风电偏航驱动行星架开裂原因

燕友增,孟高强,曹 奇,吴 飞,张 皓

(明阳智慧能源集团股份公司,中山 528400)

偏航驱动是风机偏航系统中的重要部件,而其中的行星架是安装行星齿轮的零件。风的方向是随时间不断变化的,而风力发电机必须迎着风向才能最大效率地利用风能,因此风电机组的机舱也必须跟随着风向的变化来不断改变方向,以保证始终处于迎风状态。偏航驱动中的第5级行星架材料为球墨铸铁QT700-2,其一般生产工艺流程为:熔炼→浇注→正回火热处理→机械加工,偏航系统及偏航驱动内部结构如图1所示。

图1 偏航系统示意及偏航驱动内部结构

某风机运行5个月左右后不能正常偏航,经拆解检查发现偏航系统第5级行星架开裂损坏(见图2),笔者采用一系列理化检验方法对该行星架的断裂原因进行分析,以防止该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

偏航减速机外观正常,无漏油现象,目视检查行星架上的裂纹和断裂面,发现多条裂纹,并且同一行星架完全开裂位置不止一处,断口宏观形貌如图3所示。裂纹源处于安装行星轮的销轴孔表面,未见明显加工缺陷。

图3 行星架断口宏观形貌

1.2 化学成分分析

从行星架上取样,按照GB/T 20123—2016《钢铁总碳硫含量的测定高频感应炉燃烧后红外吸收法(常规方法)》方法A,分析C、S元素的含量,按照GB/T 20125—2006《低合金钢多元素的测定电感耦合等离子体发射光谱法》分析其他元素的含量,结果如表1所示,结果符合GB/T 1348—2019《球墨铸铁件》的要求。

表1 行星架的化学成分分析结果 %

1.3 扫描电镜(SEM)分析

从行星架上选取断裂面,采用SEM 对裂纹源,即区域A 进行观察,结果如图4所示。由图4可知:断面组织有解理台阶和河流花样,还有球冠状凹坑,该断口呈脆性解理断口形貌[1]。

图4 断面区域A的SEM 形貌

1.4 能谱分析

采用能谱分析仪对区域A进行分析,结果如图5所示,裂纹源处未发现明显异常夹杂物[2]。

图5 行星架试样裂纹源处能谱分析结果

1.5 拉伸性能测试

在行星架上取样,按标准GB/T 228.1—2021《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》进行拉伸性能测试,结果如表2所示,由表2可知:结果符合GB/T1348—2019对QT700-2球墨铸铁的要求。

表2 行星架试样的拉伸性能测试结果

1.6 夏比摆锤冲击试验

在行星架上取样,按标准GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行夏比摆锤冲击试验,测得的冲击吸收能量如表3所示。

表3 行星架试样的夏比摆锤冲击试验结果 J

1.7 硬度测试

在行星架上取样,按标准GB/T 231.1—2002《金属布氏硬度试验第1部分:试验方法》进行硬度测试,结果如表4所示,结果满足标准要求的220～270 HB。

表4 行星架试样的硬度测试结果 HB

1.8 金相检验

在行星架上取样,用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀,将试样置于光学显微镜下观察,按照GB/T 9441—2009《球墨铸铁金相检验》,腐蚀前检测试样的球化级别、石墨大小及数量,腐蚀后检测试样的珠光体和铁素体数量,结果如表5、图6所示,结果符合标准的要求。

表5 行星架试样的显微组织测试结果

图6 行星架试样的显微组织形貌

2 综合分析

该偏航驱动是一款新设计的驱动,还处于样机验证阶段,是两台样机中的一台,还未进行批量验证。其有限元分析结果如图7所示,最大应力位于安装行星轮的销轴孔处和立柱与平面的圆角过渡处,安全系数为1.56,满足静强度设计要求。

图7 偏航驱动的有限元分析结果

该风机仅运行了5个月左右,偏航驱动就发生了开裂现象,使用时间较短,经风场现场调查,测量偏航电机电压、线路阻值均正常,电机可以正常转动,电磁抱闸也可以正常松开。检查机组数据发现,机组存在偏航滑移,即偏航驱动存在被机组拖动的现象。偏航驱动拖动是指偏航驱动本来是通过电机转动驱动机组偏航旋转,但由于各方面原因,偏航驱动电机在静止的时候,机组被风吹动,从驱动的输出端传递力矩至减速机内部。

由宏观和微观断口形貌分析可知:宏观检查发现裂纹源处于安装行星轮的销轴孔表面,未见明显加工缺陷;扫描电镜观察到断口存在解理台阶和河流花样,属于脆性解理断口形貌;能谱分析结果表明,裂纹源处没有明显异常夹杂物。

由化学成分分析、拉伸性能测试、硬度测试、金相检验结果可知:开裂行星架的化学成分、拉伸性能、硬度和显微组织形貌均符合GB/T 1348—2019对QT700-2球墨铸铁的要求。

从分析结果来看,产品质量各检测项目都满足设计要求,可以排除由于生产制造不当导致失效的可能。裂纹源位于安装行星轮的销轴孔表面,结合设计分析来看,裂纹正位于最大应力位置处,推测开裂原因为强度设计不足,或偏航承受的瞬时应力过大[3]。查询机组运行数据,并未发现载荷过大的情况,但冲击吸收能量非常低。行星架材料的抗冲击性能较差,故不能承受冲击载荷而发生开裂现象[4]。

3 结语和建议

该偏航驱动行星架发生脆性断裂,裂纹源处于应力最大处,即安装行星轮的销轴孔表面,行星架的夏比冲击吸收能量低,抗冲击能力差,偏航驱动在发生被动偏航滑移时,承受了较大的冲击载荷,在应力最大处产生裂纹,裂纹在较短的时间内快速扩展,最终导致材料脆性断裂。建议改用塑性和韧性更好的QT500-14球墨铸铁材料或锻钢件材料生产偏航驱动齿轮箱行星架[5]。