風(fēng)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(shè)計研究院，山西太原 030009）

0 引言

某風(fēng)電場對投入運行2 年的風(fēng)力發(fā)電機組輪轂內(nèi)葉片和變槳軸承連接高強度雙頭螺柱進行年檢維護時，發(fā)現(xiàn)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(fēng)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?fù)暾p頭螺柱（30#）及螺母（圖2、圖3），對雙頭螺柱斷裂原因進行分析。

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(nèi)六方扭力孔。兩端螺桿均為M30。

1.2 30#相鄰?fù)暾p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(nèi)六方扭力孔，距端部70 mm 長度范圍內(nèi)螺紋溝槽內(nèi)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(nèi)螺紋部分溝槽內(nèi)有黑色及黃色物質(zhì)；距端部15～40 mm 的長度范圍內(nèi)呈較干凈狀態(tài)的螺紋部分應(yīng)該是該端螺桿與葉片根端連接螺母螺孔結(jié)構(gòu)之間相互擰緊連接的部位；距端部40～56 mm的長度范圍內(nèi)螺紋部分溝槽內(nèi)有黑色及黃色類似環(huán)氧樹脂的物質(zhì)。雙頭螺柱中部桿徑25.3 mm。雙頭螺柱兩端螺紋經(jīng)清洗后仔細觀察未發(fā)現(xiàn)存在裂紋。

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?fù)暾p頭螺柱（30#）及螺母

2 試驗分析

2.1 宏觀斷口分析

圖4 32#螺柱螺紋的斷裂處宏觀形貌

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(qū)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(cè)裂源區(qū)為對面的兩個區(qū)域，分別在兩條螺紋根部線性區(qū)域。其中，主裂紋疲勞擴展區(qū)占斷面的3/4 區(qū)域，對面1/4 斜面斷口區(qū)域中表面區(qū)域呈磨光的疲勞特征，并有明顯的應(yīng)力集中，其他區(qū)域為快速擴展的終斷區(qū)（圖4）。同時在斜面斷口裂源區(qū)下一條螺紋根部發(fā)現(xiàn)環(huán)向小裂紋，深度較淺、長度類似于裂源區(qū)線源長度，認為此裂紋為使用中產(chǎn)生的疲勞裂紋。

2.2 化學(xué)成分及力學(xué)性能測試

化學(xué)成分及力學(xué)性能試驗結(jié)果見表1～表3。

試驗結(jié)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(biāo)準(zhǔn)要求；②32#雙頭螺柱力學(xué)性能指標(biāo)均符合材料標(biāo)準(zhǔn)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(guī)定部位硬度符合要求，兩個螺母硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 32#雙頭螺柱基體化學(xué)成分試驗分析結(jié)果

表2 32#雙頭螺柱力學(xué)性能試驗結(jié)果

表3 32#和30#螺柱及配套螺母硬度試驗 HRC

表4 32#雙頭螺柱的組織性能試驗結(jié)果

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(jié)果表明，該螺柱鋼中純凈度合格，組織狀態(tài)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(tài)可以確定螺柱是采用熱處理及滾齒工藝制造。

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(cè)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(qū)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(qū)螺紋齒面上分布有涂層和固形物，疲勞擴展區(qū)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(xiàn)疲勞波紋，及疲勞擴展韌窩，直至與對面疲勞區(qū)形成突變的變截面區(qū)（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(huán)彎曲疲勞斷裂。

對面斷口區(qū)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(qū)應(yīng)力集中嚴(yán)重，微觀斷口花樣也為疲勞平面，每個豎棱狀源區(qū)都有密集的溝槽條紋及伴生的二次裂紋，同時看見裂源區(qū)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(qū)較短尺寸大約3～4 mm，之后是終斷區(qū)，終斷區(qū)較小為準(zhǔn)解理花樣（圖7）。說明雙向循環(huán)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(yīng)力集中，豎棱狀源區(qū)都有密集伴生的二次裂紋應(yīng)屬壓縮裂紋。

圖6 掃描電鏡斷口

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

3 討論分析

風(fēng)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?fù)暾穆葜M行試驗分析。

3.1 雙頭螺柱材料及螺母質(zhì)量分析

根據(jù)螺柱全面材料試驗分析結(jié)果可以確定，螺柱采用42CrMo 優(yōu)質(zhì)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(tài)為調(diào)質(zhì)狀態(tài)，鋼中純凈度、表面脫碳層均在要求范圍內(nèi)。同時螺紋齒頂和齒溝表面冷變形組織分布形態(tài)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(xué)性能指標(biāo)符合要求，低溫沖擊韌性良好，標(biāo)準(zhǔn)要求部位截面硬度符合要求，兩個螺母硬度符合標(biāo)準(zhǔn)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7 對面斷口區(qū)微觀圖

