風電機組變槳軸承工作環境多為風沙、雨露、潮濕（shī）和低（dī）溫等惡劣情況，加之（zhī）安裝和維護十（shí）分不方便，因此，變槳軸（zhóu）承不僅需要足夠的強度承受聯合載荷，同時也要求其具有良（liáng）好密封性與高可（kě）靠性。近年來，諸多國內外企業在生產風電軸（zhóu）承方麵達到了對規模、標準等的要求（qiú）。如斯凱孚（fú）（SKF）、舍弗勒（FAG）、恩斯克（NSK）等傳統軸承企業，以及羅特艾德（Rothe Erde）、勞力士（Rollix）等公司（sī）的產品在全（quán）球風電軸承行業享（xiǎng）有盛名，其生產的產品（pǐn）的主要性（xìng）能指標，如（rú）可靠性、壽命等全部滿足風電機組的使用要求。經過十幾（jǐ）年的發展，國內（nèi）在風電（diàn）專用軸承領域取得了（le）長（zhǎng）足的進步，在軸承自主生產，研發（fā）設計上都取得一定成果，但是與國外的知名軸承公司相比，在（zài）市場占有率以及基礎研發上仍（réng）有很大（dà）的差距，在基礎技術研究及（jí）後期生產製造方麵，我國仍（réng）需要不斷的探（tàn）求創新。
　　變槳軸承（chéng）失效模式
　　1.故障機組變（biàn）槳原理
　　故障（zhàng）機組變槳機構采用液壓缸來驅動，液壓缸安裝在齒輪箱後麵，活塞杆通過（guò）雙向推力軸承與變槳驅（qū）動杆連接。當變槳驅（qū）動杆移（yí）動時，3個組的葉片同步轉動。其變（biàn）槳距軸承的外圈通過螺（luó）栓連接固定在（zài）輪轂上，在（zài）變（biàn）槳距軸承的內圈與外（wài）圈間為圓珠滾子（zǐ），內圈通過螺栓連接葉片。其機組變槳（jiǎng）機構示意圖，見圖1。
　　故障機組（zǔ）葉片變槳軸（zhóu）承為單排四點接觸球軸承設（shè）計，主要承載來自葉片作用的徑向（xiàng）載荷、軸向載荷（hé）和傾覆力矩。四點接觸（chù）球軸（zhóu）承屬於徑（jìng）向單列角接觸球軸承，其滾道用來支（zhī）撐作用於兩個（gè）方向上的軸向載荷的，可（kě）以承受Z高為軸向載荷的幾分之一的徑向載荷（hé）。
　　2.軸承損壞（huài）情況（kuàng）及（jí）失效模式
　　風電場調（diào）研分析表明，隨著機組運行時間的增加（該型機組運（yùn）行時間（jiān）已有7到10年），變槳（jiǎng）軸承出現多起（qǐ）嚴重事故：發生21起導致葉片墜落的事故中，其中（zhōng）9起（qǐ）出現變槳軸承外圈斷裂；此（cǐ）外在運維檢查中發現近（jìn）10台次軸承外圈開裂，與（yǔ）葉片墜落時（shí）軸承斷裂（liè）情況類似。發（fā）生1起（qǐ）軸承卡澀導致葉輪無法回槳、高速軸過速製動（dòng）引發機組著火事故；同時還發現50多例較為嚴重的磨損卡澀（sè）問題。因此該型（xíng）機組變槳軸承的損壞主要（yào）表現為軸承外圈斷裂和軸（zhóu）承軌（guǐ）道磨損卡澀（sè）問題，給風電場的安全生產帶來極大的隱患。
　　對該型故障機組發生的變槳軸承斷裂及卡澀問題，從設計、製造（zào）、安裝、維護等方麵給予原因分析：
