風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承斷裂失效分析

周正強

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川 德陽618000）

0 引言

變槳軸承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠性直接關(guān)系到機(jī)組的正常運行。近年來，變槳軸承失效呈高發(fā)態(tài)勢，這與早期變槳軸承行業(yè)認(rèn)知不足存在一定關(guān)系，如早期僅采用工程算法對變槳軸承滾道強度進(jìn)行校核，未引入有限元分析等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承主要有以下幾種失效形式[1]：

1）疲勞破壞：軸承次表面在交變切應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋，載荷作用下該裂紋向外擴(kuò)展，最終導(dǎo)致接觸表面剝落。

2）塑形變形：軸向載荷、徑向載荷及傾覆力矩在變槳軸承上分布不好，進(jìn)而產(chǎn)生塑形變形。

3）滾道磨損：雜質(zhì)、粉塵、未能過濾的磨料及槳葉的顫動，導(dǎo)致變槳軸承產(chǎn)生麻點及凹坑。

4）保持架斷裂：由于保持架材料及制造問題，載荷作用下變槳軸承產(chǎn)生內(nèi)外圈相對變形，保持架在受到內(nèi)外圈相對變形產(chǎn)生的拉力后快速失效。

5）套圈斷裂：變槳軸承存在設(shè)計、制造缺陷或過載時，載荷作用下導(dǎo)致軸承套圈斷裂。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承服役環(huán)境比較惡劣，且工況復(fù)雜，雙列四點接觸球軸承是目前風(fēng)電變槳軸承常采用的回轉(zhuǎn)軸承形式，其承載能力強、結(jié)構(gòu)緊湊。按變槳軸承齒圈分布位置可分為內(nèi)齒型及外齒型，大部分風(fēng)電機(jī)組變槳軸承齒圈采用內(nèi)齒結(jié)構(gòu)，早期出于降本考慮，部分機(jī)組采用了外齒結(jié)構(gòu)，以縮小輪轂尺寸，目前，國內(nèi)外絕大多數(shù)風(fēng)機(jī)機(jī)組均采用內(nèi)齒結(jié)構(gòu)。

本文所述變槳軸承為外齒型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該機(jī)組投入運行兩年后變槳軸承套圈斷裂。由于該軸承為早期設(shè)計，根據(jù)設(shè)計規(guī)范，僅考慮工程算法對軸承進(jìn)行校核，未引入有限元分析，同時，在螺栓孔出現(xiàn)銹蝕坑情況下，有必要對軸承斷口進(jìn)行檢測分析，基于以上情況，如下從設(shè)計（有限元分析）、制造（理化檢驗）等環(huán)節(jié)分析變槳軸承斷裂原因[2-3]。

圖1 外齒型變槳軸承

1 有限元分析

變槳系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)包含輪轂、葉根、連接螺栓、變槳軸承等部分。葉片螺栓將變槳軸承外圈與葉根連接，變槳軸承螺栓將變槳軸承內(nèi)圈與輪轂連接。軸承內(nèi)圈與輪轂固定不動，通過外齒圈與安裝于輪轂上的變槳齒輪箱嚙合，實現(xiàn)軸承外圈與葉片相對于軸承內(nèi)圈與輪轂轉(zhuǎn)動[4]，在運行過程中，變槳軸承同時承受軸向載荷、徑向載荷及傾覆力矩的聯(lián)合作用，軸承外圈材料為42CrMo4，熱處理工藝為整體調(diào)質(zhì)處理[5]。

1.1 建模

在建模過程中，軸承與葉片、軸承與輪轂、軸承與螺栓墊片等接觸面采用標(biāo)準(zhǔn)摩擦接觸。軸承的網(wǎng)格單元采用高階單元，其他部件采用低階單元。有限元模型如圖2所示。

1.2 套圈極限強度

（1）套圈變形計算

根據(jù)有限元分析，變形云圖如圖3所示。

圖3 套圈變形云圖

根據(jù)變形云圖，變槳軸承內(nèi)外套圈相對變形量約3 mm。

（2）套圈應(yīng)力分析

經(jīng)計算，極限載荷下套圈Mises應(yīng)力與疲勞載荷下套圈最大主應(yīng)力的應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 變槳軸承套圈M i ses應(yīng)力圖

根據(jù)應(yīng)力圖，套圈最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在變槳軸承外圈螺栓孔處，最大等效應(yīng)力568 MPa小于軸承材料屈服強度600 MPa，套圈極限強度滿足要求。

（3）套圈疲勞強度

變槳軸承長期在惡劣的工況下工作，疲勞破壞是其主要的破壞形式。有限元靜力分析結(jié)果顯示，變槳軸承外圈螺栓孔處環(huán)向拉應(yīng)力最大，和變槳軸承實際工作中的破壞位置吻合。本節(jié)主要分析軸承螺栓孔處的疲勞破壞。

變槳軸承的疲勞分析按如下步驟進(jìn)行：

1）求若干組載荷所對應(yīng)的外圈危險截面處的最大環(huán)向拉應(yīng)力，找出“載荷-應(yīng)力”對應(yīng)關(guān)系。

2）結(jié)合軸承的具體參數(shù)，算出其S-N曲線。

3）結(jié)合Miner線性累積損傷理論，算出累積損傷值。

經(jīng)計算得出對應(yīng)載荷的損傷如圖5所示。

圖5 對應(yīng)載荷下的損傷值

圖中y坐標(biāo)為損傷值，x坐標(biāo)為載荷范圍，z坐標(biāo)為載荷均值，每個不同載荷對應(yīng)不同損傷，總的損傷值就是所有損傷的累加（圖示每個柱子高度代表損傷，總損傷即所有柱子高度疊加），計算得出總損傷值約6.5（折算后軸承壽命僅兩年多），因此，變槳軸承的總損傷不滿足設(shè)計要求，即不滿足疲勞壽命20年的要求。

