王思明 許明恒

西南交通大學(xué)，成都，610031

0 引言

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上主要有偏航軸承與變槳軸承兩種轉(zhuǎn)盤軸承，偏航軸承安裝于機(jī)艙的底部，承載風(fēng)力機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的全部質(zhì)量，用于準(zhǔn)確適時(shí)地對(duì)中風(fēng)力機(jī)的迎風(fēng)角度。變槳軸承安裝于葉片和輪轂之間，葉片可以相對(duì)其軸線旋轉(zhuǎn)進(jìn)行變槳，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在額定功率點(diǎn)以上輸出功率平穩(wěn)。結(jié)構(gòu)形式采用單列四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承和雙列四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承，個(gè)別情況采用交叉滾子軸承，這些軸承又包括無(wú)齒式、內(nèi)齒式或外齒式等形式［1－2］。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組往往工作在氣候惡劣的野外。工作過(guò)程中，轉(zhuǎn)盤軸承將同時(shí)受到徑向力、軸向力和傾覆力矩，并且這些載荷隨迎風(fēng)角度、風(fēng)力等級(jí)的大小以及葉片的旋轉(zhuǎn)位置呈周期性變化［3－4］。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作過(guò)程中，偏航軸承與變槳軸承基本處于靜止或緩慢擺動(dòng)狀態(tài)，并且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低于切入風(fēng)速或高于切出風(fēng)速停機(jī)時(shí)，軸承仍會(huì)受到葉片由于氣流作用而產(chǎn)生的振動(dòng)力。

交變或振動(dòng)載荷將使轉(zhuǎn)盤軸承的滾動(dòng)體和滾道接觸處以及輪齒接觸處產(chǎn)生微小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)接觸處不能形成正常的潤(rùn)滑油膜而使金屬直接接觸時(shí)，轉(zhuǎn)盤軸承就容易受到微動(dòng)磨損。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組又通常處在復(fù)雜多變的大氣環(huán)境中，受氣溫的變化形成的冷凝水、海風(fēng)中的鹽分、酸雨和腐蝕性氣體等的腐蝕，所以微動(dòng)磨損中伴隨有微動(dòng)腐蝕，這些因素加劇了轉(zhuǎn)盤軸承的微動(dòng)磨損，因此微動(dòng)磨損是這類軸承的主要失效形式［5－6］。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)盤軸承裝拆困難，要求壽命長(zhǎng)、可靠性高且運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，因此有必要對(duì)轉(zhuǎn)盤軸承在交變、振動(dòng)載荷作用下的微動(dòng)磨損進(jìn)行分析，并通過(guò)試驗(yàn)研究材料的硬度與受力角度對(duì)轉(zhuǎn)盤軸承微動(dòng)磨損損傷程度的影響。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)盤軸承中的微動(dòng)磨損

1．1 微動(dòng)磨損的損傷形式

根據(jù)文獻(xiàn)［7］可以推斷，在轉(zhuǎn)盤軸承滾道及輪齒的接觸表面上發(fā)生的微動(dòng)磨損與普通微動(dòng)磨損一樣包括兩種情況：一是反復(fù)的小幅相對(duì)滑動(dòng)，造成接觸表面的機(jī)械損傷，即接觸滑動(dòng)磨損；二是較大的接觸壓力及微動(dòng)，在接觸表面引發(fā)裂紋，并在反復(fù)微動(dòng)作用下裂紋擴(kuò)展，使裂紋與外表面之間的材料脫離母體，剝落下來(lái)成為磨屑。產(chǎn)生裂紋是因?yàn)榫植科谒拢@也是微動(dòng)磨損的機(jī)理之一。實(shí)際中，接觸滑動(dòng)磨損與局部接觸疲勞在微動(dòng)過(guò)程中存在一種競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制［8］。微動(dòng)磨損最終會(huì)在接觸面上產(chǎn)生偽布氏壓痕或蝕坑，使軸承轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力增大，從而引起卡阻使控制動(dòng)作困難。而微動(dòng)產(chǎn)生疲勞裂紋將加速轉(zhuǎn)盤軸承的失效，顯著縮短軸承的使用壽命。

