王思明，文鑒恒，杜海若，許明恒

(1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031；2.成都重型軸承研究所，成都 610031)

變槳軸承采用的結(jié)構(gòu)形式多為內(nèi)圈帶齒或無(wú)齒雙排四點(diǎn)接觸球軸承[1]。變槳軸承安裝于葉片和輪轂之間，使葉片可以相對(duì)其軸線旋轉(zhuǎn)進(jìn)行變槳，可起到平穩(wěn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在額定功率點(diǎn)以上輸出功率等作用[2]。

變槳軸承工作環(huán)境惡劣，受力復(fù)雜多變。工作過(guò)程中，其承受的通過(guò)葉片傳遞的載荷有：陣風(fēng)和湍流引起的隨機(jī)載荷，風(fēng)切變、塔影、側(cè)風(fēng)和偏航率等引起的氣動(dòng)載荷，葉片重力、慣性力和偏航等引起的周期載荷，控制系統(tǒng)產(chǎn)生的如剎車、偏航、變距、脫網(wǎng)等載荷和瞬態(tài)氣流瞬時(shí)載荷[3-4]。這些載荷將使變槳軸承承受交變的徑向載荷、軸向載荷和傾覆力矩。因此，為提高我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承的設(shè)計(jì)水平，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠運(yùn)行，分析變槳軸承的微動(dòng)磨損以及溝道參數(shù)對(duì)損傷的影響很有意義。

1 微動(dòng)磨損

1.1 產(chǎn)生原因

變槳軸承工作中基本處于靜止或緩慢擺動(dòng)狀態(tài)。擺動(dòng)或交變、振動(dòng)載荷將使變槳軸承的鋼球與溝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)接觸處的潤(rùn)滑油脂不能及時(shí)補(bǔ)充時(shí)，就容易產(chǎn)生微動(dòng)磨損。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常處在復(fù)雜多變的大氣環(huán)境中，受氣溫變化形成的冷凝水、海風(fēng)中的鹽分、酸雨和腐蝕性氣體等的腐蝕，遭受的微動(dòng)磨損中伴隨有微動(dòng)腐蝕，加劇了變槳軸承微動(dòng)磨損。因此，微動(dòng)磨損是變槳軸承主要失效形式[5-6]。

1.2 損傷形式

根據(jù)文獻(xiàn)[7]可以推斷，在變槳軸承中發(fā)生的微動(dòng)磨損與普通微動(dòng)磨損一樣包括兩種情況：(1)鋼球在溝道接觸表面上小幅反復(fù)相對(duì)滑動(dòng)，造成溝道表面的機(jī)械損傷；(2)鋼球和溝道在較大的接觸壓力和微動(dòng)的共同作用下，在接觸表面產(chǎn)生裂紋。在微動(dòng)反復(fù)作用下，裂紋擴(kuò)展并最終形成剝落。裂紋的產(chǎn)生是因?yàn)榫植科谒?，也是微?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)在變槳軸承溝道上產(chǎn)生偽布氏壓痕或蝕坑，使軸承轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力增大，并引起卡阻使變槳困難。而微動(dòng)產(chǎn)生疲勞裂紋將加速變槳軸承的失效，大大降低軸承的使用壽命。

1.3 微動(dòng)運(yùn)行模式

外部載荷的隨機(jī)性決定了變槳軸承溝道上微動(dòng)運(yùn)行模式的不確定性。不同位置的鋼球與溝道間發(fā)生的微動(dòng)磨損也不盡相同，并且微動(dòng)磨損過(guò)程中還有潤(rùn)滑脂和腐蝕氣體的參與，增加了微動(dòng)磨損過(guò)程的復(fù)雜性。

以雙列四點(diǎn)接觸球軸承為例分析接觸表面的微動(dòng)運(yùn)行模式。文獻(xiàn)[9]指出，只要鋼球與溝道的接觸角不為零，在內(nèi)溝道或外溝道中通常都會(huì)存在鋼球的自旋運(yùn)動(dòng)。因此，變槳軸承在葉片產(chǎn)生的擺動(dòng)或交變、振動(dòng)載荷作用下，其鋼球和溝道之間的微動(dòng)運(yùn)行模式比較復(fù)雜。從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，變槳軸承鋼球和溝道之間除了存在切向微動(dòng)、徑向微動(dòng) 、滾動(dòng)微動(dòng)和扭動(dòng)微動(dòng)組成的復(fù)合微動(dòng)外(圖1a)，還有由于葉片的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)或變槳過(guò)程中的往復(fù)擺動(dòng)，使鋼球在溝道接觸表面發(fā)生往復(fù)Heathcote滑動(dòng)(差動(dòng)滑動(dòng))而引起的微動(dòng)[10]，如圖1b所示。事實(shí)上，由于變槳軸承中潤(rùn)滑脂的存在，變槳軸承鋼球和溝道之間發(fā)生的是有潤(rùn)滑脂參與的以上幾種形式的復(fù)合微動(dòng)。

圖1 變槳軸承微動(dòng)運(yùn)行模式示意圖

2 溝道參數(shù)的確定

下面從往復(fù)Heathcote滑動(dòng)微動(dòng)磨損和徑向與切向組成的復(fù)合微動(dòng)磨損兩方面來(lái)分別討論四點(diǎn)接觸球式變槳軸承的溝道曲率半徑系數(shù)和初始接觸角的取值。

2.1 溝道曲率半徑系數(shù)

向心球軸承的溝道曲率半徑系數(shù)f=0.515～0.525[11]。而對(duì)于四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承的密合度通常為[12]：

