風電偏航驅動行星架開裂原因

燕友增,孟高強,曹 奇,吳 飛,張 皓

(明陽智慧能源集團股份公司,中山 528400)

偏航驅動是風機偏航系統中的重要部件,而其中的行星架是安裝行星齒輪的零件。風的方向是隨時間不斷變化的,而風力發電機必須迎著風向才能最大效率地利用風能,因此風電機組的機艙也必須跟隨著風向的變化來不斷改變方向,以保證始終處于迎風狀態。偏航驅動中的第5級行星架材料為球墨鑄鐵QT700-2,其一般生產工藝流程為:熔煉→澆注→正回火熱處理→機械加工,偏航系統及偏航驅動內部結構如圖1所示。

圖1 偏航系統示意及偏航驅動內部結構

某風機運行5個月左右后不能正常偏航,經拆解檢查發現偏航系統第5級行星架開裂損壞(見圖2),筆者采用一系列理化檢驗方法對該行星架的斷裂原因進行分析,以防止該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

偏航減速機外觀正常,無漏油現象,目視檢查行星架上的裂紋和斷裂面,發現多條裂紋,并且同一行星架完全開裂位置不止一處,斷口宏觀形貌如圖3所示。裂紋源處于安裝行星輪的銷軸孔表面,未見明顯加工缺陷。

圖3 行星架斷口宏觀形貌

1.2 化學成分分析

從行星架上取樣,按照GB/T 20123—2016《鋼鐵總碳硫含量的測定高頻感應爐燃燒后紅外吸收法(常規方法)》方法A,分析C、S元素的含量,按照GB/T 20125—2006《低合金鋼多元素的測定電感耦合等離子體發射光譜法》分析其他元素的含量,結果如表1所示,結果符合GB/T 1348—2019《球墨鑄鐵件》的要求。

表1 行星架的化學成分分析結果 %

1.3 掃描電鏡(SEM)分析

從行星架上選取斷裂面,采用SEM 對裂紋源,即區域A 進行觀察,結果如圖4所示。由圖4可知:斷面組織有解理臺階和河流花樣,還有球冠狀凹坑,該斷口呈脆性解理斷口形貌[1]。

圖4 斷面區域A的SEM 形貌

1.4 能譜分析

采用能譜分析儀對區域A進行分析,結果如圖5所示,裂紋源處未發現明顯異常夾雜物[2]。

圖5 行星架試樣裂紋源處能譜分析結果

1.5 拉伸性能測試

在行星架上取樣,按標準GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》進行拉伸性能測試,結果如表2所示,由表2可知:結果符合GB/T1348—2019對QT700-2球墨鑄鐵的要求。

表2 行星架試樣的拉伸性能測試結果

1.6 夏比擺錘沖擊試驗

在行星架上取樣,按標準GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行夏比擺錘沖擊試驗,測得的沖擊吸收能量如表3所示。

表3 行星架試樣的夏比擺錘沖擊試驗結果 J

1.7 硬度測試

在行星架上取樣,按標準GB/T 231.1—2002《金屬布氏硬度試驗第1部分:試驗方法》進行硬度測試,結果如表4所示,結果滿足標準要求的220～270 HB。

表4 行星架試樣的硬度測試結果 HB

1.8 金相檢驗

在行星架上取樣,用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,按照GB/T 9441—2009《球墨鑄鐵金相檢驗》,腐蝕前檢測試樣的球化級別、石墨大小及數量,腐蝕后檢測試樣的珠光體和鐵素體數量,結果如表5、圖6所示,結果符合標準的要求。

表5 行星架試樣的顯微組織測試結果

圖6 行星架試樣的顯微組織形貌

2 綜合分析

該偏航驅動是一款新設計的驅動,還處于樣機驗證階段,是兩臺樣機中的一臺,還未進行批量驗證。其有限元分析結果如圖7所示,最大應力位于安裝行星輪的銷軸孔處和立柱與平面的圓角過渡處,安全系數為1.56,滿足靜強度設計要求。

圖7 偏航驅動的有限元分析結果

該風機僅運行了5個月左右,偏航驅動就發生了開裂現象,使用時間較短,經風場現場調查,測量偏航電機電壓、線路阻值均正常,電機可以正常轉動,電磁抱閘也可以正常松開。檢查機組數據發現,機組存在偏航滑移,即偏航驅動存在被機組拖動的現象。偏航驅動拖動是指偏航驅動本來是通過電機轉動驅動機組偏航旋轉,但由于各方面原因,偏航驅動電機在靜止的時候,機組被風吹動,從驅動的輸出端傳遞力矩至減速機內部。

由宏觀和微觀斷口形貌分析可知:宏觀檢查發現裂紋源處于安裝行星輪的銷軸孔表面,未見明顯加工缺陷;掃描電鏡觀察到斷口存在解理臺階和河流花樣,屬于脆性解理斷口形貌;能譜分析結果表明,裂紋源處沒有明顯異常夾雜物。

由化學成分分析、拉伸性能測試、硬度測試、金相檢驗結果可知:開裂行星架的化學成分、拉伸性能、硬度和顯微組織形貌均符合GB/T 1348—2019對QT700-2球墨鑄鐵的要求。

從分析結果來看,產品質量各檢測項目都滿足設計要求,可以排除由于生產制造不當導致失效的可能。裂紋源位于安裝行星輪的銷軸孔表面,結合設計分析來看,裂紋正位于最大應力位置處,推測開裂原因為強度設計不足,或偏航承受的瞬時應力過大[3]。查詢機組運行數據,并未發現載荷過大的情況,但沖擊吸收能量非常低。行星架材料的抗沖擊性能較差,故不能承受沖擊載荷而發生開裂現象[4]。

3 結語和建議

該偏航驅動行星架發生脆性斷裂,裂紋源處于應力最大處,即安裝行星輪的銷軸孔表面,行星架的夏比沖擊吸收能量低,抗沖擊能力差,偏航驅動在發生被動偏航滑移時,承受了較大的沖擊載荷,在應力最大處產生裂紋,裂紋在較短的時間內快速擴展,最終導致材料脆性斷裂。建議改用塑性和韌性更好的QT500-14球墨鑄鐵材料或鍛鋼件材料生產偏航驅動齒輪箱行星架[5]。