風力發電機齒輪箱軸承次表面損傷的微觀研究

[英]Jasim H Al-Bedhany等

風力發電機組的設計壽命為20～25年，但因白色組織剝落(WSF)引起風力發電機齒輪箱軸承過早失效的報道屢見不鮮。失效與軸承滾道與滾動體的滾動接觸面下的顯微組織變化有關。盡管對由WSF引起的軸承過早失效進行了廣泛研究，但其主要原因以及損傷的萌生和擴展機制仍是值得商榷的課題。對在風場運行的風力發電機齒輪箱用失效軸承試樣進行微觀研究，可深入了解顯微組織變化和各種形式的損傷。能量色散X射線分析(EDX)技術通常用于確定軸承材料的化學成分和其他顯微組織缺陷(如非金屬夾雜物)。大量研究分析了不同形式的顯微組織損傷，特別是蝶翼裂紋。結果發現，顯微組織變化的形成發生在距滾動接觸面一定深度的范圍內。蝶翼裂紋看似與接觸應力引起的剪切應力分布相近，這表明剪切應力對損傷萌生有重要影響。非金屬夾雜物和材料清潔度對損傷萌生有重要影響。夾雜物的類型、尺寸和分布是影響損傷萌生的主要參數。通過對風力發電機齒輪箱軸承失效區截面進行破壞性研究，提供了研究平面的二維視圖，同時一系列截面技術能對裂紋網進行三維觀察。本文對2種失效的風力發電機齒輪箱行星軸承進行了破壞性研究，微觀研究了軸承滾道的嚴重受損區域，并描述了蝶翼裂紋、微裂紋和受損夾雜物等不同形式損傷的特征。結果表明，除了非金屬夾雜物引起的WSF外，次表面微裂紋是WSF的另一種引發源。次表面最大剪切應力對不同形式的損傷(如蝶翼裂紋、帶內部裂紋的夾雜物和夾雜物-鋼基體界面處的夾雜物分離)萌生有重要影響。

1 微觀研究

對2套行星軸承的嚴重受損區域進行了破壞性研究。在軸承滾道的軸向和周向上切割和檢查用于微觀研究的試樣，如圖1所示。使用導電樹脂安裝試樣，以顯示所研究的表面。采用該切割流程可對位于嚴重受損區域中心線的整個軸向平面以及滾道的6個等距圓周截面進行微觀研究。試樣經研磨、拋光后用2%硝酸溶液(2%硝酸和98%乙醇)浸蝕。采用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)與EDX技術相結合的方法研究了材料的顯微組織變化和不同形式的損傷。損傷形式(如夾雜物引發的裂紋和蝶翼裂紋)是根據尺寸、滾動接觸面下的深度、相對于滾動面的傾角和夾雜物長寬比(AR)定義的損傷特征來描述。通過將損傷特征與軸承在運行過程中可能遇到的載荷條件相關聯，分析了次表面損傷萌生。利用Hertz接觸理論確定了接觸面下的次表面應力分布和不同載荷水平下的應力變化。計算了表面拖動作用下的應力分布，以分析表面拖動對損傷萌生的預期作用。

2 結果和討論

本研究中共發現149個受損夾雜物，其中55個夾雜物(37%)位于2個軸向截面試樣中，94個夾雜物(63%)位于2個周向截面試樣中。這些試樣選自軸向和周向截面試樣的中間，即圖1所示的試樣3和4。所研究的這些試樣深度在滾動接觸面下1 mm內，因為最大接觸應力的影響不會超過該深度。

圖1 所研究的失效軸承和試樣位置(逆風和順風軸承滾道)

受損夾雜物既有分離損傷(即夾雜物-鋼基體界面處的夾雜物分離)、開裂損傷，也有分離與開裂的混合損傷。這些損傷形式的說明見表1。通過分離(上分離、下分離、上下分離和側分離)識別出4類受損夾雜物。

表1 夾雜物引發的不同類型的顯微組織損傷

最明顯的顯微組織變化是蝶翼裂紋，因此對該損傷形式進行了研究和分析。蝶翼裂紋分為單翼裂紋和雙翼裂紋，單翼裂紋又進一步分為上單翼裂紋和下單翼裂紋。上翼裂紋位于引發損傷的夾雜物上方，即從夾雜物到滾動接觸面。下翼裂紋從滾動接觸面開裂。對49條蝶翼裂紋的翼長、夾角、深度等表征參數進行了分析。