圖8 主裂紋源區(qū)斷口基體能譜圖

圖9 主裂紋源區(qū)螺紋齒面涂層能譜圖

圖10 對面裂紋源區(qū)螺紋齒面固形物能譜圖

表5 裂紋源區(qū)組織元素含量試驗結(jié)果

32#葉片雙頭螺柱斷裂在端部無內(nèi)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(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)位置對應(yīng)的第一個螺紋部位。斷口面大部分呈稍凸的平面，有1/4區(qū)域為突變斜面，斷口屬雙向彎曲疲勞斷裂，雙側(cè)裂源區(qū)為對面的二個區(qū)域，分別在二條螺紋根部線性區(qū)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(qū)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(qū)占斷面的3/4 區(qū)域，屬典型的高周、脈動的循環(huán)彎曲疲勞斷裂。但雙向循環(huán)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(qū)域中表面區(qū)域呈磨光的疲勞特征，并有明顯的應(yīng)力集中，其他區(qū)域為快速擴展的終斷區(qū)，豎棱狀源區(qū)都有密集伴生的二次裂紋應(yīng)屬壓縮裂紋。

從宏觀、微觀及材料質(zhì)量分析，首先可以排除螺柱材料質(zhì)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(biāo)牌位置為起點1#順時針標(biāo)記，1#對面的位置是33#，33#及相鄰位置螺柱外面應(yīng)是受風(fēng)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(zhuǎn)造成的剪切應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)變槳，變槳軸承的內(nèi)圈與葉片根端結(jié)構(gòu)連接，變槳軸承外圈固定輪轂上。葉片根端結(jié)構(gòu)與變槳軸承內(nèi)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(jié)構(gòu)與雙頭螺柱螺桿部位的擠壓接觸面是發(fā)生應(yīng)力集中的重要部位。風(fēng)機運行過程中雙頭螺柱主要受到葉片自重和風(fēng)載荷的影響，第33#及相鄰區(qū)域雙頭螺柱屬迎風(fēng)面位置所受載荷最大，是應(yīng)力幅值最大區(qū)域。當(dāng)螺柱承受的載荷過大、尤其是應(yīng)力幅值較大時，可使夾緊程度下降，緊固件松動，隨后產(chǎn)生疲勞斷裂。為使葉片根端連接結(jié)構(gòu)部位的疲勞荷載影響減至最小，標(biāo)準(zhǔn)操作是給雙頭螺柱緊固件加上一定程度的預(yù)緊力，該機組對葉片根端連接結(jié)構(gòu)部位的每個雙頭螺柱緊固件施加擰緊力矩950 N·m。有預(yù)應(yīng)力的螺柱在工作載荷等于其預(yù)應(yīng)力之前，不會承受更多載荷，只有工作載荷超過預(yù)應(yīng)力時，才有異常交變載荷傳遞給螺柱。預(yù)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(yù)緊力不一致，部分雙頭螺柱緊固件預(yù)緊力不足或過大，造成應(yīng)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(jié)構(gòu)的雙頭螺柱螺桿對應(yīng)孔口部位受側(cè)向力作用，導(dǎo)致連接螺孔口部螺桿位置內(nèi)側(cè)接觸面處螺紋根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成螺柱螺紋一側(cè)產(chǎn)生彎曲疲勞開裂并疲勞擴展，同時對面的區(qū)域承受同樣大小的擠壓應(yīng)力，由此產(chǎn)生多條擠壓疲勞小裂紋，在后續(xù)不斷循環(huán)脈動的拉壓應(yīng)力作用下，形成雙向彎曲疲勞斷裂。

4 結(jié)論

（1）葉片連接雙頭螺柱采用42CrMo 優(yōu)質(zhì)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(tài)為調(diào)質(zhì)狀態(tài)，鋼中純凈度、表面脫碳層均在要求范圍內(nèi)。

（2）雙頭螺柱的力學(xué)性能指標(biāo)符合要求，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)位置對應(yīng)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(yù)緊力不一致，雙頭螺柱緊固件預(yù)緊力不足或過大，造成應(yīng)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(jié)果導(dǎo)致螺柱產(chǎn)生雙向彎曲疲勞斷裂。