風機葉片和變槳軸承連接高強螺柱斷裂原因分析

王振海

（山西省機電設計研究院，山西太原 030009）

0 引言

某風電場對投入運行2 年的風力發電機組輪轂內葉片和變槳軸承連接高強度雙頭螺柱進行年檢維護時，發現某機組3 個葉片中有2 個葉片前緣各有一件位置相同的雙頭螺柱斷裂。該風電場提供了葉片和變槳軸承連接高強度雙頭螺柱分布編號示意圖（圖1），其中一個葉片的斷裂雙頭螺柱（32#）及螺母、相鄰完整雙頭螺柱（30#）及螺母（圖2、圖3），對雙頭螺柱斷裂原因進行分析。

圖1 葉片與變槳軸承連接雙頭螺柱編號分布

圖2 斷裂雙頭螺柱（32#）及螺母

圖3 相鄰完整雙頭螺柱（30#）及螺母

1 雙頭螺柱及螺母檢查

1.1 32#斷裂雙頭螺柱及螺母

雙頭螺柱一端斷裂部位位于距螺桿端部第12 圈～第13圈螺紋之間的螺紋根部位置（圖4）。另一端螺桿部分安裝1 件25 mm 厚的螺母，螺紋長度115 mm，端部有1 個內六方扭力孔。兩端螺桿均為M30。

圖4 32#螺柱螺紋的斷裂處宏觀形貌

1.2 30#相鄰完整雙頭螺柱及螺母

雙頭螺柱一端螺桿安裝1 件25 mm 厚的螺母，螺紋長度115 mm，端部有1 個內六方扭力孔，距端部70 mm 長度范圍內螺紋溝槽內有黑色油泥物。雙頭螺柱兩端螺紋長度不一致。另一端螺紋長度87 mm，端部15 mm 長度范圍內螺紋部分溝槽內有黑色及黃色物質；距端部15～40 mm 的長度范圍內呈較干凈狀態的螺紋部分應該是該端螺桿與葉片根端連接螺母螺孔結構之間相互擰緊連接的部位；距端部40～56 mm的長度范圍內螺紋部分溝槽內有黑色及黃色類似環氧樹脂的物質。雙頭螺柱中部桿徑25.3 mm。雙頭螺柱兩端螺紋經清洗后仔細觀察未發現存在裂紋。

2 試驗分析

2.1 宏觀斷口分析

32#雙頭螺柱斷裂部位位于距螺桿端部第12 圈至第13 圈螺紋之間的螺紋根部位置。斷口面大部分呈稍凸的平面，有1/4區域為突變斜面。斷口分析表明，斷口屬雙向彎曲疲勞斷裂，雙側裂源區為對面的兩個區域，分別在兩條螺紋根部線性區域。其中，主裂紋疲勞擴展區占斷面的3/4 區域，對面1/4 斜面斷口區域中表面區域呈磨光的疲勞特征，并有明顯的應力集中，其他區域為快速擴展的終斷區（圖4）。同時在斜面斷口裂源區下一條螺紋根部發現環向小裂紋，深度較淺、長度類似于裂源區線源長度，認為此裂紋為使用中產生的疲勞裂紋。

2.2 化學成分及力學性能測試

化學成分及力學性能試驗結果見表1～表3。

試驗結果表明：①32#雙頭螺柱材料采用42CrMo 中碳合金鋼，所有元素成分均符合要求，按10.9 級螺栓選材要求滿足標準要求；②32#雙頭螺柱力學性能指標均符合材料標準要求，同時符合10.9 級螺栓性能等級要求；③32#雙頭螺柱截面規定部位硬度符合要求，兩個螺母硬度符合標準要求。

表1 32#雙頭螺柱基體化學成分試驗分析結果

表2 32#雙頭螺柱力學性能試驗結果

表3 32#和30#螺柱及配套螺母硬度試驗 HRC

2.3 顯微組織分析

32#雙頭螺柱非金屬夾雜、組織、晶粒度、脫碳層試驗結果表明，該螺柱鋼中純凈度合格，組織狀態正常，晶粒細小均勻，螺紋頂部總脫碳層0.15 mm，全脫碳層無，符合要求（表4、圖5）。同時，螺紋齒頂和齒溝表面冷變形組織分布形態可以確定螺柱是采用熱處理及滾齒工藝制造。

