采用球墨鑄鐵作為制造材料，經過嚴格熱處理工藝后將其布氏硬度控制在130HB～180HB。將工件加熱到 860℃～900℃，保溫讓原基體全部奧氏體化后再在油中冷卻實現淬火，后經250℃～350℃加熱保溫回火，原基體轉換為回火馬氏體及殘留奧氏體組織，原球狀石墨形態不變，如圖6所示。由圖6可見，處理后的剎車盤具有較高的硬度和韌性，同時保留了石墨的潤滑性能，耐磨性能得到改善。

圖6 新型剎車盤金相組織圖譜

4 結論

由以上分析知，新型剎車盤改變結構設計后有效避免了應力集中，新型剎車盤較舊型抗拉強度增強、材料伸長率增大，可有效改善盤體在風機急停過程中的抗沖擊能力，增強了剎車盤的抗變形能力。另外，材料優化后的剎車盤具有較高的硬度和韌性，耐磨性得到改善，有效降低了剎車盤盤體產生裂紋的風險。

[1]夏青.硅磷含量對球墨鑄鐵沖擊性能的影響[J].現代鑄鐵, 1991 (1):19-24.

[2]簡光沂.五金手冊[M].中國電力出版社, 2009.

[3]GB 9441-88.球墨鑄鐵金相檢驗 [S].

[4]GB 1348-1988.球墨鑄鐵件[S].

[5]GB 6060.1-85.表面粗糙度比較校場 鑄造表面[S].

[6]JB/T 6051-2007.球墨鑄鐵熱處理工藝及質量檢驗[S].

Analysis and Improved Design of G58 Wind Turbine High-speed Shaft Brake Disc Crack

LI Cheng-zhe, ZHU Xian-yong, LIU Run
(Engineering Training Center, Jilin University, Changchun 130025, China)

The brake disc is easy to crack during G58-850 wind turbine processing, which can make many units stop and affect the normal operation of the whole brake system.This paper analyses the cause of wind turbine brake disc crack, such as geometric shape and stress distribution.Some methods for reducing the crack are put forward, such as improving microstructure, chemical composition and heat treatment processing.

wind turbine; brake disc; crack

U482

A

長春市科技計劃項目(12ZX29)

李成哲，男，工程師，主要從事機電一體化領域的教學與研究工作。

朱先勇。