2.1 引發損傷的夾雜物表征

根據國際標準規定的設計應力水平，通過施加壓縮載荷和拖動力，采用Hertz接觸理論計算接觸面下的次表面應力分布。僅在壓縮狀態下以及在壓縮和拖動聯合作用下的最大剪切應力分布如圖2所示。增加壓縮載荷使最大剪切應力區進一步遠離接觸面。在壓縮過程中引入表面拖動力使最大剪切應力區更靠近接觸面。最大剪切應力區將與以下章節中發現各種形式損傷的位置進行比較。圖2 在1.8 GPa壓縮載荷(左)以及1.8 GPa壓縮載荷和0.2%拖動力聯合作用下(右)的最大剪切應力(單位GPa)分布在軸承滾動接觸次表面存在不同形式的受損夾雜物，包括從基體中分離的夾雜物、裂紋從夾雜物擴展到基體中并形成蝶翼裂紋。不同類型受損夾雜物與其深度的百分比關系如圖3和圖4所示。所有分離的夾雜物均位于接觸次表面最大剪切應力區的深度內。對于夾雜物邊界上側中心分離的夾雜物，由于拖動效應使最大剪切應力區更靠近接觸面，因此損傷可能由表面拖動力引發的剪切應力造成。隨著深度的增加，夾雜物下側分離的夾雜物數量增加。通過將圖3a中分離的受損夾雜物深度與圖2所示的最大剪切應力深度進行比較，可清楚看出其深度密切相關。

圖3 分離的受損夾雜物

分離的夾雜物是最主要的損傷形式，但也觀察到由受損夾雜物引發的裂紋。裂紋以不同形式呈現：夾雜物上側(朝向滾動接觸面)、夾雜物下側、夾雜物自身內部裂紋或這些不同形式的組合裂紋。與裂紋相關的夾雜物大致位于接觸次表面最大剪切應力的深度內，如圖4所示。受損夾雜物的表征支持了先前的觀點，即次表面夾雜物引發的損傷可能是由于剪切應力的影響，并且沿最大剪切應力面出現裂紋。

圖4 開裂的受損夾雜物

2.2 蝶翼裂紋

49條蝶翼裂紋的深度分布如圖5a所示。所有蝶翼裂紋為周向截面試樣，約位于最大剪切應力的深度處。觀察到的蝶翼裂紋數量隨著深度的增加而增加，但在深度大于700 μm處未發現蝶翼裂紋，僅有1條與接觸面平行的小蝶翼裂紋。大部分蝶翼裂紋與滾動接觸面呈25°或40°的傾斜角，分別占所有蝶翼裂紋的29%和21%，如圖5b所示。按長度排列的蝶翼裂紋分布如圖5c所示。由于所研究試樣源于軸承滾道最嚴重受損區域，在該區域內，由于嚴重剝落會掉落一些接觸面，因此在滾動接觸面淺層未發現蝶翼裂紋。

圖5 蝶翼裂紋

約71%的蝶翼裂紋為雙翼裂紋，而其余蝶翼裂紋的57%(所有蝶翼裂紋的29%)為源于夾雜物上側的單翼裂紋，剩余的蝶翼裂紋為位于下側的單翼裂紋。與雙翼裂紋相比，單翼裂紋的長度更短。這就產生了一種假設，即可能先從一個翼開始，隨后出現另一個翼，兩者一起擴展生成更長的蝶翼裂紋。沒有證據支持是上翼裂紋還是下翼裂紋先產生，但蝶翼裂紋的起始點可能取決于引發損傷的夾雜物位置，而這與最大剪切應力位置有關。這些觀察支持這樣一種觀點：最大剪切應力是蝶狀顯微組織損傷萌生的一種影響因素。觀察發現，與蝶翼相關的裂紋很可能不是與滾動接觸面相連的宏觀裂紋網的一部分，因為重新研磨蝶翼裂紋試樣表面后發現蝶翼裂紋消失。無論如何，蝶翼裂紋對次表面損傷擴展并不起重要作用，所有形式的損傷或許是因為剪切應力水平超過了軸承材料的臨界極限。受損夾雜物深度與上下翼裂紋的發生并無明顯相關性。深度大致相同(約320 μm)的2個夾雜物如圖6a所示；然而，一個夾雜物帶有上單翼，而另一個帶有下單翼。帶有蝶翼裂紋的2個夾雜物如圖6b所示。帶有上翼的夾雜物位于約250 μm的深度處；帶有下翼的夾雜物位于約148 μm的深度處。