　　軸承斷裂主要發生在軸承-輪轂連接螺栓負載集中的區（qū）域，斷口方向為外圈徑向，斷（duàn）麵疲勞裂紋擴展明（míng）顯。軸（zhóu）承外（wài）圈斷裂見圖2。軸承外（wài）圈斷裂的主要原因有：淤通過（guò）失效分析和（hé）現場運維判斷軸承外圈斷裂主要原因是由於設計裕（yù）度不足導（dǎo）致的。由於軸承（chéng）強度不（bú）夠，容易引發螺（luó）栓斷（duàn）裂，周期性交變（biàn）載荷以及螺栓斷裂又加劇了軸承負載和變形，導致疲勞裂紋（wén）擴展（zhǎn）和軸承斷裂。於（yú）部分風電場風輪組裝以及更換輪轂-軸承連接副螺栓時，由於采用的潤滑方式不同，導（dǎo）致螺栓（shuān）軸（zhóu）力差異較大，受力較大以及應力集（jí）中區域的螺栓容（róng）易先期斷裂（liè），使得軸承更（gèng）容易出現（xiàn）裂紋，發生斷裂。 　　通（tōng）過對（duì）損壞的（de）變槳軸承拆解檢查發現，軸承內外圈軌道發生嚴重磨損甚至剝落，導致軸承卡澀，如圖3所示。主要原因為：
　　淤風電場定檢運維注脂不足、注脂（zhī）不規範，以及排油孔（kǒng）堵塞和（hé）密封不（bú）嚴等，使得滾珠和軌道之間長期潤滑（huá）不（bú）良，導致（zhì）軸承出現不同（tóng）程度的磨損剝落，部分磨損（sǔn）剝落嚴（yán）重軸承致變槳過程卡澀；於在安裝葉片變槳軸承時，該型機組未考慮軸承軟（ruǎn）帶應避開軸承負（fù）載較大的區域，使得軟帶及其過渡區域易發生（shēng）磨（mó）損；除此外（wài），機組（zǔ）的防雷設計存在缺陷（xiàn），雷電流直（zhí）接通過葉片軸承，造成葉片（piàn）軸承滾珠（zhū）與滾道間容易（yì）產生電蝕損傷。 　　損壞軸承失效分析
　　為了進一（yī）步查明和驗證該機（jī）型變（biàn）槳軸承斷裂和磨損的原因，對（duì）損壞（huài）的變槳軸承進行理化分（fèn）析、機械（xiè）/力學性能、金相分析（xī）以及宏微（wēi）觀（guān）斷口分析等試驗研究（jiū），分析結果如下（xià）。
　　1.軸承外圈（quān）材料化學成分測試
　　對斷裂變槳軸承取樣，並進行化學成分進（jìn）行（háng）測試，測試結果如表1所（suǒ）示（shì）。
　　測試結果表明，成分符合標準EN10204-2004對材料42Cr原Mo的技術要求。
　　2.機械/力學性能測試
　　在斷裂齒圈未斷裂部位取拉伸試（shì）樣、衝擊試樣及（jí）硬度試樣進行（háng）力學性能檢測，測試結果如表2所示。
　　測試結果表明，軸承套圈機械/力學性能符合標準EN10204-2004對材料（liào）42CrMo的技（jì）術要求，但抗（kàng）拉強度處於下限值，說明原材料（liào）質（zhì）量不（bú）高。
　　3.金相組織
　　分別在斷裂齒圈的靠近（jìn）斷口處取不開孔部位橫向截麵、開孔部（bù）位橫向截麵，經磨光、熱酸浸蝕（shí）法顯示其低倍組（zǔ）織，同時在軸承套圈、裂紋源以（yǐ）及孔內壁處截取金相試樣，進行非金屬夾雜測試和金相（xiàng）組織觀察等。
　　經檢測（cè）和測量表明，低倍組（zǔ）織進行評定，呈現0.5級一般（bān）疏（shū）鬆（見表3和圖4a所示），非金屬（shǔ）夾雜（zá）物實際檢驗A法評定為： 　　A1.0，B0，C0，D0.5，見圖（tú）4b；試（shì）樣的（de）顯微組織（zhī）為回火（huǒ）索氏體+少（shǎo）量鐵素體，組織呈帶狀偏（piān）析分布，見圖4c和圖4d。
