风力发电机组振动大的原因

风力发电是世界上应用最为广泛 、 发展最快的 一种绿色能源技术 。 近年来 ， 我国风电行业发展 迅速 ， 风电装机容量得到大幅增长 ， 相应的风机机械 故障数量也随之增加 。 滚动轴承是风力发电机中最 关键 、 最重要的运动部件之一 ， 大致可以分为偏航轴 承 、 变桨轴承和传动系统轴承等 ３ 类 。 变桨轴承 主要应用在兆瓦级以上的变桨距风力发电机组上 ； 该发电机组的桨叶安装在轮毂上 ， 由变桨轴承及相 应的控制装置根据风速调整桨叶的迎风角度 ， 以获 取最佳迎风角 。 由于风电轴承特别是变桨轴承的受 力情况复杂 ， 轴承承受的冲击和振动作用比较大 ， 且 存在低速运转或摆动 ， 冷凝水或盐分侵蚀等工况 ， 因 此易出现失效问题 。 某风力发电机组用变桨轴承的外圈材料为 ４２ＣｒＭｏ４Ｖ 钢 ， 在使用 ２ａ 后该外圈 发生断裂 。 为了找到断裂原因 ， 作者对其进行了失 效分析 。

１　理化检验及结果

１.１ 宏观形貌

在断裂外圈上取样 ， 清洗后观察断口宏观形貌 。 由图 １（ ａ）可见 ： 断口整体上比较平整 、 细腻 ， 未见明 显塑性变形 ， 具有脆性断裂的宏观特征 ； 螺栓孔内 表面存在随机分布的锈蚀痕迹 ， 个别区域的锈蚀比 较严重 ， 出现腐蚀产物堆积现象 ； 断口上存在明显的 疲劳弧线 ， 可观察到两个颜色较深的疲劳贝壳纹 （ 如椭圆形所示 ）， 贝壳纹均起源于螺栓孔内表面上 ， 说明此处为疲劳裂纹源区 。 在 Ｍ２０５Ａ 型体视显微 镜下观察裂纹源区形貌 。 由图 １（ ｂ）可见 ， 裂纹源区 存在明显的凹坑 ， 疲劳裂纹起源于凹坑处 。

１．２ 化学成分

采用 ＣＳ９０１Ｂ 型红外碳硫仪和 ＡＲＬ４４６０ 型光直读光谱仪分析断裂轴承外圈的化学成分 。 由表 １ 可 知 ， 断 裂 轴 承 外 圈 的 化 学 成 分 均 满 足 ＧＢ／ Ｔ ２０１２３－２００６ 和 ＧＢ／ Ｔ　４３３６－２０１６ 的成分要求 。

采用ＣＳ９０１Ｂ型红外碳硫仪和ＡＲＬ４４６０型光直读光谱仪分析断裂轴承外圈的化学成分。由表１可知，断裂轴承外圈的化学成分均满足ＧＢ／Ｔ２０１２３－２００６和ＧＢ／Ｔ４３３６－２０１６的成分要求。

１．３断口微观形貌及微区成分

裂纹源处存在明显的贝壳纹，其逆指向位置均位于断口和螺栓孔内表面的交界处，该区域为疲劳裂纹起源区。在Ｑｕａｎｔａ４００ＦＥＧ型扫描电子显微镜（ＳＥＭ）下观察断口微观形貌。由图２可知：裂纹源区均存在点蚀坑，点蚀坑中存在部分未脱落的腐蚀产物，靠近点蚀坑处存在疲劳辉纹和大致平行的二次裂纹；疲劳裂纹扩展区主要存在疲劳辉纹和大致平行的二次裂纹，呈现出疲劳断裂的典型微观特征；瞬断区主要为韧窝＋准解理断裂形貌，呈现出一次性快速断裂特征。

从裂纹源处垂直于螺栓孔轴向切割取样 ， 经镶 嵌 、 磨 抛后 ， 在 Ｑｕａｎｔａ４００ＦＥＧ 型扫描电子 显 微 镜 下观察微观形貌 。 由图 ３ 可见 ， 在靠近断口处和远 离断口处的螺栓孔内表面上均存在明显的点蚀坑 ， 以及从点蚀坑中萌生的微裂纹 。 微裂纹是由于点蚀 坑处应力集中而产生的 。