式中：φ為該軸承的密合度；Dw為鋼球直徑；r為套圈溝道曲率半徑。

則該軸承的溝道曲率半徑系數(shù)為：

文獻(xiàn)[13]表明，球軸承溝道曲率半徑的增大對(duì)減小其微動(dòng)磨損有很大影響。在對(duì)鋼球直徑為7.94 mm，溝道曲率半徑為4.02～4.21 mm的軸承進(jìn)行差動(dòng)滑動(dòng)形成的微動(dòng)磨損試驗(yàn)得出，溝道曲率半徑為4.21 mm，即溝道曲率半徑系數(shù)f=0.53時(shí)，在鋼球和溝道接觸中心處沒(méi)有發(fā)現(xiàn)磨損。說(shuō)明少量增加內(nèi)、外溝道曲率半徑可以大大減緩溝道微動(dòng)磨損引起的失效。所以在保證接觸應(yīng)力小于許用接觸應(yīng)力的情況下，可減小微動(dòng)磨損的最佳溝道曲率半徑要比普通軸承溝道曲率半徑稍大一些。

另外，由于潤(rùn)滑脂為半固體，流動(dòng)性差，當(dāng)溝道曲率半徑較小時(shí)，軸承的密合度較大；因此，潤(rùn)滑脂很難進(jìn)入接觸表面，并易在微動(dòng)的自我清洗作用下被清除出接觸區(qū)域。而且軸承溝道曲率半徑較小也不利于減小變槳軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩。因此，從減緩變槳軸承微動(dòng)磨損角度出發(fā)，其溝道曲率半徑系數(shù)可取在0.53左右。

2.2 初始接觸角

四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承的初始接觸角一般取45°，但為了提高軸向載荷的承載能力，也可取較大的接觸角(60°～70°)[12]。根據(jù)理論計(jì)算，四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承在初始接觸角為60°左右對(duì)軸向載荷的承載能力最大[14]。

為研究變槳軸承不同初始接觸角下對(duì)微動(dòng)磨損的影響，設(shè)計(jì)了如圖2所示的微動(dòng)磨損試驗(yàn)裝置。鋼球試樣直徑40 mm，材料GCr15，硬度62 HRC；平板試樣取變槳軸承用材料42CrMo，尺寸70 mm×30 mm×20 mm，整體淬火硬度58～60 HRC，粗糙度Ra=0.8 mm。θ分別采用45°，60°兩種傾角進(jìn)行加載試驗(yàn)。試驗(yàn)前在平板試樣上均勻涂抹一次變槳軸承專用潤(rùn)滑油。加載力在1～10 kN之間進(jìn)行正弦變化，頻率為10 Hz，以模擬變槳軸承在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上工作時(shí)受到的交變載荷，載荷交變運(yùn)行105次。

1—液壓系統(tǒng)活塞；2—平板試樣夾具；3—平板試樣；4—球試樣；5—球試樣夾具；6—載荷傳感器圖2 軸承微動(dòng)磨損模擬試驗(yàn)裝置示意圖

加載試驗(yàn)完成后，用光學(xué)顯微鏡對(duì)45°和60°兩種傾角下平板試樣微動(dòng)磨痕進(jìn)行觀察，觀察結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 45°試樣微動(dòng)磨痕表面光學(xué)顯微形貌

圖4 60°試樣微動(dòng)磨痕表面光學(xué)顯微形貌

對(duì)比圖3和圖4可見(jiàn)，傾角為45°的試樣上的磨痕面積雖然比傾角為60°的試樣要大；但后者接觸表面中心材料剝落嚴(yán)重。這說(shuō)明對(duì)于硬度為58～60 HRC的42CrMo試樣來(lái)說(shuō)，傾角為45°時(shí)比傾角為60°時(shí)的微動(dòng)磨損量小，也即抗復(fù)合微動(dòng)磨損能力強(qiáng)。這是因?yàn)樵囼?yàn)中的微動(dòng)磨損損傷是切向和徑向微動(dòng)分量共同作用的結(jié)果。傾角較小時(shí)，以切向滑動(dòng)微動(dòng)磨損為主。隨著傾角的增加，徑向微動(dòng)磨損作用增強(qiáng)，即微動(dòng)疲勞裂紋產(chǎn)生的機(jī)率增大，材料以疲勞剝落形式出現(xiàn)，這種形式的損傷要比切向滑動(dòng)微動(dòng)損傷更嚴(yán)重[15]。

分析變槳軸承的接觸角和上述試驗(yàn)的傾角θ受力方向可知，與接觸角60°左右相比，變槳軸承初始接觸角為45°左右時(shí)可減少微動(dòng)疲勞裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的機(jī)會(huì)，從而減緩溝道材料的疲勞剝落，增加軸承的疲勞壽命。綜合考慮變槳軸承的抗微動(dòng)磨損與承載能力，初始接觸角最好在45°～60°內(nèi)取偏小值。

3 結(jié)論

(1)在交變載荷和振動(dòng)載荷作用下，變槳軸承的鋼球與溝道之間要發(fā)生往復(fù)Heathcote滑動(dòng)、徑向和切向等復(fù)雜的復(fù)合微動(dòng)磨損。

(2)變槳軸承溝道曲率半徑系數(shù)應(yīng)比普通軸承溝道曲率半徑系數(shù)稍大一些(0.53左右)，而其初始接觸角應(yīng)在45°附近取值，這樣有利于提高變槳軸承的抗微動(dòng)磨損能力，減緩溝道微動(dòng)磨損損傷。