偏航轴承典型的失效分析毕业论文.doc

风电偏航轴承典型失效分析摘 要偏航轴承是风电设备中主要的零部件，其性能与工况的好坏直接影响到与之相连的转动轴以及安装在转轴上的偏航系统装置乃至整个风电设备的性能。据统计，在风电设备中，大约有的故障都是由于偏航轴承引起的。因此，研究偏航轴承的失效机理，提出相应的预防和维护措施，对于提高偏航轴承的可靠性，提高风电设备的使用寿命，提高经济效益，保证风电设备的长期安全稳定运行，均有现实的意义。轴承寿命是与制造、装配、使用密切相关的，偏航轴承早期的失效多与偏航系统配合部位的制造精度、安装质量、使用条件、外部异物侵入、电腐蚀及偏航系统突发故障等多方面因素有关，必须各个环节都要做好，才能使偏航轴承处于最佳的运转状态，从而延长轴承的寿命。本文在广泛查阅国内外相关技术资料基础上，给合国内外的实践经验和研究成果，论述了诸如材料、结构设计、使用工况、密封润滑等各种因素对偏航轴承损坏的影响。采取各种检查手段，进行失效分析，找出引起失效的原因，改善这些因素，避免或减少类似事件的再次发生，延长轴承的使用寿命。 关 键 词：偏航轴承，失效，材料，结构设计，寿命THE TYPICAL FAILURES ANALYSIS ON THE YAW BEARINGABSTRACTYaw bearings are the major components in wind power equipment. The performance and working conditions of the yaw bearings are closely related to the performance of the yaw system on the shaft and even the whole wind power equipment. According to statistics, up to 20 percent of failure of wind power equipment is caused by the yaw bearings. Consequently, it is of vital importance to study failure mechanism of the yaw bearings and work out effective preventive measures in order to improve the reliability of the yaw bearings and prolong the life of the wind power equipment, which help to improve the economic benefit as a result. And it is also very practical to make sure the safe and steady operation of the wind power equipment in real working conditions. Bearing life are closely related to manufacturing, assembling and using, The early failure of the yaw bearings are mostly related to the manufacturing accuracy of the yaw system , installation quality, service condition, external inpurity intrude, electric corrosion and sudden accidents of the yaw system. Each link factors should be well. To make the yaw bearings in the best operation state, thereby prolong the life of the yaw bearing.This paper based on widely consult the relevant technical datas of the domestic and foreign. combined domestic and international experience and research findings, discussed such as materials, structural design, working condition, seal lubricant and other factors impact on the yaw bearing damage. Take all kinds of inspection method for failure analysising, finding out the reason caused by