1．2 微動(dòng)磨損運(yùn)行模式

外部載荷的隨機(jī)性決定了轉(zhuǎn)盤軸承中微動(dòng)磨損運(yùn)行模式的不確定性，并且微動(dòng)磨損過(guò)程還將有潤(rùn)滑脂和腐蝕介質(zhì)的參與，增加了微動(dòng)磨損過(guò)程的復(fù)雜性。不同位置的滾動(dòng)體與滾道接觸處發(fā)生的磨損運(yùn)行狀況也不盡相同。以四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承為例，Harris［9］指出，只要鋼球與溝道接觸角不為零，在內(nèi)溝道或外溝道中通常不可能出現(xiàn)沒有自旋的滾動(dòng)。因此，轉(zhuǎn)盤軸承在葉片產(chǎn)生的軸向力、徑向力、傾覆力矩以及扭轉(zhuǎn)力矩的作用下，轉(zhuǎn)盤軸承滾動(dòng)體和滾道之間的微動(dòng)磨損運(yùn)行模式比較復(fù)雜，從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)盤軸承中除了存在切向微動(dòng)、徑向微動(dòng)、滾動(dòng)微動(dòng)和扭動(dòng)微動(dòng)4種微動(dòng)形式組成的復(fù)合微動(dòng)外（圖1a），還有由于受到外部扭轉(zhuǎn)振動(dòng)使鋼球在滾道接觸面上發(fā)生往復(fù)Heat hcote滑動(dòng)（差動(dòng)滑動(dòng)）而引起的微動(dòng)磨損（圖1b）。但Heathcote滑動(dòng)引起的微動(dòng)磨損在軸承擺動(dòng)角非常小時(shí)，切向力滑動(dòng)為微動(dòng)磨損的主因［10］。在交變、振動(dòng)載荷作用下，若滾子與滾道之間有相對(duì)位移趨勢(shì)而沒有發(fā)生宏觀位移，則由于接觸角的存在，鋼球與滾道之間通常主要發(fā)生由切向和徑向微動(dòng)磨損組成復(fù)合微動(dòng)磨損。而在驅(qū)動(dòng)齒輪輪齒與轉(zhuǎn)盤輪齒接觸處，將驅(qū)動(dòng)齒輪看作靜止，如圖2所示，轉(zhuǎn)盤軸承在交變或振動(dòng)外力的作用下，兩齒面之間將發(fā)生徑向和切向微動(dòng)組合而成的復(fù)合微動(dòng)。實(shí)際上，由于潤(rùn)滑脂的存在，轉(zhuǎn)盤軸承中發(fā)生的是有潤(rùn)滑脂參與的復(fù)合微動(dòng)。