　　金（jīn）相檢驗結果：齒圈試（shì）樣中存在硫化物類夾雜，硫化物類夾雜物級別評為1.0級（jí）；顯微組織為回火索氏（shì）體+少量鐵素（sù）體，由（yóu）此（cǐ）可見齒圈經（jīng）過了調質處（chù）理；裂（liè）源（yuán）處（chù）顯微組織為回火索氏體+少（shǎo）量鐵素（sù）體。並且在孔內壁剖麵試樣上可見腐蝕（shí）坑以及由腐蝕坑底擴展的微裂紋。
　　4.宏微觀斷口分析
　　截取斷口部位並清洗後，宏觀形貌（mào）見圖5a。可見孔內壁存（cún）在（zài）鏽蝕現象，並且裂紋起源於螺栓孔內壁鏽蝕相對較嚴重（chóng）的區域，呈多源特征，斷麵上可見貝殼紋特征，並且裂紋擴展（zhǎn）區占整個斷口的95%以上，瞬斷區靠近齒（chǐ）圈（quān）內、外兩側，僅占1~2%麵積，且存在明顯的擦傷痕跡。將齒圈斷口分割成小塊（kuài），清（qīng）洗後置於掃描電子顯微鏡下觀察，圖5b圖（tú）3變槳軸承軌道嚴重磨損圖為裂紋源低倍（bèi）顯微特征，放大（dà）後可見裂紋（wén）源表麵存在擦傷及覆蓋層，見（jiàn）圖5c，圖5d為斷口上的貝殼紋特征，放大後觀察擴展區呈疲勞輝（huī）紋特征。 　　宏微觀斷（duàn）口分析結果（guǒ）表明，軸承外圈斷口裂紋源位於螺栓孔內壁，擴展區內觀察到疲勞輝紋特征；斷口裂源處存在腐蝕坑特征，並且（qiě）腐蝕坑底部明顯可見（jiàn）腐蝕（shí）產物。
　　技術改造方案
　　根據該（gāi）型（xíng）機組變（biàn）槳軸承的損壞狀況和失效模式，在現有軸承連接尺寸和設計條件下，對該（gāi）型（xíng）機組（zǔ）變槳軸承進行技術升級，主要體現在以下兩個（gè）方麵，如圖6所示（shì）。 　　（1）在提高軸承材料（liào）性能（néng）和製造工藝條（tiáo）件的同（tóng）時，增加淬火（huǒ）硬度層厚度，優化內軌道麵過（guò）渡位置的倒角和注油孔內表麵幾何形狀（zhuàng），降低局部結構應力和疲勞接觸應力，進而提高軌（guǐ）道周邊結構強度；
　　（2）在保持螺栓接（jiē）口尺寸和軸承滾（gǔn）珠（zhū）軸向和金相相對（duì）位置不便的條件下，軸承外圈外徑增（zēng）厚10mm，軸承內圈內徑增厚10mm，內外圈在軸向增厚10mm，以便提高變槳軸承的剛度，進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
　　通過對風電（diàn）場某型故障機組葉片變槳（jiǎng）軸（zhóu）承損壞狀況的統計（jì）和調研，以及對外（wài）圈（quān）斷裂軸承（chéng）的失效分析，查明了該型機組變槳軸承批量損壞的失效模式和主要原因，軸承（chéng）材料性能較低，整體和軌道等結構設計導致安全裕度較低，此外風電場（chǎng）維護和保養不足，亦是導致其嚴重磨損卡澀的原因。基於失效分析的結果，對材（cái）料性能、製造（zào）工（gōng）藝，以及整體和軌道結構進行優化（huà）設計，進而實現對該型機組（zǔ）葉片變槳（jiǎng）軸承（chéng）技術升（shēng）級，並取得良好效果。