風(fēng)電機(jī)組變槳軸承工作環(huán)境多為風(fēng)沙、雨露、潮濕和低溫等惡劣情況，加之安裝和維護(hù)十分不方便，因此，變槳軸承不僅需要足夠的強(qiáng)度承受聯(lián)合載荷，同時(shí)也要求其具有良好密封性與高可靠性。近年來(lái)，諸多國(guó)內(nèi)外企業(yè)在生產(chǎn)風(fēng)電軸承方面達(dá)到了對(duì)規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)等的要求。如斯凱孚（SKF）、舍弗勒（FAG）、恩斯克（NSK）等傳統(tǒng)軸承企業(yè)，以及羅特艾德（Rothe Erde）、勞力士（Rollix）等公司的產(chǎn)品在全球風(fēng)電軸承行業(yè)享有盛名，其生產(chǎn)的產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)，如可靠性、壽命等全部滿足風(fēng)電機(jī)組的使用要求。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)在風(fēng)電專用軸承領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在軸承自主生產(chǎn)，研發(fā)設(shè)計(jì)上都取得一定成果，但是與國(guó)外的知名軸承公司相比，在市場(chǎng)占有率以及基礎(chǔ)研發(fā)上仍有很大的差距，在基礎(chǔ)技術(shù)研究及后期生產(chǎn)制造方面，我國(guó)仍需要不斷的探求創(chuàng)新。
　　變槳軸承失效模式
　　1.故障機(jī)組變槳原理
　　故障機(jī)組變槳機(jī)構(gòu)采用液壓缸來(lái)驅(qū)動(dòng)，液壓缸安裝在齒輪箱后面，活塞桿通過(guò)雙向推力軸承與變槳驅(qū)動(dòng)桿連接。當(dāng)變槳驅(qū)動(dòng)桿移動(dòng)時(shí)，3個(gè)組的葉片同步轉(zhuǎn)動(dòng)。其變槳距軸承的外圈通過(guò)螺栓連接固定在輪轂上，在變槳距軸承的內(nèi)圈與外圈間為圓珠滾子，內(nèi)圈通過(guò)螺栓連接葉片。其機(jī)組變槳機(jī)構(gòu)示意圖，見(jiàn)圖1。
　　故障機(jī)組葉片變槳軸承為單排四點(diǎn)接觸球軸承設(shè)計(jì)，主要承載來(lái)自葉片作用的徑向載荷、軸向載荷和傾覆力矩。四點(diǎn)接觸球軸承屬于徑向單列角接觸球軸承，其滾道用來(lái)支撐作用于兩個(gè)方向上的軸向載荷的，可以承受Z高為軸向載荷的幾分之一的徑向載荷。
　　2.軸承損壞情況及失效模式
　　風(fēng)電場(chǎng)調(diào)研分析表明，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加（該型機(jī)組運(yùn)行時(shí)間已有7到10年），變槳軸承出現(xiàn)多起嚴(yán)重事故：發(fā)生21起導(dǎo)致葉片墜落的事故中，其中9起出現(xiàn)變槳軸承外圈斷裂；此外在運(yùn)維檢查中發(fā)現(xiàn)近10臺(tái)次軸承外圈開(kāi)裂，與葉片墜落時(shí)軸承斷裂情況類似。發(fā)生1起軸承卡澀導(dǎo)致葉輪無(wú)法回槳、高速軸過(guò)速制動(dòng)引發(fā)機(jī)組著火事故；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)50多例較為嚴(yán)重的磨損卡澀問(wèn)題。因此該型機(jī)組變槳軸承的損壞主要表現(xiàn)為軸承外圈斷裂和軸承軌道磨損卡澀問(wèn)題，給風(fēng)電場(chǎng)的安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的隱患。
　　對(duì)該型故障機(jī)組發(fā)生的變槳軸承斷裂及卡澀問(wèn)題，從設(shè)計(jì)、制造、安裝、維護(hù)等方面給予原因分析：
