风力发电机组变桨轴承断裂失效分析

周正强

（东方电气风电有限公司，四川 德阳618000）

0 引言

变桨轴承是风力发电机组变桨系统的重要组成部分，其可靠性直接关系到机组的正常运行。近年来，变桨轴承失效呈高发态势，这与早期变桨轴承行业认知不足存在一定关系，如早期仅采用工程算法对变桨轴承滚道强度进行校核，未引入有限元分析等。风力发电机组变桨轴承主要有以下几种失效形式[1]：

1）疲劳破坏：轴承次表面在交变切应力作用下产生裂纹，载荷作用下该裂纹向外扩展，最终导致接触表面剥落。

2）塑形变形：轴向载荷、径向载荷及倾覆力矩在变桨轴承上分布不好，进而产生塑形变形。

3）滚道磨损：杂质、粉尘、未能过滤的磨料及桨叶的颤动，导致变桨轴承产生麻点及凹坑。

4）保持架断裂：由于保持架材料及制造问题，载荷作用下变桨轴承产生内外圈相对变形，保持架在受到内外圈相对变形产生的拉力后快速失效。

5）套圈断裂：变桨轴承存在设计、制造缺陷或过载时，载荷作用下导致轴承套圈断裂。

风力发电机组变桨轴承服役环境比较恶劣，且工况复杂，双列四点接触球轴承是目前风电变桨轴承常采用的回转轴承形式，其承载能力强、结构紧凑。按变桨轴承齿圈分布位置可分为内齿型及外齿型，大部分风电机组变桨轴承齿圈采用内齿结构，早期出于降本考虑，部分机组采用了外齿结构，以缩小轮毂尺寸，目前，国内外绝大多数风机机组均采用内齿结构。

本文所述变桨轴承为外齿型结构，如图1所示。该机组投入运行两年后变桨轴承套圈断裂。由于该轴承为早期设计，根据设计规范，仅考虑工程算法对轴承进行校核，未引入有限元分析，同时，在螺栓孔出现锈蚀坑情况下，有必要对轴承断口进行检测分析，基于以上情况，如下从设计（有限元分析）、制造（理化检验）等环节分析变桨轴承断裂原因[2-3]。

图1 外齿型变桨轴承

1 有限元分析

变桨系统组成结构包含轮毂、叶根、连接螺栓、变桨轴承等部分。叶片螺栓将变桨轴承外圈与叶根连接，变桨轴承螺栓将变桨轴承内圈与轮毂连接。轴承内圈与轮毂固定不动，通过外齿圈与安装于轮毂上的变桨齿轮箱啮合，实现轴承外圈与叶片相对于轴承内圈与轮毂转动[4]，在运行过程中，变桨轴承同时承受轴向载荷、径向载荷及倾覆力矩的联合作用，轴承外圈材料为42CrMo4，热处理工艺为整体调质处理[5]。

1.1 建模

在建模过程中，轴承与叶片、轴承与轮毂、轴承与螺栓垫片等接触面采用标准摩擦接触。轴承的网格单元采用高阶单元，其他部件采用低阶单元。有限元模型如图2所示。

1.2 套圈极限强度

（1）套圈变形计算

根据有限元分析，变形云图如图3所示。

图3 套圈变形云图

根据变形云图，变桨轴承内外套圈相对变形量约3 mm。

（2）套圈应力分析

经计算，极限载荷下套圈Mises应力与疲劳载荷下套圈最大主应力的应力分布如图4所示。

图4 变桨轴承套圈M i ses应力图

根据应力图，套圈最大等效应力出现在变桨轴承外圈螺栓孔处，最大等效应力568 MPa小于轴承材料屈服强度600 MPa，套圈极限强度满足要求。

（3）套圈疲劳强度

变桨轴承长期在恶劣的工况下工作，疲劳破坏是其主要的破坏形式。有限元静力分析结果显示，变桨轴承外圈螺栓孔处环向拉应力最大，和变桨轴承实际工作中的破坏位置吻合。本节主要分析轴承螺栓孔处的疲劳破坏。

变桨轴承的疲劳分析按如下步骤进行：

1）求若干组载荷所对应的外圈危险截面处的最大环向拉应力，找出“载荷-应力”对应关系。

2）结合轴承的具体参数，算出其S-N曲线。

3）结合Miner线性累积损伤理论，算出累积损伤值。

经计算得出对应载荷的损伤如图5所示。

图5 对应载荷下的损伤值

图中y坐标为损伤值，x坐标为载荷范围，z坐标为载荷均值，每个不同载荷对应不同损伤，总的损伤值就是所有损伤的累加（图示每个柱子高度代表损伤，总损伤即所有柱子高度叠加），计算得出总损伤值约6.5（折算后轴承寿命仅两年多），因此，变桨轴承的总损伤不满足设计要求，即不满足疲劳寿命20年的要求。

