風力發電機轉盤軸承微動磨損的試驗研究

王思明 許明恒

西南交通大學，成都，610031

0 引言

在風力發電機組上主要有偏航軸承與變槳軸承兩種轉盤軸承，偏航軸承安裝于機艙的底部，承載風力機主傳動系統的全部質量，用于準確適時地對中風力機的迎風角度。變槳軸承安裝于葉片和輪轂之間，葉片可以相對其軸線旋轉進行變槳，使風力發電機組在額定功率點以上輸出功率平穩。結構形式采用單列四點接觸球轉盤軸承和雙列四點接觸球轉盤軸承，個別情況采用交叉滾子軸承，這些軸承又包括無齒式、內齒式或外齒式等形式［1－2］。

風力發電機組往往工作在氣候惡劣的野外。工作過程中，轉盤軸承將同時受到徑向力、軸向力和傾覆力矩，并且這些載荷隨迎風角度、風力等級的大小以及葉片的旋轉位置呈周期性變化［3－4］。在風力發電機組工作過程中，偏航軸承與變槳軸承基本處于靜止或緩慢擺動狀態，并且風力發電機組在低于切入風速或高于切出風速停機時，軸承仍會受到葉片由于氣流作用而產生的振動力。

交變或振動載荷將使轉盤軸承的滾動體和滾道接觸處以及輪齒接觸處產生微小的相對運動，當接觸處不能形成正常的潤滑油膜而使金屬直接接觸時，轉盤軸承就容易受到微動磨損。而風力發電機組又通常處在復雜多變的大氣環境中，受氣溫的變化形成的冷凝水、海風中的鹽分、酸雨和腐蝕性氣體等的腐蝕，所以微動磨損中伴隨有微動腐蝕，這些因素加劇了轉盤軸承的微動磨損，因此微動磨損是這類軸承的主要失效形式［5－6］。

風力發電機組轉盤軸承裝拆困難，要求壽命長、可靠性高且運轉靈活，因此有必要對轉盤軸承在交變、振動載荷作用下的微動磨損進行分析，并通過試驗研究材料的硬度與受力角度對轉盤軸承微動磨損損傷程度的影響。

1 風力發電機組轉盤軸承中的微動磨損

1．1 微動磨損的損傷形式

根據文獻［7］可以推斷，在轉盤軸承滾道及輪齒的接觸表面上發生的微動磨損與普通微動磨損一樣包括兩種情況：一是反復的小幅相對滑動，造成接觸表面的機械損傷，即接觸滑動磨損；二是較大的接觸壓力及微動，在接觸表面引發裂紋，并在反復微動作用下裂紋擴展，使裂紋與外表面之間的材料脫離母體，剝落下來成為磨屑。產生裂紋是因為局部疲勞所致，這也是微動磨損的機理之一。實際中，接觸滑動磨損與局部接觸疲勞在微動過程中存在一種競爭機制［8］。微動磨損最終會在接觸面上產生偽布氏壓痕或蝕坑，使軸承轉動摩擦阻力增大，從而引起卡阻使控制動作困難。而微動產生疲勞裂紋將加速轉盤軸承的失效，顯著縮短軸承的使用壽命。