圖1 轉(zhuǎn)盤軸承鋼球和滾道微動(dòng)磨損運(yùn)行模式示意圖

圖2 轉(zhuǎn)盤軸承輪齒嚙合處微動(dòng)磨損運(yùn)行模式示意圖

2 微動(dòng)磨損試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2．1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)滾動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)JB／T10705－2007，轉(zhuǎn)盤軸承滾動(dòng)體材料采用GCr15，套圈材料采用42Cr Mo。轉(zhuǎn)盤軸承齒輪齒面要求表面淬火，表面硬度不低于45 HRC，滾道表面淬火硬度55～62 HRC。為確定不同的接觸角和硬度對(duì)轉(zhuǎn)盤軸承微動(dòng)磨損的影響，設(shè)計(jì)了如圖3所示的微動(dòng)試驗(yàn)裝置。鋼球試樣直徑40 mm，材料GCr15，硬度62 HRC。平面試樣取軸承材質(zhì)42Cr Mo，尺寸75 mm×30 mm×20 mm，表面粗糙度Ra＝0．8μm，以θ＝45°和θ＝60°兩種傾角（θ為平面式樣與垂直方向的夾角）以及以44～46 HRC和58～60 HRC兩種硬度進(jìn)行加載試驗(yàn)，試樣在試驗(yàn)前用丙酮進(jìn)行超聲波清洗。試驗(yàn)時(shí)在平面試樣上均勻涂加一層Rhodina BBZ風(fēng)電軸承專用潤(rùn)滑脂。試驗(yàn)裝置在MTS890試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行交變加載，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤軸承模擬復(fù)合微動(dòng)試驗(yàn)。加載力在1～10k N之間進(jìn)行正弦變化，頻率10 Hz，載荷交變運(yùn)行105次。試驗(yàn)環(huán)境為大氣氣氛、室溫（20±3）℃、相對(duì)濕度為（60±10）%。

圖3 軸承微動(dòng)磨損模擬試驗(yàn)裝置示意圖

2．2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

完成試驗(yàn)加載循環(huán)次數(shù)后，對(duì)兩種硬度和兩種接觸角度平面試樣微動(dòng)磨痕進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀察。觀察結(jié)果分別如圖4～圖7所示，可以看出，不同加載情況下微動(dòng)磨損差別明顯不同。對(duì)比圖4和圖5可知，雖然42Cr Mo平面試樣在硬度為58～60 HRC、傾斜角度為45°時(shí)磨痕面積稍大，但是傾斜角度為60°時(shí)的中心位置材料剝落嚴(yán)重，剝落呈典型的剝層現(xiàn)象，損傷也相對(duì)深一些，即平面試樣硬度為58～60 HRC的情況下，傾斜角度為45°時(shí)比60°時(shí)的復(fù)合微動(dòng)磨損輕微。而對(duì)比圖6和圖7可以看出，42Cr Mo平面試樣在硬度為44～46 HRC、傾斜角度為45°時(shí)磨損嚴(yán)重，磨損機(jī)制以粘著磨損為主。傾斜角度為60°時(shí)磨損相對(duì)輕微，并且磨痕還具有點(diǎn)接觸的微動(dòng)磨損的典型特征，說(shuō)明硬度為44～46 HRC的平面試樣，在傾斜角度為45°時(shí)比60°時(shí)復(fù)合微動(dòng)磨損嚴(yán)重。

圖4 平面試樣在硬度為58～60HRC傾斜角度為45°時(shí)的微動(dòng)磨痕

圖5 平面試樣在硬度為50～60 HRC傾斜角度為60°時(shí)的微動(dòng)磨痕

圖6 平面試樣在硬度為44～46HRC傾斜角度為45°時(shí)的微動(dòng)磨痕

圖7 平面試樣在硬度為44～46HRC傾斜角度為60°時(shí)的微動(dòng)磨痕

上述現(xiàn)象是由于試驗(yàn)中的復(fù)合微動(dòng)磨損是切向和徑向微動(dòng)分量共同作用的結(jié)果。接觸傾斜角度θ小時(shí)，切向微動(dòng)磨損作用大，徑向微動(dòng)磨損作用小。隨著傾斜角度增大，部分滑移和徑向微動(dòng)的特征出現(xiàn)得越早，疲勞作用增強(qiáng)，微動(dòng)疲勞裂紋產(chǎn)生的幾率增大［11］。在其他條件相同、42Cr Mo硬度高時(shí)，材料耐磨性能好，抵抗切向滑動(dòng)磨損能力強(qiáng)，而對(duì)疲勞裂紋敏感，抵抗徑向微動(dòng)磨損能差。因此在傾斜角度大時(shí)，徑向微動(dòng)磨損作用加大，接觸滑動(dòng)磨損與局部接觸疲勞在微動(dòng)磨損競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)，裂紋擴(kuò)展的速度大于材料磨損的速率，材料的疲勞剝落加重，表現(xiàn)為微動(dòng)磨損也隨之嚴(yán)重。相反，對(duì)于42Cr Mo硬度低時(shí)，材料耐磨性差，抵抗切向滑動(dòng)微動(dòng)磨損能力差，在平面試樣傾斜角度小時(shí)，切向微動(dòng)磨損作用較大，微動(dòng)磨損嚴(yán)重。但材料硬度低，其彈塑性協(xié)調(diào)變形能力好，對(duì)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展有抑制作用，可降低疲勞裂紋產(chǎn)生幾率，從而減緩徑向微動(dòng)磨損，表現(xiàn)為微動(dòng)磨損隨傾斜角度增大而減輕。

