风力发电机齿轮箱轴承次表面损伤的微观研究

[英]Jasim H Al-Bedhany等

风力发电机组的设计寿命为20～25年，但因白色组织剥落(WSF)引起风力发电机齿轮箱轴承过早失效的报道屡见不鲜。失效与轴承滚道与滚动体的滚动接触面下的显微组织变化有关。尽管对由WSF引起的轴承过早失效进行了广泛研究，但其主要原因以及损伤的萌生和扩展机制仍是值得商榷的课题。对在风场运行的风力发电机齿轮箱用失效轴承试样进行微观研究，可深入了解显微组织变化和各种形式的损伤。能量色散X射线分析(EDX)技术通常用于确定轴承材料的化学成分和其他显微组织缺陷(如非金属夹杂物)。大量研究分析了不同形式的显微组织损伤，特别是蝶翼裂纹。结果发现，显微组织变化的形成发生在距滚动接触面一定深度的范围内。蝶翼裂纹看似与接触应力引起的剪切应力分布相近，这表明剪切应力对损伤萌生有重要影响。非金属夹杂物和材料清洁度对损伤萌生有重要影响。夹杂物的类型、尺寸和分布是影响损伤萌生的主要参数。通过对风力发电机齿轮箱轴承失效区截面进行破坏性研究，提供了研究平面的二维视图，同时一系列截面技术能对裂纹网进行三维观察。本文对2种失效的风力发电机齿轮箱行星轴承进行了破坏性研究，微观研究了轴承滚道的严重受损区域，并描述了蝶翼裂纹、微裂纹和受损夹杂物等不同形式损伤的特征。结果表明，除了非金属夹杂物引起的WSF外，次表面微裂纹是WSF的另一种引发源。次表面最大剪切应力对不同形式的损伤(如蝶翼裂纹、带内部裂纹的夹杂物和夹杂物-钢基体界面处的夹杂物分离)萌生有重要影响。

1 微观研究

对2套行星轴承的严重受损区域进行了破坏性研究。在轴承滚道的轴向和周向上切割和检查用于微观研究的试样，如图1所示。使用导电树脂安装试样，以显示所研究的表面。采用该切割流程可对位于严重受损区域中心线的整个轴向平面以及滚道的6个等距圆周截面进行微观研究。试样经研磨、抛光后用2%硝酸溶液(2%硝酸和98%乙醇)浸蚀。采用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)与EDX技术相结合的方法研究了材料的显微组织变化和不同形式的损伤。损伤形式(如夹杂物引发的裂纹和蝶翼裂纹)是根据尺寸、滚动接触面下的深度、相对于滚动面的倾角和夹杂物长宽比(AR)定义的损伤特征来描述。通过将损伤特征与轴承在运行过程中可能遇到的载荷条件相关联，分析了次表面损伤萌生。利用Hertz接触理论确定了接触面下的次表面应力分布和不同载荷水平下的应力变化。计算了表面拖动作用下的应力分布，以分析表面拖动对损伤萌生的预期作用。

2 结果和讨论

本研究中共发现149个受损夹杂物，其中55个夹杂物(37%)位于2个轴向截面试样中，94个夹杂物(63%)位于2个周向截面试样中。这些试样选自轴向和周向截面试样的中间，即图1所示的试样3和4。所研究的这些试样深度在滚动接触面下1 mm内，因为最大接触应力的影响不会超过该深度。

图1 所研究的失效轴承和试样位置(逆风和顺风轴承滚道)

受损夹杂物既有分离损伤(即夹杂物-钢基体界面处的夹杂物分离)、开裂损伤，也有分离与开裂的混合损伤。这些损伤形式的说明见表1。通过分离(上分离、下分离、上下分离和侧分离)识别出4类受损夹杂物。

表1 夹杂物引发的不同类型的显微组织损伤

最明显的显微组织变化是蝶翼裂纹，因此对该损伤形式进行了研究和分析。蝶翼裂纹分为单翼裂纹和双翼裂纹，单翼裂纹又进一步分为上单翼裂纹和下单翼裂纹。上翼裂纹位于引发损伤的夹杂物上方，即从夹杂物到滚动接触面。下翼裂纹从滚动接触面开裂。对49条蝶翼裂纹的翼长、夹角、深度等表征参数进行了分析。