failure, improving these factors, avoiding or reducing the similar events happening again and prolonging the service life of the yaw bearings.KEY WORDS：the yaw bearing, failure, materials, structural design, working life目 录前 言1第一章绪论31.1 本课题的提出31.2 国内外研究现状31.3 本课题研究的依据与意义41.4 本论文的研究内容及方法5第二章偏航轴承的典型失效形式62.1 偏航轴承技术概述62.2 偏航轴承的使用工况82.3 偏航轴承的失效形式92.3.1 接触疲劳剥落92.3.2 磨损102.3.3 腐蚀112.3.4 胶合122.3.5 塑性变形132.3.6 其它失效形式132.4 研究偏航轴承失效的步骤14第三章 影响偏航轴承失效的各种因素以及改进措施173.1 材料因素对偏航轴承寿命的影响173.2 偏航轴承制造工艺的分析193.3 润滑和密封对偏航轴承失效的影响213.4 提高偏航轴承工作寿命的有效措施22结 论25参考文献26致谢28前 言近几年来，随着社会进步和科学技术的高速发展，风力发电作为一项可再生的绿色环保新型洁净能源，受到各国的高度重视，得到了长足的发展。随着风机发电能力的不断提高，风机设计也越来越向大型化发展。因此，对风电偏航轴承提出了更高的要求1,2。大型风电偏航轴承不仅要求高的刚性和可靠性，还要轻便，便于安装。抗疲劳制造是风电轴承长寿命和高可靠性的保证，由于风机组在野外以上的高空中运行，风电偏航轴承工况恶劣，温度、湿度变化大，要承受大的冲击载荷和倾覆力矩，还要经受风沙的侵袭。由于风场一般都在偏远地区，偏航轴承的运输和吊装都十分困难，一旦发生早期故障，维修费用十分昂贵3。因此，在轴承的生产过程中必须提高轴承质量，避免轴承的早期失效。在这里对偏航轴承的早期失效进行分析，找出失效的原因，提出相应的整改措施。疲劳破坏是偏航轴承典型的失效形式，对于要求20年使用寿命和高可靠性的偏航轴承来说，必须应用抗疲劳制造技术进行生产，使其具备很高的疲劳寿命。轴承失效是近40年来发展起来的一门技术科学。所谓轴承失效，是指轴承达不到预期的支撑运动部件运动的功能。失效分析即时通过合乎逻辑的思路、科学的方法，使用必要的试验技术手段，包括近代发展起来的各种微观表面分析仪器，找出失效机理，并提出防止失效的措施4。由此可见，偏航轴承的失效分析是提高偏航轴承可靠性系统工程中的重要环节，是一门跨学科的技术领域，它既有综合性，又有实用性。所谓综合性表现在它的涉及面很广，包括产品的结构设计、机械制造工艺、材料的选用与冶金技术，以及摩擦学、腐蚀学、工程力学、断裂力学、金属物理和表面物理等广泛的学科领域和技术门类。失效分析技术必须依赖于这些相关学科的发展而向前发展，而这些学科的发展又都与失效分析工作密切相关。所谓的实用性表现在轴承的失效分析工作必须从生产实际出发并紧密的为生产服务。它的积极意义在于5：（1）可以分析出偏航轴承失效的主要原因，并提出改进措施，不断提高轴承产品的质量。（2）可以判断设计是否合理，纠正某些不尽合理的方面以提高偏航轴承产品的可靠性。（3）可以发现偏航轴承零件在冷、热加工中存在的问题。纠正不合理的加工工艺。（4）可以判断材料选择的合理性及原材料质量存在的问题，所以说偏航轴承的失效分析工作是与偏航轴承的产品质量及其生产发展密切相关的重要工作。 第一章 绪论1.1 本课题的提出风力发电机用轴承主要包括：偏航轴承总成（660PME047）、变桨轴承、变速器轴承、发电机轴承等。偏航轴承安装在塔架与座舱的连接部，每台风力发电机设备都要有一套偏航轴承。偏航轴承是风机追踪风向，调整迎风面的保证，转动范围，在范围上转动频率最高。一般情况下，风电设备要求年的工作寿命，由于偏航轴承的吊装和更换极为不便而且成本很高（一次安装拆卸费用即高达几十万到上百万），因此，年的使用寿命和高的可靠性，就成为对偏航轴承的基本要求，若在质保期内轴承损坏，将进行索赔，带来的经济损失巨大6,7。对偏航轴承的早期失效进行分析，提出有效措施，改善轴承的各项性能，从而延长轴承的寿命。1.2 国内外研究现状风能是大自然中取之不尽，用之不竭且无污染的可再生能源。在全世界电力需求量急剧增长的条件下，考虑到有机燃料的非再生性与有限开采性以及生态环境等原因，大力利用风能具有特别的现实意义。近十年来，风力发电作为一项可再生的绿色环保新型洁净能源，受到了各国的高度重视，得到了长足的发展。从世界范围看，欧洲和北美在开发利用风能发电方面处于世界领先地位，尤其是欧洲的丹麦、德国和英国以及北美的美国。目前风力发电已在可再生能源的开发中独树一帜，成为对常规能源最具竞争力的新能源发电方式。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源，我国风能资源储量居世界前列，仅次于俄罗斯和美国。