采用扫描电镜附带的 ＥＤＡＸ 能谱仪 （Ｅ ＤＳ）对 裂纹源区点蚀坑中的腐蚀产物进行无标样定性和半 定量分析 。 由图 ４ 可见 ， 腐蚀产物中除了存在基体 中的主要元素外 ， 还含有较高含量的氧 、 钠 、 钾 、 硫等元素 ， 其 中 氧 质 量 分 数 为 ５．１８％，硫 质 量 分 数 为 １．２５％，氯质量分数为 ０．８３％。

１．４ 显微组织

在断口上近裂纹源处切取轴向剖面试样 ， 经镶 嵌 、 磨抛并在体积分数 ４％ 硝酸乙醇溶液中腐蚀后 ， 在 ＬＥＩＣＡ　ＤＭＩ５０００Ｍ 型光学显微镜下观察显微组织。由图 ５ 可知 ： 裂纹源处存在明显的带状组织偏 析 ， 带状组织垂直于断口排列 ， 说明断裂和带状组织 无直接联系 ； 疲劳裂纹起源于螺栓孔内表面点蚀 坑处 ， 裂纹源处未见明显的增 、 脱碳现象 ； 远离断口 的基体组织和裂纹源处的组织基本相同 ， 均为回火 索氏体 ＋ 少量铁素体 。

１．５ 力学性能根据 ＧＢ／ Ｔ　２２８．１－２０１０ 和 ＧＢ／ Ｔ　２２９－２００７， 在断裂轴承外圈近外表面处取样 ， 制备圆棒形拉伸 试样和 Ｖ 型缺口冲击试样 ， 分别使用 ＺＷＩＣＫ　Ｚ２５０ 型拉伸试验机和 ＺＢＣ２３０２Ｎ－２ 型冲击试验机进行室 温拉伸试验和 －４０ ℃ 冲击试验 ， 屈服前后的拉伸速 度分别为 １， ２５ｍｍ· ｍｉｎ －１ 。 由表 ２ 可知 ， 断裂轴承 外圈的力学性能满足技术协议要求 。

２　 断裂原因分析

断裂轴承外圈的化学成分满足技术要求 ， 裂纹 源处的显微组织和远离断口的基体组织一致 ， 均为 回火索氏体 ＋ 少量铁素体 ， 螺栓孔内表面和断口处 均未见明显增 、 脱碳现象 。 断口宏观形貌和微观形 貌分析结果表明 ， 该轴承外圈的断裂性质为疲劳断 裂 。 螺栓孔内表面局部可见锈迹 ， 裂纹源区的贝壳 纹清晰可见 ， 裂纹起源于螺栓孔内表面 ， 具有多源特 征 ； 裂纹源部位的螺栓孔内表面存在多个点蚀坑 ， 以 及在点蚀坑处萌生的微裂纹 ， 说明疲劳裂纹起源于 点蚀坑处 。 点蚀坑中存在腐蚀产物 ， 腐蚀产物中氧 、 硫 、 氯元素含量较高 ， 说明点蚀坑主要由氧 、 硫和氯 元素腐蚀形成 。风力发电机组振动大的原因风电设备服役的地域比较广， 使用环境比较复 杂 。 含有硫化物和氯化物的潮湿空气对螺栓孔内表面产生局部腐蚀 ， 形成点蚀坑 ； 点蚀坑存在明显的应 力集中 ， 在较大的外力作用下 ， 点蚀坑处萌生疲劳裂 纹 ， 最终导致疲劳断裂 。

３　 结论及措施

（１ ） 轴承外圈的断裂性质为疲劳断裂 。 螺栓孔 内表面在环境中的氧 、 硫 、 氯等腐蚀介质作用下产生 点蚀坑 ， 形成应力集中点 ； 在较大外力作用下 ， 在应 力集中明显的点蚀坑处萌生疲劳裂纹 ， 裂纹扩展导 致疲劳断裂 。（２ ） 在螺栓孔内表面采取适当的防腐措施 ， 如 刷一层油漆等 ， 防止点蚀发生 ， 避免因点蚀而萌生裂 纹 ， 从而防止轴承外圈的疲劳断裂 。