因此，從試驗(yàn)結(jié)果可得出，42Cr Mo材料在硬度高時(shí)，減小接觸傾斜角度θ，硬度低時(shí)，增大受力接觸傾斜角度θ，或者說(shuō)在復(fù)合微動(dòng)接觸受力角度大時(shí)，減小材料硬度，在接觸受力角度小時(shí)增加材料硬度，復(fù)合微動(dòng)磨損量可以大大減少，材料的抗復(fù)合微動(dòng)損傷的能力也就增強(qiáng)。

另外，觀測(cè)鋼球試樣上的磨痕，發(fā)現(xiàn)其損傷程度隨相接觸的平面試樣上的磨痕損傷程度不同而改變，即平面試樣上的磨損程度嚴(yán)重的，鋼球接觸處磨痕也嚴(yán)重，說(shuō)明鋼球試樣的磨損程度也與平面試樣的硬度和傾斜角度關(guān)系非常密切，即兩種相接觸材料的微動(dòng)磨損損傷程度要相互影響。因此，在選擇有微動(dòng)磨損的兩接觸材料配對(duì)時(shí)，要同時(shí)考慮兩種材料的機(jī)械特性和接觸角度，才能較好地減緩微動(dòng)磨損損傷。

因風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)盤軸承滾道表面淬火硬度要求為55～62 HRC，且工作中傾覆力矩是其主要受力，分析試驗(yàn)受力角度和轉(zhuǎn)盤軸承的接觸角可知，轉(zhuǎn)盤軸承初始接觸角應(yīng)選擇在45°附近可減輕滾道的微動(dòng)磨損。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作過(guò)程中，轉(zhuǎn)盤軸承輪齒接觸處在交變、振動(dòng)外力作用下，通常切向滑動(dòng)量較大，即主要以切向微動(dòng)磨損為主，所以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)論可適當(dāng)提高齒輪的表面淬火硬度來(lái)減緩微動(dòng)磨損，延長(zhǎng)軸承的使用壽命。

3 結(jié)論

（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)盤軸承中滾動(dòng)體和套圈、轉(zhuǎn)盤輪齒之間的微動(dòng)形式為以徑向微動(dòng)與切向微動(dòng)為主并有潤(rùn)滑脂參與的復(fù)合微動(dòng)。

（2）軸承材料42Cr Mo在硬度高，即在硬度為58～60 HRC左右時(shí)，抵抗切向微動(dòng)磨損效果好，減小接觸受力角度微動(dòng)磨損減輕。42Cr Mo在硬度低，即在硬度為44～46 HRC左右時(shí)，抵抗徑向微動(dòng)磨損效果好，增大接觸受力角度微動(dòng)磨損減輕。轉(zhuǎn)盤軸承滾道接觸角選擇在45°附近可減緩滾道的微動(dòng)磨損損傷，而轉(zhuǎn)盤軸承輪齒以切向滑動(dòng)為主，為減緩齒面的微動(dòng)磨損，要適當(dāng)提高齒面的硬度。

（3）在轉(zhuǎn)盤軸承中相接觸的兩種材料的微動(dòng)磨損損傷程度要相互影響，即磨損程度同時(shí)大或同時(shí)小。因此要減緩微動(dòng)磨損，須合理選擇兩種配對(duì)接觸材料的機(jī)械性能和接觸角度。

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