但轴承是我国风电设备制造的软肋10。在偏航轴承开发研制中，存在的主要技术难点是实现长寿命所需的密封结构和润滑脂、特殊的滚道加工方法和热处理技术、特殊保持架设计和加工制造方法等。国内目前的技术水平与国外先进水平相比存在较大差距，但近几年来我国的一些研究单位在这些方面已经取得了一些突破性的研究成果，这必须将加速风机轴承国产化的进程11。国际著名的风电轴承公司主要有瑞典SKF、德国Schaeffler(舍费勒)、美国TMKEN和日本 NSK等，在全球市场上占据统治地位。其中，SKF专为大型风力发电机设计和开发的超大型混合陶瓷深沟球轴承可隔绝电流。这些轴承设计独特，轴承套圈由钢制轴承产品制成，钢球由氮化硅（Si3N4）制成，硬度高而且密度低。除了优异的电绝缘能力外，SKF超大型混合陶瓷深沟球轴承设计充分发挥了润滑剂的作用，即便在润滑不良的情况下也能确保长期性能12,13,14。我国轴承行业对风电轴承的设计、制造和试验技术还远远没有吃透，大多轴承厂家在1.5兆瓦风机以上的技术多处于实验阶段，难以形成规模。虽然洛阳LYC轴承有限公司已具有2兆瓦级风电机组配套轴承的制造技术并可批量生产，最近又研制出2.5兆瓦风电轴承，但与世界先进技术相比还有一定距离。据悉，瓦轴已经建成全球轴承品种最多、生产规模最大、配套机组最全、发电功率最大的风力发电轴承生产基地，在设计研发、工艺制造、检测试验三大技术领域达到了世界水平，成为全球屈指可数的几家能为5兆瓦风力机组配套轴承的企业之一15。1.3 本课题研究的依据与意义风力发电机用轴承主要包括：偏航轴承总成（660PME047）、风叶主轴轴承（24044CC）、变速器轴承、发电机轴承等。风电偏航轴承安装在塔架与座舱的连接部，偏航轴承是偏航系统中的重要部件，承载着风力发电机主传动系统的全部质量，并传递着气动推力到塔架，用于适时地调整风力发电机的迎风角度，因而可以说，偏航轴承是风机追踪风向，调整迎风面的保证。由于风力发电机在野外高空环境中工作，偏航轴承工作在风沙、雨水、盐雾、潮湿等环境下，给其安装、润滑及维修都带来了不便。为此不仅要求偏航轴承具有足够的强度和承载能力，还要求其运行平稳、安全可靠、寿命长（风力发电机主机寿命要求20年，因此偏航轴承寿命也要达到20年）、润滑、防腐、及密封性能良好16。偏航轴承的失效是一个十分复杂的问题，它不仅与轴承的材料、精度等级、热处理性能有关，还与工作载荷（冲击载荷）、装配精度、润滑条件、密封状况以及环境参数有关，另外，风机如果在运动过程中偏转，偏航齿轮上将承受相当大的陀螺力矩，亦容易造成偏航轴承的疲劳失效。本课题通过对风电偏航轴承的典型失效分析研究，指出实验研究分析的必要性, 并从设计因素、加工精度、使用条件及环境参数等方面讨论了它们与偏航轴承失效的关系，并得出了提高风电偏航轴承寿命的一些具体措施。1.4 本论文的研究内容及方法本论文的研究题目是偏航轴承的典型失效分析，其内容将主要从偏航轴承早期的失效形式方面进行论述。偏航轴承的失效形式主要有接触疲劳失效、磨损失效、腐蚀失效、塑性变形失效、胶合失效等，通过对这些失效机理的理解认识，对偏航轴承进行失效分析，大体可以分为三个步骤：失效实物和背景材料的收集；对失效实物的宏观检查和微观分析。找出早期失效的主要因素，最终提出能有效避免风电偏航轴承早期失效、提高风电偏航轴承寿命的一些措施。本文通过参阅国内外有关的技术文献，对偏航轴承的失效机理进行了概括总结，采用文献研究法、信息研究法、经验总结法、系统科学法等方法对目前偏航轴承生产制造、使用安装方面的技术进行了归纳总结和改进。第二章 偏航轴承的典型失效形式偏航轴承是风力发电机设备的的基础件之一，偏航轴承运行的状况直接影响偏航系统的运行质量。现在风力发电机对偏航轴承的质量、精度、使用寿命等要求越来越高，对偏航轴承的安装、使用及维护和保养也越来越重视。通过对偏航轴承的失效形式的了解，可以直观地发现轴承损坏的因素，便于查找引起轴承失效的根本原因。2.1 偏航轴承技术概述风力发电机用轴承主要包括：偏航轴承总成（660PME047）、变桨轴承、变速器轴承、发电机轴承等。偏航轴承安装在塔架与座舱的连接部，每台风力发电机设备都要有一套偏航轴承。偏航轴承是风机追踪风向，调整迎风面的保证，转动范围360，在90范围上转动频率最高，风机开始偏转时，偏航加速度将产生冲击力矩（为机舱惯量）。偏航转速越高，产生的加速度也越大，由于非常大，这样使本来就很大的冲击力成倍的增加。另外，风机如果在运动过程中偏转，偏航齿轮上将承受相当大的脱落力矩，容易造成偏航轴承的疲劳失效。根据偏航轴承的受力特点（同时承受轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩），偏航轴承通常采用“零游隙”设计的单排四点接触式球或双排四点接触球转盘轴承。单排四点接触球转盘轴承的结构参见图1-1，双排四点接触球转盘轴承的结构参见图1-26,7。