　　軸承斷裂主要發(fā)生在軸承-輪轂連接螺栓負(fù)載集中的區(qū)域，斷口方向?yàn)橥馊较颍瑪嗝嫫诹鸭y擴(kuò)展明顯。軸承外圈斷裂見(jiàn)圖2。軸承外圈斷裂的主要原因有：淤通過(guò)失效分析和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維判斷軸承外圈斷裂主要原因是由于設(shè)計(jì)裕度不足導(dǎo)致的。由于軸承強(qiáng)度不夠，容易引發(fā)螺栓斷裂，周期性交變載荷以及螺栓斷裂又加劇了軸承負(fù)載和變形，導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展和軸承斷裂。于部分風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)輪組裝以及更換輪轂-軸承連接副螺栓時(shí)，由于采用的潤(rùn)滑方式不同，導(dǎo)致螺栓軸力差異較大，受力較大以及應(yīng)力集中區(qū)域的螺栓容易先期斷裂，使得軸承更容易出現(xiàn)裂紋，發(fā)生斷裂。 　　通過(guò)對(duì)損壞的變槳軸承拆解檢查發(fā)現(xiàn)，軸承內(nèi)外圈軌道發(fā)生嚴(yán)重磨損甚至剝落，導(dǎo)致軸承卡澀，如圖3所示。主要原因?yàn)椋?br /> 　　淤風(fēng)電場(chǎng)定檢運(yùn)維注脂不足、注脂不規(guī)范，以及排油孔堵塞和密封不嚴(yán)等，使得滾珠和軌道之間長(zhǎng)期潤(rùn)滑不良，導(dǎo)致軸承出現(xiàn)不同程度的磨損剝落，部分磨損剝落嚴(yán)重軸承致變槳過(guò)程卡澀；于在安裝葉片變槳軸承時(shí)，該型機(jī)組未考慮軸承軟帶應(yīng)避開(kāi)軸承負(fù)載較大的區(qū)域，使得軟帶及其過(guò)渡區(qū)域易發(fā)生磨損；除此外，機(jī)組的防雷設(shè)計(jì)存在缺陷，雷電流直接通過(guò)葉片軸承，造成葉片軸承滾珠與滾道間容易產(chǎn)生電蝕損傷。 　　損壞軸承失效分析
　　為了進(jìn)一步查明和驗(yàn)證該機(jī)型變槳軸承斷裂和磨損的原因，對(duì)損壞的變槳軸承進(jìn)行理化分析、機(jī)械/力學(xué)性能、金相分析以及宏微觀斷口分析等試驗(yàn)研究，分析結(jié)果如下。
　　1.軸承外圈材料化學(xué)成分測(cè)試
　　對(duì)斷裂變槳軸承取樣，并進(jìn)行化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。
　　測(cè)試結(jié)果表明，成分符合標(biāo)準(zhǔn)EN10204-2004對(duì)材料42Cr原Mo的技術(shù)要求。
　　2.機(jī)械/力學(xué)性能測(cè)試
　　在斷裂齒圈未斷裂部位取拉伸試樣、沖擊試樣及硬度試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。
　　測(cè)試結(jié)果表明，軸承套圈機(jī)械/力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)EN10204-2004對(duì)材料42CrMo的技術(shù)要求，但抗拉強(qiáng)度處于下限值，說(shuō)明原材料質(zhì)量不高。
　　3.金相組織
　　分別在斷裂齒圈的靠近斷口處取不開(kāi)孔部位橫向截面、開(kāi)孔部位橫向截面，經(jīng)磨光、熱酸浸蝕法顯示其低倍組織，同時(shí)在軸承套圈、裂紋源以及孔內(nèi)壁處截取金相試樣，進(jìn)行非金屬夾雜測(cè)試和金相組織觀察等。
　　經(jīng)檢測(cè)和測(cè)量表明，低倍組織進(jìn)行評(píng)定，呈現(xiàn)0.5級(jí)一般疏松（見(jiàn)表3和圖4a所示），非金屬夾雜物實(shí)際檢驗(yàn)A法評(píng)定為： 　　A1.0，B0，C0，D0.5，見(jiàn)圖4b；試樣的顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體，組織呈帶狀偏析分布，見(jiàn)圖4c和圖4d。