2.1 引发损伤的夹杂物表征

根据国际标准规定的设计应力水平，通过施加压缩载荷和拖动力，采用Hertz接触理论计算接触面下的次表面应力分布。仅在压缩状态下以及在压缩和拖动联合作用下的最大剪切应力分布如图2所示。增加压缩载荷使最大剪切应力区进一步远离接触面。在压缩过程中引入表面拖动力使最大剪切应力区更靠近接触面。最大剪切应力区将与以下章节中发现各种形式损伤的位置进行比较。图2 在1.8 GPa压缩载荷(左)以及1.8 GPa压缩载荷和0.2%拖动力联合作用下(右)的最大剪切应力(单位GPa)分布在轴承滚动接触次表面存在不同形式的受损夹杂物，包括从基体中分离的夹杂物、裂纹从夹杂物扩展到基体中并形成蝶翼裂纹。不同类型受损夹杂物与其深度的百分比关系如图3和图4所示。所有分离的夹杂物均位于接触次表面最大剪切应力区的深度内。对于夹杂物边界上侧中心分离的夹杂物，由于拖动效应使最大剪切应力区更靠近接触面，因此损伤可能由表面拖动力引发的剪切应力造成。随着深度的增加，夹杂物下侧分离的夹杂物数量增加。通过将图3a中分离的受损夹杂物深度与图2所示的最大剪切应力深度进行比较，可清楚看出其深度密切相关。

图3 分离的受损夹杂物

分离的夹杂物是最主要的损伤形式，但也观察到由受损夹杂物引发的裂纹。裂纹以不同形式呈现：夹杂物上侧(朝向滚动接触面)、夹杂物下侧、夹杂物自身内部裂纹或这些不同形式的组合裂纹。与裂纹相关的夹杂物大致位于接触次表面最大剪切应力的深度内，如图4所示。受损夹杂物的表征支持了先前的观点，即次表面夹杂物引发的损伤可能是由于剪切应力的影响，并且沿最大剪切应力面出现裂纹。

图4 开裂的受损夹杂物

2.2 蝶翼裂纹

49条蝶翼裂纹的深度分布如图5a所示。所有蝶翼裂纹为周向截面试样，约位于最大剪切应力的深度处。观察到的蝶翼裂纹数量随着深度的增加而增加，但在深度大于700 μm处未发现蝶翼裂纹，仅有1条与接触面平行的小蝶翼裂纹。大部分蝶翼裂纹与滚动接触面呈25°或40°的倾斜角，分别占所有蝶翼裂纹的29%和21%，如图5b所示。按长度排列的蝶翼裂纹分布如图5c所示。由于所研究试样源于轴承滚道最严重受损区域，在该区域内，由于严重剥落会掉落一些接触面，因此在滚动接触面浅层未发现蝶翼裂纹。

图5 蝶翼裂纹

约71%的蝶翼裂纹为双翼裂纹，而其余蝶翼裂纹的57%(所有蝶翼裂纹的29%)为源于夹杂物上侧的单翼裂纹，剩余的蝶翼裂纹为位于下侧的单翼裂纹。与双翼裂纹相比，单翼裂纹的长度更短。这就产生了一种假设，即可能先从一个翼开始，随后出现另一个翼，两者一起扩展生成更长的蝶翼裂纹。没有证据支持是上翼裂纹还是下翼裂纹先产生，但蝶翼裂纹的起始点可能取决于引发损伤的夹杂物位置，而这与最大剪切应力位置有关。这些观察支持这样一种观点：最大剪切应力是蝶状显微组织损伤萌生的一种影响因素。观察发现，与蝶翼相关的裂纹很可能不是与滚动接触面相连的宏观裂纹网的一部分，因为重新研磨蝶翼裂纹试样表面后发现蝶翼裂纹消失。无论如何，蝶翼裂纹对次表面损伤扩展并不起重要作用，所有形式的损伤或许是因为剪切应力水平超过了轴承材料的临界极限。受损夹杂物深度与上下翼裂纹的发生并无明显相关性。深度大致相同(约320 μm)的2个夹杂物如图6a所示；然而，一个夹杂物带有上单翼，而另一个带有下单翼。带有蝶翼裂纹的2个夹杂物如图6b所示。带有上翼的夹杂物位于约250 μm的深度处；带有下翼的夹杂物位于约148 μm的深度处。