图2-1 无齿式四点接触球转盘轴承图2-2 无齿式双排四点接触球转盘轴承根据风力发电机的要求和生产能力，标准将单排四点接触球轴承外径尺寸定在滚动体中心圆直径为之间，双排四点接触球轴承引用的依据是双排异径球转盘轴承的外形，考虑到主机机构及生产加工，高度尺寸在双排异径球轴承的基础上适当增加，约为单排四点接触球轴承高度的120%。由于风力发电机偏航轴承的受力工况复杂，而且轴承承受的冲击和振动比较大，又能承受较大载荷和保证长寿命。所以，标准对风力发电机轴承提出了一些不同于一般转盘轴承的特殊技术要求8,9。（1）材料 轴承套圈推荐采用国内外转盘轴承常用的42CrMo合金结构钢。42Cr加入Mo后，增加材料的淬透性，滚道采用表面淬火后，表面硬度可达到，增加接触疲劳寿命；而心部调质硬度，能够承受冲击而不发生塑性变形，具有很好的耐冲击性能；同时此种材料的锻造工艺成熟，锻件采购方便，调质后材料的力学性能得到了提高，表面淬火工艺成熟可靠，质量稳定。钢球材料的选择为国内外通用的轴承钢GCr15或GCr15SiMn。（2）偏航轴承的游隙要求 偏航轴承在游隙方面有特殊的要求，要求偏航轴承必须为零游隙，这样在使用过程中可以减少冲击振动、提高承载能力，也可以在振动的情况下减小轴承的微动磨损。标准规定偏航轴承的轴向游隙为小游隙值，即：。（3）防腐蚀和密封 风力发电机设备在野外工作，而且偏航轴承的一部分是裸露在外面的，会受到大气污染，高湿度的环境也会腐蚀轴承基体，因此裸露在外面的偏航轴承的部位要进行表面腐蚀处理，一般采用热喷涂长效防腐工艺，其防腐寿命长，可达20年以上。密封圈的材料选择丁腈橡胶，该材料各项性能指标在下性能非常稳定，能够满足偏航轴承的实际环境要求，保证轴承野外工作时，密封圈不早期失效，不使异物进入轴承内部。国外SKF和FAG等厂家风机轴承密封大多选用的也是丁腈橡胶。（4）低温冲击功 偏航轴承套圈低温冲击功要求：不小于，风力发电机可能工作在极寒的地区，环境温度低至左右，轴承的工作温度在左右，偏航轴承在低温条件下必须能够承受大的冲击载荷，因此要求轴承偏航轴承套圈的材料在调质处理后必须做低温冲击功试验。2.2 偏航轴承的使用工况风力发电机常年在野外工作，工况条件比较恶劣，温度、湿度和轴承载荷变化很大，风速最高可达，有冲击载荷，因此要求轴承有良好的密封性能和润滑性能、耐冲击、长寿命和高可靠性，发电机在2-3级风时就要启动，并能跟随风向变化。偏航轴承是风电设备的重要部件，是风机追踪风向，调整迎风面的保证。由于风速的变化无常，偏航轴承速率和转向经常发生变化，承受重的冲击载荷。偏航轴承在以上的高空的工作，空气中的存在大量凝结的水以及风沙等杂质，这些都会对轴承的表面造成腐蚀，影响偏航系统的精度。，因此，对偏航轴承的设计、材料、制造、润滑及密封都要进行专门设计。海上风电的载荷更加复杂，主要包括惯性重力载荷、波浪和海流的载荷、海冰载荷和船舶冲击载荷等多个不稳定载荷，相比于岸上的风特性，海上的风有更高的年平均风速，并且受到底层喷流的影响。因此海上风电的载荷状况更加复杂。另外，海上的湿度更大，对偏航轴承的防腐提出了更高的要求。综上所述，偏航轴承的工况条件非常恶劣，但是风电偏航轴承的安装和维修费用非常高，另外风力发电机主机寿命要求20年，因此偏航轴承寿命也要达到20年。为了满足偏航轴承高寿命和高的可靠性，对偏航轴承进行早期的失效分析具有重要的现实意义，发现影响偏航轴承失效的因素，提出预防风电偏航轴承早期失效的措施。2.3 偏航轴承的失效形式滚动轴承的寿命是指轴承的疲劳寿命，即到轴承滚动表面出现疲劳剥落为止的累计工作小时数或运转的总转数，但除正常的疲劳剥落外，还有多种损坏形式，常有磨损、烧伤润滑脂失效，损坏的表现是轴承运转不灵活，摩擦力矩和温升急剧增高，振动和噪声恶化，甚至出现轴承卡死而不能旋转，我们要掌握影响轴承使用寿命的因素，首先对轴承损坏形式进行分析，找到引起损坏的原因。轴承失效一般可分为止转失效和丧精失效两种， 止转失教就是轴承失去工作能力而终止转动例如卡死、断裂等 丧精失效就是因几何尺寸变化了配合问I鳍c，失去了原设计要求的回转精度，虽尚能继续转动，但属非正常运转。例如磨损、腐蚀等 轴承失效的影响因素很复杂，而且各类轴承的工作条件和失效因素的差异，产生的失效形式和形貌特征亦各不相同。按其损伤机理大致可分为：接触疲劳失效、摩擦摩损失效、腐蚀失效、游隙变化失效、胶合失效等几种基本形式17,18。2.3.1疲劳剥落滚动轴承在高接触应力的作用下，通过多次应力循环后，在套圈或滚动体工作表面的局部区域产生小片或小块金属剥落，形成麻点或凹坑，从而引起振动，噪声增大，磨损加剧，导致不能正常工作的现象称为接触疲劳失效，是滚动轴承失效的主要形式。使用中轴承的疲劳剥落一般容易出现在滚子的表面上，开始只是表面产生极小面积疲劳点和轻微的金属颗粒剥离。这些零件疲劳所剥离的坚硬氧化物颗粒，像磨料一样，是表面加快磨蚀。同时，轴承中的滚动表面受力不均，受力大的部位极易脱皮。接触疲劳失效是偏航轴承表面最常见的失效形式之一，是轴承表面受到交变应力的作用而产生的失效，接触疲劳剥落在偏航轴承表面也有疲劳裂纹的萌生、扩展和断裂的过程初始的接触疲劳裂纹首先从接触表面以下最大正交切应力处产生，然后扩展到表面形成剥落，如麻点状的称为点蚀或麻点利落，剥落成小片状的称浅层剥落。