2 理化檢驗

2.1 軸承斷裂宏觀形貌

該變槳軸承外圈斷裂位置處于外圈某個螺栓孔處，且裂縫已貫穿螺栓孔內(nèi)壁，如圖6所示。

圖6 軸承斷裂宏觀形貌

2.2 斷口分析

根據(jù)斷口宏觀形貌（見圖7），螺栓孔內(nèi)壁表面及左右兩側(cè)斷口裂紋源處的斷口上均有隨機(jī)分布的銹蝕痕跡，且斷口宏觀形貌存在弧線特征。

圖7 斷口宏觀形貌

將斷口置于掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)：

（1）右側(cè)斷口裂紋源位于螺栓孔內(nèi)壁表面，裂源處的螺栓孔內(nèi)壁表面存在缺損，裂紋源處的斷口上存在腐蝕產(chǎn)物（見圖8），裂紋擴(kuò)展區(qū)存在弧線特征，斷口高倍形貌存在疲勞輝紋痕跡（見圖9）。

圖8 右側(cè)裂紋源處斷口形貌

圖9 右側(cè)裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口形貌

（2）左側(cè)斷口裂紋源位于螺栓孔內(nèi)壁表面，裂源區(qū)的螺栓孔內(nèi)壁表面存在損傷，裂紋源處的斷口形貌有疲勞輝紋痕跡（見圖10），裂紋擴(kuò)展區(qū)存在弧線特征，斷口高倍形貌有疲勞輝紋痕跡（見圖11）。

圖10 左側(cè)裂紋源處斷口形貌

圖11 左側(cè)裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口形貌

3 軸承運維分析

由于早期過程記錄不全，未找到該變槳軸承相關(guān)運維數(shù)據(jù)，但一般來講，結(jié)合軸承服役工況及實際受力分析，軸承螺栓預(yù)緊力、軸承運行所需油脂等因素可能會影響軸承實際性能。螺栓預(yù)緊力不足可能導(dǎo)致軸承相對變形增加，對軸承運行產(chǎn)生不利影響；軸承運行油脂量不合理，也可能導(dǎo)致軸承不能正常運行，過小的油脂存量可能導(dǎo)致潤滑不足而產(chǎn)生摩擦，滾道及滾動體容易出現(xiàn)點蝕剝落，而過大的注脂量可能會使軸承燥熱。

從該變槳軸承失效情況來看，滾道及滾動體相對良好，保持架也沒有出現(xiàn)斷裂，可以推測其運維環(huán)節(jié)基本良好。

4 斷裂原因分析

4.1 軸承設(shè)計環(huán)節(jié)分析

（1）根據(jù)有限元分析，該變槳軸承疲勞損傷不滿足要求，最終導(dǎo)致軸承套圈疲勞斷裂。

（2）該變槳軸承滾道導(dǎo)油槽底部與外圈螺栓孔距離較近（與大部分變槳軸承相比偏小），易導(dǎo)致應(yīng)力集中，影響軸承承載能力。

（3）該變槳軸承內(nèi)外套圈相對變形量較其他變槳軸承偏大，過大的相對變形會造成滾子邊緣接觸后滾道發(fā)生剝落，引起滾子運行不同步，滾子不同步導(dǎo)致保持架持續(xù)承受拉力而發(fā)生斷裂。該變槳軸承因早期已發(fā)生套圈疲勞斷裂失效，故未發(fā)現(xiàn)滾道剝落及保持架斷裂的情況。

4.2 檢驗結(jié)果分析

軸承裂面分為螺栓孔左側(cè)和右側(cè)2個斷口，2個斷口裂紋源均位于靠近變槳軸承端面的螺栓孔內(nèi)壁表面；右側(cè)斷口的裂紋源為腐蝕凹坑，左側(cè)斷口的裂紋源處遭破壞，其附近有銹蝕痕跡，且螺栓孔內(nèi)壁表面局部區(qū)域也有銹蝕斑跡。可見未經(jīng)防腐處理極易導(dǎo)致螺孔發(fā)生銹蝕，銹蝕萌發(fā)形成裂紋源，在循環(huán)應(yīng)力作用下裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)展，最終導(dǎo)致套圈發(fā)生斷裂[6]。

5 結(jié)束語

（1）軸承設(shè)計早期只采用工程算法不夠精確，運用有限元分析進(jìn)行軸承設(shè)計階段校核尤為必要，有限元分析結(jié)果越精確，對軸承的設(shè)計參考意義越大。

（2）有限元分析滿足要求前提下，軸承設(shè)計還應(yīng)考慮滾道導(dǎo)油槽底部與外圈螺栓孔距離、內(nèi)外套圈相對變形量等對軸承性能的影響。

（3）軸承螺栓孔防腐處理對軸承十分重要，未進(jìn)行防腐或防腐不當(dāng)可能導(dǎo)致軸承失效，尤其當(dāng)前快速發(fā)展的海上風(fēng)機(jī)，更需關(guān)注防腐涂層的可靠性。

4）建議定期動態(tài)監(jiān)控軸承運行情況，重點關(guān)注油脂是否足夠、有無溫升報警、軸承是否存在異響及轉(zhuǎn)動卡阻等異常現(xiàn)象。