图6 蝶翼裂纹深度

受损夹杂物、微裂纹和蝶翼裂纹的位置比所计算的最大剪切应力区更深，这表明接触面可能承受比国际标准规定的设计应力水平高得多的载荷水平，可能超过轴承材料的屈服强度。为证实这点，在轴承滚道接触面载荷区内、外取25个点进行硬度测量，然后取平均值。载荷区内、外的表面硬度分别为788和746 HV，这表明载荷区内的表面硬度由于过载而硬化。本研究所发现的最大蝶翼裂纹如图7a所示，其位于远离顺风轴承边缘的严重剥落区域的末端(图1中的6#样品)。在图2所示的最大剪切应力区内，该蝶翼裂纹在滚动接触面下的深度约为470 μm。相比浅灰色MnS夹杂物，蝶翼裂纹中心的夹杂物颜色更深，如图7b所示。采用EDX分析确定夹杂物的化学成分，如图7c所示。分析表明，其是MnS、氧化铝、硅和其他化学成分组成的复合夹杂物。因此，根据国际标准ISO-4967∶2013，其为DDup型夹杂物。长宽比(AR)指夹杂物长轴与短轴的长度之比，用来评价夹杂物的形状。结果表明，大多数蝶翼裂纹萌生于低长宽比约为2∶1的夹杂物处。还观察到蝶翼裂纹很可能与带内部裂纹的夹杂物有关，带内部裂纹的夹杂物方向大致平行于最长蝶翼裂纹的方向。

图7 源于夹杂物的最大蝶翼裂纹

2.3 次表面微裂纹

如图8a所示，在过度腐蚀的试样上观察到大量沿宏观裂纹的微裂纹(用白色箭头标记)。进一步检查发现，其他试样在轴向和周向上都存在大量微裂纹，如图8b和图8c所示。以前的研究中也观察到相当数量的次表面微裂纹和宏观裂纹，但到目前为止，解释其对WSF作用的研究有限。

图8 呈现微裂纹的过度腐蚀试样：(a)和(b)周向切片试样；(c)轴向切片试样

在宏观裂纹的侧面和端部附近发现的微裂纹数量远高于受损夹杂物数量。这引发了一种假设：夹杂物和微裂纹均为导致WSF的次表面显微组织损伤的引发源。然而，夹杂物周围的弱边界和残余应力对次表面损伤萌生起着重要作用。图9中的轴向切片试样也显示了次表面微裂纹对损伤萌生作用的证据。靠近接触面的较大夹杂物不与周围的宏观裂纹网相连，尽管该夹杂物与另一个带有裂纹的小夹杂物相连，但2个相连的夹杂物并不与宏观裂纹网相连。在这2个夹杂物周围可见大量的微裂纹(用白色箭头标记)。这引发了一种假设：次表面微裂纹和/或由夹杂物边界分离引起的裂纹可能相互扩展，这取决于高应力位置处的最大剪切应力方向，然后向接触面扩展，从而导致WSF。

图9 轴向切片试样中与表面裂纹网不相连的大夹杂物

3 结论

对2套失效的风力发电机齿轮箱行星轴承进行破坏性研究，通过显微镜检查发现了不同形式的损伤，包括蝶翼裂纹、微裂纹和受损夹杂物。可得出以下结论：1)次表面微裂纹是除非金属夹杂物外的另一种损伤引发源，能产生导致WSF的次表面显微组织损伤。2)蝶翼裂纹与低长宽比的复合型非金属夹杂物有关，带内部裂纹的夹杂物方向大致平行于最长蝶翼裂纹的轴线。3)蝶翼裂纹和相关的裂纹可能不是宏观裂纹网的一部分；蝶翼裂纹可能首先出现一个翼，随后出现另一个翼。4)不同显微组织损伤形式的表征证实最大剪切应力与次表面显微组织损伤位置密切相关。END参考文献(略)Microscopic Investigation of Subsurface Initiated Damage of Wind Turbine Gearbox Bearings译自《JournalofPhysics: ConferenceSeries》，2018，1106:012029.

翻译：侯俊  校对：刘耀中

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