圖6 蝶翼裂紋深度

受損夾雜物、微裂紋和蝶翼裂紋的位置比所計算的最大剪切應力區更深，這表明接觸面可能承受比國際標準規定的設計應力水平高得多的載荷水平，可能超過軸承材料的屈服強度。為證實這點，在軸承滾道接觸面載荷區內、外取25個點進行硬度測量，然后取平均值。載荷區內、外的表面硬度分別為788和746 HV，這表明載荷區內的表面硬度由于過載而硬化。本研究所發現的最大蝶翼裂紋如圖7a所示，其位于遠離順風軸承邊緣的嚴重剝落區域的末端(圖1中的6#樣品)。在圖2所示的最大剪切應力區內，該蝶翼裂紋在滾動接觸面下的深度約為470 μm。相比淺灰色MnS夾雜物，蝶翼裂紋中心的夾雜物顏色更深，如圖7b所示。采用EDX分析確定夾雜物的化學成分，如圖7c所示。分析表明，其是MnS、氧化鋁、硅和其他化學成分組成的復合夾雜物。因此，根據國際標準ISO-4967∶2013，其為DDup型夾雜物。長寬比(AR)指夾雜物長軸與短軸的長度之比，用來評價夾雜物的形狀。結果表明，大多數蝶翼裂紋萌生于低長寬比約為2∶1的夾雜物處。還觀察到蝶翼裂紋很可能與帶內部裂紋的夾雜物有關，帶內部裂紋的夾雜物方向大致平行于最長蝶翼裂紋的方向。

圖7 源于夾雜物的最大蝶翼裂紋

2.3 次表面微裂紋

如圖8a所示，在過度腐蝕的試樣上觀察到大量沿宏觀裂紋的微裂紋(用白色箭頭標記)。進一步檢查發現，其他試樣在軸向和周向上都存在大量微裂紋，如圖8b和圖8c所示。以前的研究中也觀察到相當數量的次表面微裂紋和宏觀裂紋，但到目前為止，解釋其對WSF作用的研究有限。

圖8 呈現微裂紋的過度腐蝕試樣：(a)和(b)周向切片試樣；(c)軸向切片試樣

在宏觀裂紋的側面和端部附近發現的微裂紋數量遠高于受損夾雜物數量。這引發了一種假設：夾雜物和微裂紋均為導致WSF的次表面顯微組織損傷的引發源。然而，夾雜物周圍的弱邊界和殘余應力對次表面損傷萌生起著重要作用。圖9中的軸向切片試樣也顯示了次表面微裂紋對損傷萌生作用的證據。靠近接觸面的較大夾雜物不與周圍的宏觀裂紋網相連，盡管該夾雜物與另一個帶有裂紋的小夾雜物相連，但2個相連的夾雜物并不與宏觀裂紋網相連。在這2個夾雜物周圍可見大量的微裂紋(用白色箭頭標記)。這引發了一種假設：次表面微裂紋和/或由夾雜物邊界分離引起的裂紋可能相互擴展，這取決于高應力位置處的最大剪切應力方向，然后向接觸面擴展，從而導致WSF。

圖9 軸向切片試樣中與表面裂紋網不相連的大夾雜物

3 結論

對2套失效的風力發電機齒輪箱行星軸承進行破壞性研究，通過顯微鏡檢查發現了不同形式的損傷，包括蝶翼裂紋、微裂紋和受損夾雜物。可得出以下結論：1)次表面微裂紋是除非金屬夾雜物外的另一種損傷引發源，能產生導致WSF的次表面顯微組織損傷。2)蝶翼裂紋與低長寬比的復合型非金屬夾雜物有關，帶內部裂紋的夾雜物方向大致平行于最長蝶翼裂紋的軸線。3)蝶翼裂紋和相關的裂紋可能不是宏觀裂紋網的一部分；蝶翼裂紋可能首先出現一個翼，隨后出現另一個翼。4)不同顯微組織損傷形式的表征證實最大剪切應力與次表面顯微組織損傷位置密切相關。END參考文獻(略)Microscopic Investigation of Subsurface Initiated Damage of Wind Turbine Gearbox Bearings譯自《JournalofPhysics: ConferenceSeries》，2018，1106:012029.

翻譯：侯俊  校對：劉耀中

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