表4 32#雙頭螺柱的組織性能試驗結果

圖5 32#雙頭螺柱的顯微組織分析

2.4 掃描電鏡斷口分析

主裂紋側斷口微觀分析表明，開裂起源于螺紋齒溝外表面的一條弧線上，裂源區微觀花樣為平坦的疲勞平面加二次裂紋組成的疲勞條紋，裂源區螺紋齒面上分布有涂層和固形物，疲勞擴展區仍可見大面積的疲勞平面，疲勞擴展后期疲勞條紋逐漸粗糙呈現疲勞波紋，及疲勞擴展韌窩，直至與對面疲勞區形成突變的變截面區（圖6）。說明疲勞擴展速度開始較慢后來逐漸較快，屬典型的高周、脈動的循環彎曲疲勞斷裂。

對面斷口區微觀分析表明，開裂起源于外表面一條弧線上，豎棱狀的多個裂紋源，代表裂源區應力集中嚴重，微觀斷口花樣也為疲勞平面，每個豎棱狀源區都有密集的溝槽條紋及伴生的二次裂紋，同時看見裂源區螺紋齒面上存在多條小裂紋且分布有涂層和固形物，疲勞擴展區較短尺寸大約3～4 mm，之后是終斷區，終斷區較小為準解理花樣（圖7）。說明雙向循環彎曲疲勞擴展速度并不對等，起裂時間也不盡相同，有明顯的應力集中，豎棱狀源區都有密集伴生的二次裂紋應屬壓縮裂紋。

圖6 掃描電鏡斷口

圖7 對面斷口區微觀圖

螺柱斷口微區能譜分析表明，裂源區斷口基體合金元素正常，主裂紋源區螺紋齒面固形物主要含有C、O 等，主裂紋源區螺紋齒面涂層主要含有Al、Zn及C、O 等，對面裂紋源區螺紋齒面固形物主要含有C、O 等（圖8～圖10，表5）。說明在裂源區螺紋齒面不僅涂有含Al、Zn 的涂層，還加有含C 和O 屬于環氧樹脂類固形物。

圖8 主裂紋源區斷口基體能譜圖

圖9 主裂紋源區螺紋齒面涂層能譜圖

3 討論分析

風機的3 個葉片中每個葉片和變槳軸承連接螺柱均有64 件，同時送檢的32#斷裂雙頭螺柱和30#雙頭螺柱均只有螺桿螺紋較長端配套螺母，對送檢的斷裂螺柱及相鄰完整的螺柱進行試驗分析。

3.1 雙頭螺柱材料及螺母質量分析

根據螺柱全面材料試驗分析結果可以確定，螺柱采用42CrMo 優質中碳合金鋼，材料滿足螺柱等級要求、成分合格。螺柱組織狀態為調質狀態，鋼中純凈度、表面脫碳層均在要求范圍內。同時螺紋齒頂和齒溝表面冷變形組織分布形態可以確定螺柱是采用熱處理及滾齒工藝制造，可改善螺紋材料抗疲勞性能。螺柱的力學性能指標符合要求，低溫沖擊韌性良好，標準要求部位截面硬度符合要求，兩個螺母硬度符合標準要求。通常螺栓副配合的螺栓用高強度材料，螺母用塑形良好材料，更有利于螺栓副的使用。

3.2 32#雙頭螺柱斷裂原因分析

圖10 對面裂紋源區螺紋齒面固形物能譜圖

表5 裂紋源區組織元素含量試驗結果

32#葉片雙頭螺柱斷裂在端部無內六方扭力孔的螺桿螺紋部位，斷裂部位位于距端部第12 至第13 圈之間的螺紋根部，是螺桿與葉片根端連接螺孔結構內側位置對應的第一個螺紋部位。斷口面大部分呈稍凸的平面，有1/4區域為突變斜面，斷口屬雙向彎曲疲勞斷裂，雙側裂源區為對面的二個區域，分別在二條螺紋根部線性區域，其中主裂紋起源于螺紋齒溝外表面的一條弧線上，裂源區微觀花樣為平坦的疲勞平面加二次裂紋組成的疲勞條紋，疲勞擴展區占斷面的3/4 區域，屬典型的高周、脈動的循環彎曲疲勞斷裂。但雙向循環彎曲疲勞擴展速度并不對等，起裂時間也不盡相同，對面1/4 斜面斷口區域中表面區域呈磨光的疲勞特征，并有明顯的應力集中，其他區域為快速擴展的終斷區，豎棱狀源區都有密集伴生的二次裂紋應屬壓縮裂紋。