1．2 微動磨損運行模式

外部載荷的隨機性決定了轉盤軸承中微動磨損運行模式的不確定性，并且微動磨損過程還將有潤滑脂和腐蝕介質的參與，增加了微動磨損過程的復雜性。不同位置的滾動體與滾道接觸處發生的磨損運行狀況也不盡相同。以四點接觸球轉盤軸承為例，Harris［9］指出，只要鋼球與溝道接觸角不為零，在內溝道或外溝道中通常不可能出現沒有自旋的滾動。因此，轉盤軸承在葉片產生的軸向力、徑向力、傾覆力矩以及扭轉力矩的作用下，轉盤軸承滾動體和滾道之間的微動磨損運行模式比較復雜，從嚴格意義上來說，轉盤軸承中除了存在切向微動、徑向微動、滾動微動和扭動微動4種微動形式組成的復合微動外（圖1a），還有由于受到外部扭轉振動使鋼球在滾道接觸面上發生往復Heat hcote滑動（差動滑動）而引起的微動磨損（圖1b）。但Heathcote滑動引起的微動磨損在軸承擺動角非常小時，切向力滑動為微動磨損的主因［10］。在交變、振動載荷作用下，若滾子與滾道之間有相對位移趨勢而沒有發生宏觀位移，則由于接觸角的存在，鋼球與滾道之間通常主要發生由切向和徑向微動磨損組成復合微動磨損。而在驅動齒輪輪齒與轉盤輪齒接觸處，將驅動齒輪看作靜止，如圖2所示，轉盤軸承在交變或振動外力的作用下，兩齒面之間將發生徑向和切向微動組合而成的復合微動。實際上，由于潤滑脂的存在，轉盤軸承中發生的是有潤滑脂參與的復合微動。

圖1 轉盤軸承鋼球和滾道微動磨損運行模式示意圖

圖2 轉盤軸承輪齒嚙合處微動磨損運行模式示意圖

2 微動磨損試驗設計及結果分析

2．1 試驗設計

根據風力發電機滾動軸承標準JB／T10705－2007，轉盤軸承滾動體材料采用GCr15，套圈材料采用42Cr Mo。轉盤軸承齒輪齒面要求表面淬火，表面硬度不低于45 HRC，滾道表面淬火硬度55～62 HRC。為確定不同的接觸角和硬度對轉盤軸承微動磨損的影響，設計了如圖3所示的微動試驗裝置。鋼球試樣直徑40 mm，材料GCr15，硬度62 HRC。平面試樣取軸承材質42Cr Mo，尺寸75 mm×30 mm×20 mm，表面粗糙度Ra＝0．8μm，以θ＝45°和θ＝60°兩種傾角（θ為平面式樣與垂直方向的夾角）以及以44～46 HRC和58～60 HRC兩種硬度進行加載試驗，試樣在試驗前用丙酮進行超聲波清洗。試驗時在平面試樣上均勻涂加一層Rhodina BBZ風電軸承專用潤滑脂。試驗裝置在MTS890試驗機上進行交變加載，實現轉盤軸承模擬復合微動試驗。加載力在1～10k N之間進行正弦變化，頻率10 Hz，載荷交變運行105次。試驗環境為大氣氣氛、室溫（20±3）℃、相對濕度為（60±10）%。

圖3 軸承微動磨損模擬試驗裝置示意圖

2．2 試驗結果及分析

完成試驗加載循環次數后，對兩種硬度和兩種接觸角度平面試樣微動磨痕進行光學顯微鏡觀察。觀察結果分別如圖4～圖7所示，可以看出，不同加載情況下微動磨損差別明顯不同。對比圖4和圖5可知，雖然42Cr Mo平面試樣在硬度為58～60 HRC、傾斜角度為45°時磨痕面積稍大，但是傾斜角度為60°時的中心位置材料剝落嚴重，剝落呈典型的剝層現象，損傷也相對深一些，即平面試樣硬度為58～60 HRC的情況下，傾斜角度為45°時比60°時的復合微動磨損輕微。而對比圖6和圖7可以看出，42Cr Mo平面試樣在硬度為44～46 HRC、傾斜角度為45°時磨損嚴重，磨損機制以粘著磨損為主。傾斜角度為60°時磨損相對輕微，并且磨痕還具有點接觸的微動磨損的典型特征，說明硬度為44～46 HRC的平面試樣，在傾斜角度為45°時比60°時復合微動磨損嚴重。