初始裂纹在硬化层与心部交界区产生，造成硬化层的早期剥落则称为硬化层剥落。如图2-3所示图2-3 偏航轴承的疲劳失效偏航轴承的疲劳失效损伤特征：（1） 偏航轴承的滚道仅一侧表面剥落（2） 滚动体及滚道接触边缘剥落（3） 滚动体的圆周方向在对称位置上有剥落（4） 受力表面较大面积压光和微观剥落（5） 装配后偏航轴承早期出现的表面剥落（6） 滚道面和滚动体早期出现表面剥落2.3.2 磨损偏航轴承在工作过程中由于滚动体与内外滚道间的滚动和滑动运动，保持架与引导面间的滑动运动，引起轴承工作表面金属不断损失的现象叫轴承的磨损，如图2-4所示。由于轴承工作表面不断磨损使轴承零件产生尺寸和形状的变化导致轴承配合间隙增大，工作表面形貌变化而丧失旋转精度，由此引起工作温度升高、振动、噪声、摩擦力矩增大等，致使轴承不能正常工作的现象称为磨损失效。磨损失效与材料性质、粗糙度、润滑状态、接触应力、相对滑动率、表面摩擦系数、速度、温度及环境介质等有着密切关系。图2-4 偏航轴承的磨损失效偏航轴承的磨损失效损伤结果是：损伤轴承，降低轴承的运转周期。偏航轴承的磨损失效损伤特点：（1） 类似静压痕（2） 在配合表面上出现红褐色磨损粉末的局部磨损（3） 滚道面、滚动体面、保护架等磨损（4） 偏航轴承挡边磨损过大2.3.3 腐蚀图2-5 偏航轴承的腐蚀失效偏航轴承的腐蚀失效是偏航轴承失效形式中的重要一种，如图2-5所示。在偏航轴承的制造中金属表面要经过特殊的防腐处理。偏航轴承的腐蚀失效结果是：表面由于电流19（主要是内圈与外圈的电流差）、化学（水、润滑脂、防腐漆等）和机械作用（微振等）产生损伤，丧失精度而不能继续工作。偏航轴承的腐蚀失效损伤特征是：（1）空气中水分的凝结，腐蚀性介质侵入偏航轴承的金属表面同环境介质发生化学或电化反应而产生的磨损称为锈蚀失效。偏航轴承在潮湿的环境以及酸性和有引起金属锈蚀的介质中工作，使轴承零件产生锈蚀斑点；最终导致失效。另外，润滑剂中含有水分或在添加剂中有酸性、碱性成分也会导致失效。（2）电流通过产生电火花融化当电流在偏航轴承内部通过时，电流通过滚道和滚动体的接触工作表面很薄的润滑剂膜而引起火花，造成局部表面熔融的现象叫电蚀。电蚀失效肉眼可见，主要特征：搓板状凹凸不平、黑色点状小圆穴。电蚀由三部分组成：变质层+硬化层+回火正常部分。（3）微振，装配不良，游隙变化失效，咬死偏航轴承工作过程中，由于受到外界温度影响以及自身内在因素的变化，改变了原有的配合间隙，导致精度降低，甚至造成咬死的失效称为游隙变化失效。造成这种现象一是偏航轴承在运转过程中，由于超温下工作，轴承零件、形状不相同、膨胀系数不相同，造成游隙变化失效。二是因组织与应力不稳定使游隙变化。偏航轴承在高温下运转，但若零件的组织和应力（残余奥氏体）处于不稳定状态，随着轴承工作时间的增长，而产生尺寸的变化，轻者丧失偏航精度，重者产生咬死现象。2.3.4 胶合冲击重载、润滑不足、滚动体与套圈滚道或挡边产生严重滑动、轴承游隙减小，摩擦力增大。滚动体与保持架兜孔间隙过小或卡紧等现象都会产生金属间的直接接触产生固相焊合。当焊合强度大于接触零件任一基体强度，使剪切力高于焊合强度，在接触一方或二方的金属深处产生的局部破坏 称为胶合。偏航轴承的胶合失效损伤特征是：（1） 滚道面和滚动体表面出现胶合（2） 四点接触球轴承的滚道面出现螺旋状胶合（3） 滚动体与挡边外出现胶合2.3.5 塑性变形在外力和环境温度作用下，轴承零件局部塑性流动或整体变形，致使整套轴承不能正常工作而造成的失效称为变形失效。偏航轴承的塑性变形失效主要是冲击载荷作用，在偏航轴承工作运转中，风速大小和风的方向很不稳定，并且变化的幅度很大，偏航轴承随时要受到冲击载荷的作用，是局部受载超过材料的屈服极限而产生压痕，即产生塑性变形，如图2-6所示。除此之外，偏航轴承工作条件恶劣，在很高的温度和剧烈摩擦状态工作，还会引起热态变形下的表面应力，严重时甚至产生裂纹。图2-6 偏航轴承中钢球的塑性变形失效偏航轴承塑性变形失效损伤的特征：（1） 零件的工作表面（沟道、滚动体等）上产生压痕（2） 零件的表面的磕碰伤（3） 偏航轴承齿圈上的擦伤2.3.6 其它失效形式 （1）变色变色是由于轴承在运转过程中因发热引起的表面颜色变化。另外，在温度作用下润滑剂中的部分化学物质、磨损的金属粉末等杂质会黏附在零件表面上也会引起轴承零件颜色变化，这种变色又称污斑。表面颜色一般呈淡黄色、黄色、茶色、棕红色、紫蓝色及蓝黑色等，发热引起的变色一般没有深度。对于使用中的轴承若出现深度变色如紫蓝色或蓝黑色的则有可能形成了烧伤。零件腐蚀也会引起变色，但这类变色有一定深度。轴承零件在运转过程中，因摩擦会产生大量的热，若润滑不充分或散热条件差，热量得不到及时的冷却或扩散，热量的聚积使轴承温度很快升高，温度升高会使附着在轴承零件表面的油膜产生氧化现象，形成一种浅褐色的氧化制，沉积附着在轴承的表面上。但这种变色并不影响轴承的使用，所以允许存生。