變槳軸承的結(jié)構(gòu)形式通常有單排四點接觸球軸承和雙排同徑四點接觸球軸承兩類，驅(qū)動形式有無齒、內(nèi)齒、外齒三類。本文獲得的樣品為某風電場提供的1.5MW風力發(fā)電機組的一開裂變槳軸承，其結(jié)構(gòu)為內(nèi)齒驅(qū)動的雙排同徑四點接觸球軸承。
一、宏觀分析
本文進行失效分析的對象包括軸承內(nèi)圈（2塊，其中一塊含有裂紋）、軸承外圈（2塊）、滾子（10個），分析變槳軸承樣塊的外觀尺寸，可確定該軸承為內(nèi)齒雙排同徑四點接觸球軸承。測得外圈高度H=158mm，外圈安裝孔直徑Dn=33mm，內(nèi)圈安裝孔直徑dn=33mm，鋼球直徑Dw=40mm。參照GB/T 29717—2013《滾動軸承風力發(fā)電機組偏航、變槳軸承》中表5，可判斷該變槳軸承的型號應為FD-033.40.1900.03K。其材料為42CrMo，預備熱處理方式為調(diào)質(zhì)處理。FD-033.40.1900.03K型軸承的外形尺寸如表1所示。
表1 FD-033.40.1900.03K軸承外形尺寸 （mm）
宏觀可觀察到軸承內(nèi)圈螺栓孔附近有一條長約70mm的裂紋，從齒根向滾道方向擴展，未完全穿透整個軸承截面，如圖1所示。用線切割取出裂紋（斷口），經(jīng)清洗后拍照，如圖2所示。從斷口宏觀形貌可以觀察到典型的貝紋線特征，表明變槳軸承為疲勞開裂。從貝紋線走向，可判斷疲勞源位于變槳軸承內(nèi)圈輪齒的齒根處。
圖1 變槳軸承內(nèi)圈上的裂紋
圖2 變槳軸承內(nèi)圈裂紋斷口宏觀形貌
用超景深數(shù)碼顯微鏡分別觀察軸承內(nèi)圈輪齒、軸承套圈滾道以及軸承滾子的表面形貌，其中輪齒表面形貌如圖3所示。圖中的豎直條紋為機加工形成的表面磨痕，齒輪運行過程因接觸疲勞產(chǎn)生了細小的點蝕坑。
圖3 輪齒表面形貌
滾子表面形貌如圖4所示，可觀察到在滾子表面有較粗大的接觸疲勞點蝕坑形成。
圖4 滾子表面形貌
軸承內(nèi)圈、外圈滾道表面形貌分別如圖5、圖6所示，在滾道表面可觀察到大量的點蝕坑，同時表面還有微裂紋形成。
圖5 軸承內(nèi)圈滾道表面形貌
圖6 軸承外圈滾道表面形貌
二、化學成分分析
分別從軸承內(nèi)外圈切取30mm×30mm×30mm試塊，表面經(jīng)砂輪打磨后用直讀光譜儀測試軸承內(nèi)外圈材料的化學成分，結(jié)果如表2所示。與GB/T29717—2013《滾動軸承風力發(fā)電機組偏航、變槳軸承》對照，軸承內(nèi)外圈材料碳含量及主要合金元素含量均與42CrMo鋼符合。
表2 變槳軸承材料成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）
三、金相分析
從變槳軸承內(nèi)圈裂紋附近垂直于滾道方向取樣，制備金相試樣，經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕，用數(shù)碼相機拍照，如圖7所示，可見整個滾道表面淬硬層深度分布不均勻。
圖7 軸承內(nèi)圈截面金相樣品全貌
用數(shù)碼顯微鏡觀察淬硬層的低倍金相組織，如圖8所示。分別測量圖7中各點的淬硬層深度，結(jié)果如表3所示。
圖8 軸承內(nèi)圈宏觀金相
表3 淬硬層深度測試結(jié)果 (μm)
由表3可見，其軸承內(nèi)圈滾道淬硬層深度在1.03~2.6mm分布。參照GB/T 29717—2013《滾動軸承風力發(fā)電機組變槳、偏航軸承》，對于鋼球直徑Dw=40mm的變槳軸承，淬硬層深度應≥3.5mm。本變槳軸承內(nèi)圈滾道表面淬硬層深度未達到國標要求。用同樣方法制備軸承外圈金相試樣，如圖9所示，可見其滾道表面淬硬層深度分布不均，且淬硬層深度顯然未達到3mm。
圖9 軸承外圈截面金相樣品全貌
用數(shù)碼顯微鏡觀察軸承外圈淬硬層的低倍金相組織，如圖10所示。分別測量圖10中各點的淬硬層深度，結(jié)果如表4所示。可見其滾道淬硬層深度在0.9~2.9mm分布，未達到GB/T 29717—2013所要求的≥3.5mm。
圖10 軸承內(nèi)圈宏觀金相
表4 淬硬層深度測試結(jié)果
軸承套圈金相試樣拋光后未浸蝕的金相組織如圖11所示，可見其夾雜物主要為球狀（D類）細系，可評為1.0~1.5級。GB/T 29717—2013中對42CrMo軸承套圈材料要求D類非金屬夾雜物不超過1.0級。可見失效軸承套圈材料中的非金屬夾雜物略有超標。
圖11 變槳軸承套圈夾雜物分析（100×）
在軸承內(nèi)圈金相試樣中可見大量的顯微裂紋，主要分布于淬硬層內(nèi)，無特定的走向，如圖12所示。在母材中未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋。