圖4 平面試樣在硬度為58～60HRC傾斜角度為45°時的微動磨痕

圖5 平面試樣在硬度為50～60 HRC傾斜角度為60°時的微動磨痕

圖6 平面試樣在硬度為44～46HRC傾斜角度為45°時的微動磨痕

圖7 平面試樣在硬度為44～46HRC傾斜角度為60°時的微動磨痕

上述現象是由于試驗中的復合微動磨損是切向和徑向微動分量共同作用的結果。接觸傾斜角度θ小時，切向微動磨損作用大，徑向微動磨損作用小。隨著傾斜角度增大，部分滑移和徑向微動的特征出現得越早，疲勞作用增強，微動疲勞裂紋產生的幾率增大［11］。在其他條件相同、42Cr Mo硬度高時，材料耐磨性能好，抵抗切向滑動磨損能力強，而對疲勞裂紋敏感，抵抗徑向微動磨損能差。因此在傾斜角度大時，徑向微動磨損作用加大，接觸滑動磨損與局部接觸疲勞在微動磨損競爭中處于劣勢，裂紋擴展的速度大于材料磨損的速率，材料的疲勞剝落加重，表現為微動磨損也隨之嚴重。相反，對于42Cr Mo硬度低時，材料耐磨性差，抵抗切向滑動微動磨損能力差，在平面試樣傾斜角度小時，切向微動磨損作用較大，微動磨損嚴重。但材料硬度低，其彈塑性協調變形能力好，對裂紋的產生和擴展有抑制作用，可降低疲勞裂紋產生幾率，從而減緩徑向微動磨損，表現為微動磨損隨傾斜角度增大而減輕。

因此，從試驗結果可得出，42Cr Mo材料在硬度高時，減小接觸傾斜角度θ，硬度低時，增大受力接觸傾斜角度θ，或者說在復合微動接觸受力角度大時，減小材料硬度，在接觸受力角度小時增加材料硬度，復合微動磨損量可以大大減少，材料的抗復合微動損傷的能力也就增強。

另外，觀測鋼球試樣上的磨痕，發現其損傷程度隨相接觸的平面試樣上的磨痕損傷程度不同而改變，即平面試樣上的磨損程度嚴重的，鋼球接觸處磨痕也嚴重，說明鋼球試樣的磨損程度也與平面試樣的硬度和傾斜角度關系非常密切，即兩種相接觸材料的微動磨損損傷程度要相互影響。因此，在選擇有微動磨損的兩接觸材料配對時，要同時考慮兩種材料的機械特性和接觸角度，才能較好地減緩微動磨損損傷。

因風力發電機組轉盤軸承滾道表面淬火硬度要求為55～62 HRC，且工作中傾覆力矩是其主要受力，分析試驗受力角度和轉盤軸承的接觸角可知，轉盤軸承初始接觸角應選擇在45°附近可減輕滾道的微動磨損。在風力發電機組工作過程中，轉盤軸承輪齒接觸處在交變、振動外力作用下，通常切向滑動量較大，即主要以切向微動磨損為主，所以根據試驗結論可適當提高齒輪的表面淬火硬度來減緩微動磨損，延長軸承的使用壽命。

3 結論

（1）風力發電機組的轉盤軸承中滾動體和套圈、轉盤輪齒之間的微動形式為以徑向微動與切向微動為主并有潤滑脂參與的復合微動。

（2）軸承材料42Cr Mo在硬度高，即在硬度為58～60 HRC左右時，抵抗切向微動磨損效果好，減小接觸受力角度微動磨損減輕。42Cr Mo在硬度低，即在硬度為44～46 HRC左右時，抵抗徑向微動磨損效果好，增大接觸受力角度微動磨損減輕。轉盤軸承滾道接觸角選擇在45°附近可減緩滾道的微動磨損損傷，而轉盤軸承輪齒以切向滑動為主，為減緩齒面的微動磨損，要適當提高齒面的硬度。

（3）在轉盤軸承中相接觸的兩種材料的微動磨損損傷程度要相互影響，即磨損程度同時大或同時小。因此要減緩微動磨損，須合理選擇兩種配對接觸材料的機械性能和接觸角度。

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