当轴承因安装不当（如安装倾斜）或润滑不良等原因使轴承处于一种极不正常的工作状态，引起温度的急速上升，此时轴承的局部温度有可能超过轴承零件的回火温度，甚至更高，并产生严重的变色如蓝黑色或紫蓝色，形成烧伤现象，这种情况的变色轴承就不能再继续使用了。变色的主要原因是轴承的工作游隙过小、局部应力集中、预载荷过大、润滑不良、润滑剂变质、散热条件差、润滑剂使用过量等。（2）麻点麻点是由于材料的品质、腐蚀、疲劳、异物进入工作表面等原因在零件表面引起细小坑、点。其表面形态呈黑色针点状凹坑，有一定深度，单个、多个或密集出现。麻点在偏航轴承的套圈或滚动体表面均有可能产生。2.4 研究偏航轴承失效的步骤在滚动轴承失效分析过程中，往往会碰到许多错综复杂的现象，各种经验结果可能是相互矛盾的，或者主次不易分清，这就需要经过反复试验、验证，以获得足够的证据或反证，在整个分析过程中，只有运用正确的分析方法、程序及步骤，才能找到真正的失效原因，得到正确的结论。失效分析工作者必须有广博的基础知识、丰富的实践经验和先进的分析手段，在作失效分析时必须从影响轴承寿命的外部条件因素到内在质量因素给予综合的分析，尽快地确认分析的结论。偏航轴承的失效原因比较复杂，涉及到多方面的专业知识，需要都轴承的结构特性，加工方法，各个零件的加工工艺及设备有一定的了解。现在所涉及的失效形式，根据轴承的结构特性，结合轴承的使用工况，通过对轴承的安装，配合及调整的分析，对运行速度，温升，受力分析。归纳总结出轴承早期失效过程和失效原因。在一般的情况下轴承失效分析大体可分为：失效实物和背景资料的收集；对失效实物的宏观检查和微观分析等三个步骤。（1）失效实物和背景资料的收集 应该尽可能地收集到失效实物的各个零件和残片。尽量多地理解到失效轴承的实际工作条件、使用过程和制造质量情况。这对于正确地进行失效分析是必不可少的，他具体包括以下内容：该风电设备的工作状况、载荷和运行速度。偏航轴承在设备上的设计工作条件。偏航轴承的失效情况。只有轴承失效还是其它部分也失效，轴承失效属于什么形式的失效。偏航轴承的安装记录（包括安装前轴承尺寸精度的复检情况），轴承和轴承游隙，装配中配合情况，齿圈的刚性如何，安装是否有异常。偏航轴承的润滑情况，包括润滑剂的牌号、成分、粘度、杂质含量及供给情况。偏航轴承工作中所承受的真正载荷情况，工作的实际速度及不同速度出现的频率。在实际失效分析背景资料收集工作中，全部满足上述条件是很难的，但收集到的资料愈多，无疑会更有利于分析结论的正确。（2）宏观检查对失效轴承进行宏观检查（包括尺寸精度测量和表面状态检查分析），是失效分析的重要环节，总体的外观检查，可了解轴承失效的概貌和损坏部位特征，估计造成失效的起因，查看缺陷的大小、形状、部位、数量和特征。、收集轴承使用数据这是进行分析的重要依据，数据应尽可能全面， 可包括以下方面：外形和尺寸精度的变化情况（包括测振分析，滚道圆度分析）。游隙的变化情况是否有腐蚀现象，在什么部位，是什么类型的腐蚀，是否与失效直接有关是否有破裂，裂纹的形态和短款性质如何。轴承各部件工作表面变色的情况和部位以确定其润滑情况和表面温度效应。对失效特征区主要观察有无异常磨损、外来颗粒嵌入、裂纹、擦伤和其它缺陷。宏观检查的结果，有时也可基本判断失效的形式和原因，但要进一步确定失效的性质，取得更多的证据，还必须进行微观分析。（3）微观分析失效轴承的微观分析包括光学的金相分析、电子显微分析、探针和电子能谱分析等。主要是根据失效特征区的微观组织结构变化和对疲劳源、裂纹源的分析提供更充分的判断依据或反证，因而是重要的。微观分析中最常用、最普及的方法是光学金相分析和表面硬度检测。这里所介绍的偏航轴承失效分析一般方法的三个步骤，是一个由表及里逐步深入的分析过程。具体分析时应根据偏航轴承失效的类型特点，并不是三个步骤中的每一个问题和每一种方法都对应使用。这要视具体情况决定取舍。但分析圈过程的三个步骤是缺一不可的。而且整个分析过程中，分析结构始终与影响轴承失效的内、外诸多因素联系起来，综合思考与判断。第三章 影响偏航轴承失效的各种因素以及改进措施偏航轴承失效的原因往往是多因素的，所有设计制造过程的影响因素都会与偏航轴承的失效有关，分析起来不易判断。在一般情况下可以从内在因素和外来因素两方面考虑和着手分析。内在因素主要是指设计、制造工艺和材料质量等决定轴承质量的三大要素。也可以称为制造质量因素。首先，结构设计不合理当然不可能有合理的轴承寿命；仅有结构设计的合理性而不考虑先进性也不会有较长的轴承寿命；只有结构设计同时具有合理性和先进性，才会有较长的轴承寿命。轴承制造要经过铸造、锻造、热处理、车削、磨削和装配等多种加工工序。各种加工工序的合理性、先进性和稳定性也都会影响到偏航轴承的寿命和失效分析。尤其是直接影响成品轴承质量的热处理和磨加工工艺，往往与轴承的失效有更直接的关系。今年来对轴承工作表面变质层的研究，能够说明磨削工艺与轴承工作表面质量的密切关系。同时，偏航轴承材料的冶金质量亦是偏航轴承早期失效的主要因素。外来因素主要是指安装调整、使用保养及维护修理等是否符合技术要求。因而也称为使用因素。