變槳軸承微動磨損分析與溝道參數確定

王思明，文鑒恒，杜海若，許明恒

(1.西南交通大學 機械工程學院，成都 610031；2.成都重型軸承研究所，成都 610031)

變槳軸承采用的結構形式多為內圈帶齒或無齒雙排四點接觸球軸承[1]。變槳軸承安裝于葉片和輪轂之間，使葉片可以相對其軸線旋轉進行變槳，可起到平穩風力發電機組在額定功率點以上輸出功率等作用[2]。

變槳軸承工作環境惡劣，受力復雜多變。工作過程中，其承受的通過葉片傳遞的載荷有：陣風和湍流引起的隨機載荷，風切變、塔影、側風和偏航率等引起的氣動載荷，葉片重力、慣性力和偏航等引起的周期載荷，控制系統產生的如剎車、偏航、變距、脫網等載荷和瞬態氣流瞬時載荷[3-4]。這些載荷將使變槳軸承承受交變的徑向載荷、軸向載荷和傾覆力矩。因此，為提高我國風力發電機軸承的設計水平，使風力發電機組可靠運行，分析變槳軸承的微動磨損以及溝道參數對損傷的影響很有意義。

1 微動磨損

1.1 產生原因

變槳軸承工作中基本處于靜止或緩慢擺動狀態。擺動或交變、振動載荷將使變槳軸承的鋼球與溝道接觸處以及輪齒接觸處產生微小的相對運動，當接觸處的潤滑油脂不能及時補充時，就容易產生微動磨損。同時，風力發電機組通常處在復雜多變的大氣環境中，受氣溫變化形成的冷凝水、海風中的鹽分、酸雨和腐蝕性氣體等的腐蝕，遭受的微動磨損中伴隨有微動腐蝕，加劇了變槳軸承微動磨損。因此，微動磨損是變槳軸承主要失效形式[5-6]。

1.2 損傷形式

根據文獻[7]可以推斷，在變槳軸承中發生的微動磨損與普通微動磨損一樣包括兩種情況：(1)鋼球在溝道接觸表面上小幅反復相對滑動，造成溝道表面的機械損傷；(2)鋼球和溝道在較大的接觸壓力和微動的共同作用下，在接觸表面產生裂紋。在微動反復作用下，裂紋擴展并最終形成剝落。裂紋的產生是因為局部疲勞所致，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]。微動磨損最終會在變槳軸承溝道上產生偽布氏壓痕或蝕坑，使軸承轉動摩擦阻力增大，并引起卡阻使變槳困難。而微動產生疲勞裂紋將加速變槳軸承的失效，大大降低軸承的使用壽命。

1.3 微動運行模式

外部載荷的隨機性決定了變槳軸承溝道上微動運行模式的不確定性。不同位置的鋼球與溝道間發生的微動磨損也不盡相同，并且微動磨損過程中還有潤滑脂和腐蝕氣體的參與，增加了微動磨損過程的復雜性。

以雙列四點接觸球軸承為例分析接觸表面的微動運行模式。文獻[9]指出，只要鋼球與溝道的接觸角不為零，在內溝道或外溝道中通常都會存在鋼球的自旋運動。因此，變槳軸承在葉片產生的擺動或交變、振動載荷作用下，其鋼球和溝道之間的微動運行模式比較復雜。從嚴格意義上來說，變槳軸承鋼球和溝道之間除了存在切向微動、徑向微動 、滾動微動和扭動微動組成的復合微動外(圖1a)，還有由于葉片的扭轉振動或變槳過程中的往復擺動，使鋼球在溝道接觸表面發生往復Heathcote滑動(差動滑動)而引起的微動[10]，如圖1b所示。事實上，由于變槳軸承中潤滑脂的存在，變槳軸承鋼球和溝道之間發生的是有潤滑脂參與的以上幾種形式的復合微動。