　　金相檢驗(yàn)結(jié)果：齒圈試樣中存在硫化物類夾雜，硫化物類夾雜物級(jí)別評(píng)為1.0級(jí)；顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體，由此可見(jiàn)齒圈經(jīng)過(guò)了調(diào)質(zhì)處理；裂源處顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體。并且在孔內(nèi)壁剖面試樣上可見(jiàn)腐蝕坑以及由腐蝕坑底擴(kuò)展的微裂紋。
　　4.宏微觀斷口分析
　　截取斷口部位并清洗后，宏觀形貌見(jiàn)圖5a?？梢?jiàn)孔內(nèi)壁存在銹蝕現(xiàn)象，并且裂紋起源于螺栓孔內(nèi)壁銹蝕相對(duì)較嚴(yán)重的區(qū)域，呈多源特征，斷面上可見(jiàn)貝殼紋特征，并且裂紋擴(kuò)展區(qū)占整個(gè)斷口的95%以上，瞬斷區(qū)靠近齒圈內(nèi)、外兩側(cè)，僅占1~2%面積，且存在明顯的擦傷痕跡。將齒圈斷口分割成小塊，清洗后置于掃描電子顯微鏡下觀察，圖5b圖3變槳軸承軌道嚴(yán)重磨損圖為裂紋源低倍顯微特征，放大后可見(jiàn)裂紋源表面存在擦傷及覆蓋層，見(jiàn)圖5c，圖5d為斷口上的貝殼紋特征，放大后觀察擴(kuò)展區(qū)呈疲勞輝紋特征。 　　宏微觀斷口分析結(jié)果表明，軸承外圈斷口裂紋源位于螺栓孔內(nèi)壁，擴(kuò)展區(qū)內(nèi)觀察到疲勞輝紋特征；斷口裂源處存在腐蝕坑特征，并且腐蝕坑底部明顯可見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物。
　　技術(shù)改造方案
　　根據(jù)該型機(jī)組變槳軸承的損壞狀況和失效模式，在現(xiàn)有軸承連接尺寸和設(shè)計(jì)條件下，對(duì)該型機(jī)組變槳軸承進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面，如圖6所示。 　　（1）在提高軸承材料性能和制造工藝條件的同時(shí)，增加淬火硬度層厚度，優(yōu)化內(nèi)軌道面過(guò)渡位置的倒角和注油孔內(nèi)表面幾何形狀，降低局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力和疲勞接觸應(yīng)力，進(jìn)而提高軌道周邊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；
　?。?）在保持螺栓接口尺寸和軸承滾珠軸向和金相相對(duì)位置不便的條件下，軸承外圈外徑增厚10mm，軸承內(nèi)圈內(nèi)徑增厚10mm，內(nèi)外圈在軸向增厚10mm，以便提高變槳軸承的剛度，進(jìn)而提高承載葉片軸向力、徑向力和傾覆力矩，降低軸承變形，改善螺栓受力等。
　　結(jié)論
　　通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)某型故障機(jī)組葉片變槳軸承損壞狀況的統(tǒng)計(jì)和調(diào)研，以及對(duì)外圈斷裂軸承的失效分析，查明了該型機(jī)組變槳軸承批量損壞的失效模式和主要原因，軸承材料性能較低，整體和軌道等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致安全裕度較低，此外風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)和保養(yǎng)不足，亦是導(dǎo)致其嚴(yán)重磨損卡澀的原因?；谑Х治龅慕Y(jié)果，對(duì)材料性能、制造工藝，以及整體和軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)該型機(jī)組葉片變槳軸承技術(shù)升級(jí)，并取得良好效果。