安装条件是使用因素的首要因素之一，偏航轴承往往因安装的不合适而导致的偏航精度达不到要求，使偏航轴承的受力状态发生变化，偏航轴承将在不正常的状态下运转并提早失效。对润滑剂质量和密封进行分析和检验也很重要。尤其是润滑剂的正确使用对延长偏航轴承的使用寿命至关重要的5。3.1 材料因素对偏航轴承寿命的影响滚动轴承早期失效形式形成，主要有疲劳剥落、磨损、腐蚀、塑性变形等形式，在正常情况下，主要是接触疲劳。轴承零件的失效除了服役条件外，主要受材料的硬度、强度、韧性、耐磨性、抗蚀性和内应力状态等因素制约在风力发电机装备中，位于机舱底部的偏航轴承是偏航系统中的重要部件，根据其同时承受轴向载荷、径向载荷和冲击载荷的受力特点，常采用单排四点接触球转盘轴承。对于涉及多学科的偏航轴承来说，要特别注重制造轴承零件所用材料的优选、材料质量控制措施以及特大型轴承寿命等关键技术的研究和应用。由于偏航轴承采用四点接触球，实际接触面积很小，导致接触应力非常高，其最大值可达以上，因此选择抗压耐磨的材料，对于提高偏航轴承的使用寿命尤为重要20。现阶段，偏航轴承套圈推荐采用国内外转盘轴承常用的42CrMo合金结构钢。42Cr加入Mo后，增加材料的淬透性，滚道采用表面淬火后，表面硬度可达到，增加接触疲劳寿命；而心部调质硬度，能够承受冲击而不发生塑性变形，具有很好的耐冲击性能；同时此种材料的锻造工艺成熟，锻件采购方便，调质后材料的力学性能得到了提高，表面淬火工艺成熟可靠，质量稳定。钢球材料的选择为国内外通用的轴承钢GCr15或GCr15SiMn。42CrMo原始组织是粒状珠光体，在淬火低温回火状态下，淬火马氏体含碳量明显影响材料的力学性能。42CrMo属于高碳铬钢，经过淬火后，含有Ar（残留奥氏体），轴承零件中的有利也有弊，随着奥氏体含量的增多，硬度和接触疲劳寿命随之而增加，达到峰值后有随之而降低。42CrMo经淬火低温回火后，仍具有较大的内应力，零件中的残留内应力有利和弊两种状态，钢件热处理后随着表面残留压应力的增大，钢的疲劳强度随之增高，反之表面残留内应力为拉应力时，则使钢的疲劳强度降低。钢中的杂质包括非金属夹杂物和有害元素（酸溶）含量，它们对钢性能的危害往往是相互助长的，钢中杂质对力学性能和制件抗失效能力的影响与杂质的类型、性质、数量、大小及形状有关，但通常都有降低韧性、塑性和疲劳寿命的作用。因此，42CrMo热处理的好坏和42CrMo杂质含量对轴承的寿命都有密切关系。由偏航轴承材料引起的失效形式有：接触疲劳失效、磨损失效、腐蚀失效、塑性变形失效等。3.2 偏航轴承制造工艺的分析 一般来说，偏航轴承应具有高的寿命，高的可靠性这些特别性能。要达到这些要求，就必须在机械加工工艺上首先确保零件各个指标，如旋转精度，尺寸精度，表面粗糙度，防锈能力等。在偏航轴承的设计工艺中，接触角设计，沟道结构设计，密封设计等各个方面都将对轴承的使用寿命产生各种不确定的影响21-23。偏航轴承的主要结构参数如图3-1所示。图3-1 偏航轴承的主要结构参数兆瓦机风力发电机的偏航轴承总成通常安装在60m以上的塔架上，温度、湿度变化较大，载荷情况复杂，风力发电机偏航时，偏航速率赢尽量低，以避免陀螺力过大。风机开始偏转时，偏航加速度将产生冲击力矩，偏航转速越高，产生的加速度也越大，另外，风机如果在运行过程中偏转，偏转齿轮上将承受相当大的脱落力矩，容易造成偏航轴承的疲劳失效。（1）游隙偏航轴承的游隙采用零游隙，这样在使用过程中可以减少冲击振动、提高承载能力，也可以在振动的情况下减小轴承的微动磨损。游隙过小，容易出现卡死，烧伤等现象，而游隙过大，偏航系统的偏转精度不够，并且降低了轴承的承载能力。偏航轴承的有效游隙值对轴承的使用寿命影响很大，见有效游隙与轴承使用寿命的关系图3-2。图3-2 偏航轴承游隙与寿命关系图从图中可知：偏航轴承有效游隙值在稍微有一点负值时，寿命值最佳，再小时，寿命急剧下降，且摩擦增大，温度升高。为安全起见最佳有效游隙值，一般都选择零游隙。（2）沟道曲率半径若采用内外圈沟道等曲率设计即，其结果会是偏航轴承内外圈的接触应力相差较大，轴承的疲劳寿命相应缩短，内圈沟道容易先失效。而采用内圈沟道高密合度，外圈沟道低密合度设计，即取内圈沟曲率半径系数，外圈沟曲率半径系数，可使内外圈沟道最大接触应力值相近，减小轴承的摩擦力矩，增加沟底壁厚，保证良好的润滑条件和接触状况，提高轴承承载能力。（3）接触角对风电偏航轴承来说，接触角是偏航轴承重要的设计参数，它对轴承内部的负荷分布、润滑都有重要的影响，而负荷所产生的接触应力对轴承的接触疲劳和磨损有这重要影响，在很大程度上决定着轴承寿命的可靠性。因此对不同接触角的偏航轴承内外圈和滚动体进行应力疲劳的分析意义重大，选取优化的结构参数，以达到寿命和可靠性要求。根据偏航轴承载荷特点及装配性能要求，一般取。（4）内外圈挡边偏航轴承内外圈挡边直径直接影响到轴承承载能力，为了避免内外圈挡边与沟道表面的交线进入弹性接触区域而产生的应力集中现象，根据经验，内圈挡边高度，同样，外圈挡边高度，其中，为挡边高度系数，对于偏航轴承这样的特大型轴承，可取。优化设计得到内外圈挡边，使偏航轴承的轴向承载能力可靠性得到了保证。