圖1 變槳軸承微動運行模式示意圖

2 溝道參數的確定

下面從往復Heathcote滑動微動磨損和徑向與切向組成的復合微動磨損兩方面來分別討論四點接觸球式變槳軸承的溝道曲率半徑系數和初始接觸角的取值。

2.1 溝道曲率半徑系數

向心球軸承的溝道曲率半徑系數f=0.515～0.525[11]。而對于四點接觸球轉盤軸承的密合度通常為[12]：

式中：φ為該軸承的密合度；Dw為鋼球直徑；r為套圈溝道曲率半徑。

則該軸承的溝道曲率半徑系數為：

文獻[13]表明，球軸承溝道曲率半徑的增大對減小其微動磨損有很大影響。在對鋼球直徑為7.94 mm，溝道曲率半徑為4.02～4.21 mm的軸承進行差動滑動形成的微動磨損試驗得出，溝道曲率半徑為4.21 mm，即溝道曲率半徑系數f=0.53時，在鋼球和溝道接觸中心處沒有發現磨損。說明少量增加內、外溝道曲率半徑可以大大減緩溝道微動磨損引起的失效。所以在保證接觸應力小于許用接觸應力的情況下，可減小微動磨損的最佳溝道曲率半徑要比普通軸承溝道曲率半徑稍大一些。

另外，由于潤滑脂為半固體，流動性差，當溝道曲率半徑較小時，軸承的密合度較大；因此，潤滑脂很難進入接觸表面，并易在微動的自我清洗作用下被清除出接觸區域。而且軸承溝道曲率半徑較小也不利于減小變槳軸承的轉動摩擦力矩。因此，從減緩變槳軸承微動磨損角度出發，其溝道曲率半徑系數可取在0.53左右。

2.2 初始接觸角

四點接觸球轉盤軸承的初始接觸角一般取45°，但為了提高軸向載荷的承載能力，也可取較大的接觸角(60°～70°)[12]。根據理論計算，四點接觸球轉盤軸承在初始接觸角為60°左右對軸向載荷的承載能力最大[14]。

為研究變槳軸承不同初始接觸角下對微動磨損的影響，設計了如圖2所示的微動磨損試驗裝置。鋼球試樣直徑40 mm，材料GCr15，硬度62 HRC；平板試樣取變槳軸承用材料42CrMo，尺寸70 mm×30 mm×20 mm，整體淬火硬度58～60 HRC，粗糙度Ra=0.8 mm。θ分別采用45°，60°兩種傾角進行加載試驗。試驗前在平板試樣上均勻涂抹一次變槳軸承專用潤滑油。加載力在1～10 kN之間進行正弦變化，頻率為10 Hz，以模擬變槳軸承在風力發電機組上工作時受到的交變載荷，載荷交變運行105次。

1—液壓系統活塞；2—平板試樣夾具；3—平板試樣；4—球試樣；5—球試樣夾具；6—載荷傳感器圖2 軸承微動磨損模擬試驗裝置示意圖

加載試驗完成后，用光學顯微鏡對45°和60°兩種傾角下平板試樣微動磨痕進行觀察，觀察結果如圖3和圖4所示。

圖3 45°試樣微動磨痕表面光學顯微形貌

圖4 60°試樣微動磨痕表面光學顯微形貌

對比圖3和圖4可見，傾角為45°的試樣上的磨痕面積雖然比傾角為60°的試樣要大；但后者接觸表面中心材料剝落嚴重。這說明對于硬度為58～60 HRC的42CrMo試樣來說，傾角為45°時比傾角為60°時的微動磨損量小，也即抗復合微動磨損能力強。這是因為試驗中的微動磨損損傷是切向和徑向微動分量共同作用的結果。傾角較小時，以切向滑動微動磨損為主。隨著傾角的增加，徑向微動磨損作用增強，即微動疲勞裂紋產生的機率增大，材料以疲勞剝落形式出現，這種形式的損傷要比切向滑動微動損傷更嚴重[15]。

分析變槳軸承的接觸角和上述試驗的傾角θ受力方向可知，與接觸角60°左右相比，變槳軸承初始接觸角為45°左右時可減少微動疲勞裂紋產生和擴展的機會，從而減緩溝道材料的疲勞剝落，增加軸承的疲勞壽命。綜合考慮變槳軸承的抗微動磨損與承載能力，初始接觸角最好在45°～60°內取偏小值。

3 結論

(1)在交變載荷和振動載荷作用下，變槳軸承的鋼球與溝道之間要發生往復Heathcote滑動、徑向和切向等復雜的復合微動磨損。

(2)變槳軸承溝道曲率半徑系數應比普通軸承溝道曲率半徑系數稍大一些(0.53左右)，而其初始接觸角應在45°附近取值，這樣有利于提高變槳軸承的抗微動磨損能力，減緩溝道微動磨損損傷。