圖12 變槳軸承內(nèi)圈淬硬層中的顯微裂紋
軸承內(nèi)圈材料淬硬層金相組織如圖13所示，其組織為回火馬氏體，晶粒較為粗大。
圖13 變槳軸承內(nèi)圈淬硬層金相組織（400×）
軸承內(nèi)圈材料母材金相組織如圖14所示，其組織為塊狀鐵素體+回火索氏體。組織不均勻，并且鐵素體有呈網(wǎng)狀分布的趨勢。
圖14 變槳軸承內(nèi)圈母材金相組織（400×）
軸承外圈材料淬硬層金相組織如圖15所示，為回火馬氏體組織，與軸承內(nèi)圈相比，組織均勻細小。軸承外圈母材組織如圖16所示，為回火索氏體+鐵素體，組織均勻性差，與軸承內(nèi)圈的組織特征基本相同。
圖15 變槳軸承外圈表面淬硬層金相組織（400×）
圖16 變槳軸承外圈母材金相組織（400×）
四、力學性能測試
用金相試樣測試軸承內(nèi)圈、外圈的硬度如表5所示。軸承滾子、軸承套圈滾道淬硬層的硬度達到GB/T 29717—2013要求。但軸承套圈母材硬層均未達到GB/T 29717—2013要求的260~300HBW。
表5 軸承套圈材料的硬度
從變槳軸承內(nèi)圈沿圓周的切向取樣，加工圓柱拉伸試樣。取樣位置及方向如圖17所示。
圖17 取樣位置和方向示意
測得變槳軸承內(nèi)圈材料的拉伸性能如表6所示，其各項指標均符合JB/T 6396—2006《大型合金鋼鍛件技術(shù)條件》。
表6 變槳軸承內(nèi)圈材料的室溫拉伸性能（20℃）
從軸承內(nèi)圈沿切向取樣（參見圖17），加工V型缺口夏比沖擊試樣。測得軸承內(nèi)圈材料的室溫和低溫沖擊吸收能量，如表7所示。其-40℃下的沖擊吸收能量未達到GB/T 29717—2013要求。
表7 變槳軸承內(nèi)圈材料的沖擊性能
五、斷口掃描電鏡分析
用掃描電鏡（SEM）觀察分析軸承內(nèi)圈斷口（裂紋）的顯微形貌，圖2中的疲勞源A區(qū)SEM形貌如圖18所示。放大后可見該疲勞源區(qū)微觀形貌呈典型的沿晶斷裂特征，如圖19所示。
圖18 疲勞源區(qū)SEM斷口宏觀形貌
圖19 圖18中的疲勞源1區(qū)的SEM顯微形貌
疲勞源從輪齒的齒根處形成，齒根表面有大面積的氧化或腐蝕產(chǎn)物存在，如圖20所示。用能譜分析裂紋源附近齒根的表面成分，其能譜圖如圖21所示，元素定量結(jié)果如表8所示。
圖20 疲勞源附近齒根表面SEM顯微形貌
圖21 疲勞源附近齒根表面能譜圖
表8 疲勞源區(qū)次表面腐蝕產(chǎn)物能譜成分分析 （%）
疲勞擴展區(qū)SEM微觀形貌如圖22所示，呈準解理斷裂特征。因裂紋尚未穿透軸承截面發(fā)生斷裂，斷口上無瞬斷區(qū)。
圖22 疲勞擴展區(qū)的SEM顯微形貌
六、分析結(jié)論
綜合以上對產(chǎn)生裂紋的變槳軸承套圈材料的化學成分、金相組織、力學性能以及斷口形貌的分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：（1）失效變槳軸承內(nèi)圈為疲勞破壞，疲勞源位于輪齒的齒根應力集中處。（2）測得變槳軸承內(nèi)外圈滾道淬硬層深度0.9~2.9mm，未達到GB/T 29717—2013對于鋼球直徑Dw= 40mm的變槳軸承淬硬層深度應≥3.5mm要求；軸承內(nèi)圈淬硬層中出現(xiàn)的顯微裂紋與淬硬層深度不足和淬硬層組織粗大有關(guān)。（3）軸承內(nèi)外圈母材組織不均勻，鐵素體存在網(wǎng)狀分布趨勢；套圈材料的硬度和低溫沖擊吸收能量均偏低，不滿足GB/T 29717—2013要求，與材料鍛造或熱處理工藝有關(guān)。（4）軸承套圈材料化學成分符合GB/T 29717—2013要求。
七、討論
由于軸承滾道淬硬層深度不夠，在軸承運行過程中首先在滾道表面發(fā)生接觸疲勞，導致在滾道表面產(chǎn)生大量的點蝕坑，引起軸承精度降低，振動加劇；隨后在軸承內(nèi)圈輪齒的齒根應力集中處產(chǎn)生疲勞裂紋源，由于軸承套圈材料硬度不足，低溫韌性差，導致疲勞裂紋快速擴展而失效。風力發(fā)電機組變槳軸承的失效，除了運行中受到不均勻交變載荷以及沖擊外，制造過程中的鍛造、熱處理以及材質(zhì)控制尤為重要，風電企業(yè)應重視大部件生產(chǎn)過程中的駐場監(jiān)造環(huán)節(jié)，嚴格控制生產(chǎn)過程，杜絕生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)控制不當而對后期的安全生產(chǎn)埋下隱患。
作者：張新國，等
單位：西安益通熱工技術(shù)服務有限責任公司，等
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