（4）钢球对于偏航轴承这样的角接触轴承，当内外径尺寸确定是，从径向空间看，钢球直径过大，将使轴承内外圈沟底壁厚减小，轴承承载后易使内外圈产生弯曲变形；而钢球直径过大，将影响轴承的承载能力。钢球数量不仅要求满足承载能力，而且需具有良好的轴承装配工艺性。从理论上讲，钢球数量越多，偏航轴承的承载能力越大，但数量太多，既无法装配，还会降低保持架的强度和使用寿命。由偏航轴承制造工艺引起的失效形式有：疲劳失效、生锈腐蚀失效、烧伤失效、卡死失效等。3.3 润滑和密封对偏航轴承失效的影响滚动轴承的润滑和密封是轴承设计过程中不可或缺的部分。对于偏航轴承来讲，工作场所条件恶劣，经常受到风沙侵袭，因此，润滑和密封有了更高的要求，良好的润滑条件和可靠的密封措施均可以有效的改善轴承使用状况，延长轴承的使用寿命。（1）润滑滚动轴承润滑的目的是减少轴承内部摩擦及磨损，在构成轴承套圈、滚动体及保持架的相互接触部分，防止金属接触，减少摩擦、磨损；防止烧粘，轴承的滚动疲劳寿命，在旋转中，滚动接触面润滑良好，则延长，相反地，油粘度低，润滑油厚度不好，则缩短；另外，润滑剂还有防止金属锈蚀的作用。润滑不良会引起不正常的摩擦磨损，并产生大量的热量，影响材料组织和润滑剂性能。如果润滑不当，即便选用再好的材料制造，加工精度再高，也起不到提高轴承寿命的效果。润滑对偏航轴承的疲劳寿命和摩擦、磨损、温升、振动等有重要影响，没有正常的润滑轴承就不能工作。分析偏航轴承的损坏原因表明40左右的轴承损坏都与润滑不良有关。因此偏航轴承的良好润滑是减小轴承摩擦和磨损的有效措施。除此之外轴承的润滑还对散热、防锈、密封、缓和冲击等起作用，要保证润滑剂不能过期失效选型要正确。依据偏航轴承的工作温度以及负荷，偏航轴承的润滑一般采用干油润滑，也称为润滑脂润滑。润滑脂是由基础油，增稠剂及添加剂组成的润滑剂，对于偏航轴承承受较大的冲击，润滑脂的选择更加的重要，适合的润滑脂可以满足偏航轴承高的工作温度，不易变质。润滑脂的的性能，很大程度上受基础油的粘度、凝点有关，润滑脂的胶体分散体系的可塑性和相似粘度随温度变化，温度升高，基础油蒸发、氧化变质，胶体结构失稳，继续上升，结构破坏，温度频繁变化且幅度很大，会加剧凝胶、分油。基础油50%60%蒸发后，润滑脂失去润滑作用。温度每升高1015，润滑脂的寿命缩短一倍。由偏航轴承润滑不良引起的失效形式有：接触疲劳失效、磨损失效、擦伤失效、变色失效、保持架的损伤等。（2）密封偏航轴承的密封圈的材料选择丁腈橡胶，该材料各项性能指标在-4050下性能非常稳定，能够满足偏航轴承的实际环境要求，保证轴承野外工作时，密封圈不早期失效，不使异物进入轴承内部。偏航轴承的密封不良使杂质进入轴承内部，既影响套圈与滚动体之间的正常接触形成疲劳源，又影响润滑或污染润滑剂。由偏航轴承密封不良引起的失效形式有：磨损失效、腐蚀失效、压痕失效、润滑剂失效等。3.4 提高偏航轴承工作寿命的有效措施前面对影响偏航轴承失效的主要因素进行了具体的分析，其中一种因素可能引起不同的失效形式，如偏航轴承的接触疲劳寿命与材料的疲劳强度有密切的关系，材料的疲劳强度不够可能引起偏航轴承接触疲劳失效；偏航轴承的塑性变形失效与材料的韧性、塑性存在着内在联系，材料韧性不足可能引起偏航轴承的塑性变形失效。但是引起偏航轴承某一种失效的原因并不是某单一因素，一种失效形式往往都是多个因素共同影响的结果，例如：偏航轴承的接触疲劳失效不仅仅是由材料因素引起的，它还与偏航轴承的载荷状况、制造精度、游隙等因素有关。因此，在提高偏航轴承工作寿命的措施要从材料的选择到偏航轴承的安装使用及维护各个方面考虑，只有各个方面都得到保证才能有效的提高偏航轴承的工作寿命。提高偏航轴承工作寿命的措施有：（1） 选取优质材料，改善材料的性能偏航轴承套圈一般选取42CrMo，42CrMo中随着S，P含量的增加，钢的低温冲击功明显降低，在一定范围内，Mn含量的提高可以削弱S对低温冲击功的不利影响，提高偏航轴承的可靠性。除了42CrMo之外，通过对风电偏航轴承采用不同工程材料进行分析，在联合载荷下，轴承材料采用陶瓷材料时，耐久性高，隔绝电流，对转动部件的磨损很小，可以在润滑不良等极端的环境下工作，更适合于做偏航轴承。其中，SKF专为大型风力发电机设计和开发的超大型混合陶瓷四点接触球转盘轴承。（2） 优化设计制造，提高加工精度经过二十多年的发展，偏航轴承的设计制造得到不断的优化，但是偏航轴承工作环境变化比较大，轴承的承载过程中存在薄弱环节，可依据具体的工况，在设计中不断改进设计参数，以达到设计要求，从而提高此类轴承产品的设计质量。偏航轴承属于特大型的精密部件，加工精度很难得到保证，提高偏航轴承的加工精度就是提高了偏航系统的偏转精度，可以使偏航轴承在正常的工作环境下作业，减少了不确定因素的影响，从而提高了偏航轴承的可靠性。（3） 选取优质的润滑剂偏航轴承的寿命要求达到二十年，但是在二十年内很难保证润滑剂的润滑质量，润滑剂的提早失效是偏航轴承中存在的主要问题，选取优质的润滑剂，可以有效的改善偏航轴承后期的润滑质量，从而提高了偏航轴承的工作寿命。（4）