WEC——軸(zhou)承試驗機和臺架試驗模(mo)擬

白蝕裂紋（White etching cracking，WEC）是在許多工程應(ying)用(如(ru)高架起重機(ji)、汽(qi)車(che)變速(su)器(qi)(qi)、壓縮機(ji)、窯爐、擠出機(ji)、船首推進器(qi)(qi)和各種家電(dian))中觀察到的(de)次表面軸承疲勞失(shi)效，其也(ye)被稱為(wei)白色組織剝落(luo)(luo)或(huo)脆(cui)性剝落(luo)(luo)。近年來,隨著風力(li)(li)能(neng)(neng)源和經濟利益的(de)日益增長，WEC造成的(de)風電(dian)軸承失(shi)效吸引了(le)技(ji)術人員和研究團體的(de)諸(zhu)多關注。美國(guo)國(guo)家可再生能(neng)(neng)源實驗(yan)室最近的(de)一(yi)份報告指出，76%的(de)風力(li)(li)發電(dian)機(ji)齒輪箱故障源于軸承的(de)問題(ti)。WEC可能(neng)(neng)導(dao)致(zhi)軸承的(de)疲勞壽命比預期壽命短一(yi)個(ge)數(shu)量級以(yi)上(shang)。因此(ci)，軸承制造商、齒輪箱和風力(li)(li)發電(dian)機(ji)制造商以(yi)及業(ye)內其他公司致(zhi)力(li)(li)于了(le)解WEC機(ji)理并解決此(ci)問題(ti)。

有關(guan)WEC的(de)(de)已發表的(de)(de)多個文(wen)獻表明，導致WEC的(de)(de)原(yuan)因(yin)與軸承工況(kuang)、材料和(he)潤滑劑有關(guan)，但WEC失(shi)(shi)效(xiao)的(de)(de)根本(ben)原(yuan)因(yin)還未(wei)有定(ding)論。最常討論的(de)(de)失(shi)(shi)效(xiao)原(yuan)因(yin)之一是(shi)次(ci)表面(mian)WEC區中氫(qing)的(de)(de)活性，其基(ji)于對WEC失(shi)(shi)效(xiao)零件(jian)的(de)(de)檢查結果得出。在大(da)多數情況(kuang)下，失(shi)(shi)效(xiao)零件(jian)明顯(xian)反映(ying)了滾動接觸疲勞下氫(qing)脆的(de)(de)影響，而氫(qing)的(de)(de)來源在相關(guan)文(wen)獻中也存在很大(da)爭議，認(ren)識也不夠(gou)清楚。

德國(guo)學者Joerg Franke等使用三種測(ce)試臺(tai)在不同工況條件和接觸配置下進(jin)行了試驗(yan)測(ce)試，得出了部分結(jie)論，這里主要介紹(shao)其研究結(jie)果，以供大家參(can)考研究。

其采用3種試驗機，FE8試(shi)(shi)驗機、改進的四球試(shi)(shi)驗機（FBT）和滾子-盤試驗(yan)機(ji)（RDM）進行(xing)了試驗，試驗機(ji)配置(zhi)和(he)試驗條(tiao)件見(jian)表1。

表1 試驗機配置和試驗條件

試驗結果(guo)和討論請參(can)考文獻1。通過試驗分析，其得出結論：1）滾動接觸的力(li)學(xue)性能(neng)和潤(run)滑參數本身不能(neng)預測(ce)WEC失效。接觸區下原子氫積累(lei)可解釋WEC。2） WEC區(qu)的氫濃(nong)度取決于潤滑劑中金屬添加劑的存(cun)在和有效(xiao)摩擦能積累(lei)。3）所得結果與(yu)預測WEC失效的摩擦能積累模型一致。

其在在接觸(chu)(chu)面上(shang)和接觸(chu)(chu)面下的多個條件解釋了WEC失效的機(ji)理（圖(tu)1）。提出的(de)WEC模(mo)型清楚的(de)表明：WEC在具有高濃度氫和高剪應力的重合區內萌生。

 圖1 高濃度氫和高剪切應力重合區裂紋萌生示意圖

與潤滑(hua)劑(ji)相關的(de)WEC失效受以(yi)下幾個關(guan)鍵因(yin)素(su)的控制(zhi)：

1）由(you)金(jin)屬添(tian)加劑(ji)形成的摩擦膜(mo)使氫在摩擦接觸處高摩擦能下擴散。

2）滾(gun)動(dong)方向的接觸寬度影響氫在表面(mian)下的流(liu)動(dong)和濃度。

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

4）高(gao)濃(nong)度氫和(he)高(gao)次表面剪切應力的(de)共同作用(yong)導致WEC失效。

參考文(wen)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(yao)中，侯(hou)萬果，王玉良，等.滾動軸承材料及熱處理進展(zhan)與展(zhan)望[J].軸承(cheng)，2020（2）：54-61.