從宏觀、微觀及材料質量分析，首先可以排除螺柱材料質量問題造成螺柱斷裂的可能性；其次，葉片與變槳軸承螺柱分布示意圖顯示，以葉片對零標牌位置為起點1#順時針標記，1#對面的位置是33#，33#及相鄰位置螺柱外面應是受風力影響最大部位，是承受葉片自重最大部位。螺柱還承受葉片變槳扭轉造成的剪切應力作用。32#螺柱緊鄰33#，從相鄰的30#雙頭螺柱完好的狀況分析，可排除運行應力過載造成32#雙頭螺柱斷裂的可能性。

機組中葉片和輪轂之間安裝的變槳軸承使葉片旋轉變槳，變槳軸承的內圈與葉片根端結構連接，變槳軸承外圈固定輪轂上。葉片根端結構與變槳軸承內圈之間連接的雙頭螺柱緊固件傳遞承受葉片上的荷載，因此葉片根端連接螺孔結構與雙頭螺柱螺桿部位的擠壓接觸面是發生應力集中的重要部位。風機運行過程中雙頭螺柱主要受到葉片自重和風載荷的影響，第33#及相鄰區域雙頭螺柱屬迎風面位置所受載荷最大，是應力幅值最大區域。當螺柱承受的載荷過大、尤其是應力幅值較大時，可使夾緊程度下降，緊固件松動，隨后產生疲勞斷裂。為使葉片根端連接結構部位的疲勞荷載影響減至最小，標準操作是給雙頭螺柱緊固件加上一定程度的預緊力，該機組對葉片根端連接結構部位的每個雙頭螺柱緊固件施加擰緊力矩950 N·m。有預應力的螺柱在工作載荷等于其預應力之前，不會承受更多載荷，只有工作載荷超過預應力時，才有異常交變載荷傳遞給螺柱。預緊力過大時，也有異常交變載荷傳遞給螺柱。

綜上所述分析認為，造成32#雙頭螺柱疲勞斷裂的主要原因是，葉片連接雙頭螺柱緊固件預緊力不一致，部分雙頭螺柱緊固件預緊力不足或過大，造成應力幅值過大，并促使螺柱承受交變載荷增加，使夾緊程度下降，緊固件松動，擰入葉片根端連接螺孔結構的雙頭螺柱螺桿對應孔口部位受側向力作用，導致連接螺孔口部螺桿位置內側接觸面處螺紋根部產生應力集中，造成螺柱螺紋一側產生彎曲疲勞開裂并疲勞擴展，同時對面的區域承受同樣大小的擠壓應力，由此產生多條擠壓疲勞小裂紋，在后續不斷循環脈動的拉壓應力作用下，形成雙向彎曲疲勞斷裂。

4 結論

（1）葉片連接雙頭螺柱采用42CrMo 優質中碳合金鋼，材料滿足螺柱等級要求、成分全部合格。螺柱組織狀態為調質狀態，鋼中純凈度、表面脫碳層均在要求范圍內。

（2）雙頭螺柱的力學性能指標符合要求，標準要求部位截面硬度符合要求。兩個螺柱配套螺母硬度符合標準要求。

（3）編號為32#的雙頭螺柱斷裂位于斷裂端螺桿與葉片根端連接螺孔部分結構內側位置對應的第一個螺紋部位，屬雙向彎曲疲勞斷裂。

造成32#雙頭螺柱疲勞斷裂的主要原因是，葉片連接雙頭螺柱緊固件預緊力不一致，雙頭螺柱緊固件預緊力不足或過大，造成應力幅值過大，承受交變載荷增加，使夾緊程度下降，雙頭螺柱緊固件松動，結果導致螺柱產生雙向彎曲疲勞斷裂。