WEC——軸承試驗機和臺架試驗模擬

白蝕裂紋（White etching cracking，WEC）是在許多工程應用(如高架起重機、汽車變速器、壓縮機、窯爐、擠出機、船首推進器和各種家電)中觀察到的次表面軸承疲勞失效，其也被稱為白色組織剝落或脆性剝落。近年來,隨著風力能源和經(jīng)濟利益的日益增長，WEC造成的風電軸承失效吸引了技術(shù)人員和研究團體的諸多關(guān)注。美國國家可再生能源實驗室最近的一份報告指出，76%的風力發(fā)電機齒輪箱故障源于軸承的問題。WEC可能導致軸承的疲勞壽命比預期壽命短一個數(shù)量級以上。因此，軸承制造商、齒輪箱和風力發(fā)電機制造商以及業(yè)內(nèi)其他公司致力于了解WEC機理并解決此問題。

有關(guān)WEC的已發(fā)表的多個文獻表明，導致WEC的原因與軸承工況、材料和潤滑劑有關(guān)，但WEC失效的根本原因還未有定論。最常討論的失效原因之一是次表面WEC區(qū)中氫的活性，其基于對WEC失效零件的檢查結(jié)果得出。在大多數(shù)情況下，失效零件明顯反映了滾動接觸疲勞下氫脆的影響，而氫的來源在相關(guān)文獻中也存在很大爭議，認識也不夠清楚。

德國學者Joerg Franke等使用三種測試臺在不同工況條件和接觸配置下進行了試驗測試，得出了部分結(jié)論，這里主要介紹其研究結(jié)果，以供大家參考研究。

其采用3種試驗機，FE8試驗機、改進的四球試驗機（FBT）和滾子-盤試驗機（RDM）進行了試驗，試驗機配置和試驗條件見表1。

表1 試驗機配置和試驗條件

試驗結(jié)果和討論請參考文獻1。通過試驗分析，其得出結(jié)論：1）滾動接觸的力學性能和潤滑參數(shù)本身不能預測WEC失效。接觸區(qū)下原子氫積累可解釋WEC。2） WEC區(qū)的氫濃度取決于潤滑劑中金屬添加劑的存在和有效摩擦能積累。3）所得結(jié)果與預測WEC失效的摩擦能積累模型一致。

其在在接觸面上和接觸面下的多個條件解釋了WEC失效的機理（圖1）。提出的WEC模型清楚的表明：WEC在具有高濃度氫和高剪應力的重合區(qū)內(nèi)萌生。

 圖1 高濃度氫和高剪切應力重合區(qū)裂紋萌生示意圖

與潤滑劑相關(guān)的WEC失效受以下幾個關(guān)鍵因素的控制：

1）由金屬添加劑形成的摩擦膜使氫在摩擦接觸處高摩擦能下擴散。

2）滾動方向的接觸寬度影響氫在表面下的流動和濃度。

3）高Hertz接觸應力所產(chǎn)生的相對較高的次表面應力對產(chǎn)生接觸面下的疲勞裂紋必不可少。

4）高濃度氫和高次表面剪切應力的共同作用導致WEC失效。

參考文獻：

[1] FRANKE J, CAREY J T, KORRES S，et al.White Etching Cracking—Simulation in BearingRig and Bench Tests[J].Tribology Transactions，2018，61 (3) :403 -413.

[2] EVANS M H .An Updated Review:White Etching Cracks(WECs) and Axial Cracks in Wind Turbine Gearbox Bearings[J].Materials Science and Technology, 2015,32(11): 1133-1169.

[3]劉耀中，侯萬果，王玉良，等.滾動軸承材料及熱處理進展與展望[J].軸承，2020（2）：54-61.