2 理化检验

2.1 轴承断裂宏观形貌

该变桨轴承外圈断裂位置处于外圈某个螺栓孔处，且裂缝已贯穿螺栓孔内壁，如图6所示。

图6 轴承断裂宏观形貌

2.2 断口分析

根据断口宏观形貌（见图7），螺栓孔内壁表面及左右两侧断口裂纹源处的断口上均有随机分布的锈蚀痕迹，且断口宏观形貌存在弧线特征。

图7 断口宏观形貌

将断口置于扫描电镜下观察发现：

（1）右侧断口裂纹源位于螺栓孔内壁表面，裂源处的螺栓孔内壁表面存在缺损，裂纹源处的断口上存在腐蚀产物（见图8），裂纹扩展区存在弧线特征，断口高倍形貌存在疲劳辉纹痕迹（见图9）。

图8 右侧裂纹源处断口形貌

图9 右侧裂纹扩展区断口形貌

（2）左侧断口裂纹源位于螺栓孔内壁表面，裂源区的螺栓孔内壁表面存在损伤，裂纹源处的断口形貌有疲劳辉纹痕迹（见图10），裂纹扩展区存在弧线特征，断口高倍形貌有疲劳辉纹痕迹（见图11）。

图10 左侧裂纹源处断口形貌

图11 左侧裂纹扩展区断口形貌

3 轴承运维分析

由于早期过程记录不全，未找到该变桨轴承相关运维数据，但一般来讲，结合轴承服役工况及实际受力分析，轴承螺栓预紧力、轴承运行所需油脂等因素可能会影响轴承实际性能。螺栓预紧力不足可能导致轴承相对变形增加，对轴承运行产生不利影响；轴承运行油脂量不合理，也可能导致轴承不能正常运行，过小的油脂存量可能导致润滑不足而产生摩擦，滚道及滚动体容易出现点蚀剥落，而过大的注脂量可能会使轴承燥热。

从该变桨轴承失效情况来看，滚道及滚动体相对良好，保持架也没有出现断裂，可以推测其运维环节基本良好。

4 断裂原因分析

4.1 轴承设计环节分析

（1）根据有限元分析，该变桨轴承疲劳损伤不满足要求，最终导致轴承套圈疲劳断裂。

（2）该变桨轴承滚道导油槽底部与外圈螺栓孔距离较近（与大部分变桨轴承相比偏小），易导致应力集中，影响轴承承载能力。

（3）该变桨轴承内外套圈相对变形量较其他变桨轴承偏大，过大的相对变形会造成滚子边缘接触后滚道发生剥落，引起滚子运行不同步，滚子不同步导致保持架持续承受拉力而发生断裂。该变桨轴承因早期已发生套圈疲劳断裂失效，故未发现滚道剥落及保持架断裂的情况。

4.2 检验结果分析

轴承裂面分为螺栓孔左侧和右侧2个断口，2个断口裂纹源均位于靠近变桨轴承端面的螺栓孔内壁表面；右侧断口的裂纹源为腐蚀凹坑，左侧断口的裂纹源处遭破坏，其附近有锈蚀痕迹，且螺栓孔内壁表面局部区域也有锈蚀斑迹。可见未经防腐处理极易导致螺孔发生锈蚀，锈蚀萌发形成裂纹源，在循环应力作用下裂纹发生疲劳扩展，最终导致套圈发生断裂[6]。

5 结束语

（1）轴承设计早期只采用工程算法不够精确，运用有限元分析进行轴承设计阶段校核尤为必要，有限元分析结果越精确，对轴承的设计参考意义越大。

（2）有限元分析满足要求前提下，轴承设计还应考虑滚道导油槽底部与外圈螺栓孔距离、内外套圈相对变形量等对轴承性能的影响。

（3）轴承螺栓孔防腐处理对轴承十分重要，未进行防腐或防腐不当可能导致轴承失效，尤其当前快速发展的海上风机，更需关注防腐涂层的可靠性。

4）建议定期动态监控轴承运行情况，重点关注油脂是否足够、有无温升报警、轴承是否存在异响及转动卡阻等异常现象。