多年来,风电行业一直在努力应对以WSF形式出现的轴承过早损坏问题,在对有缺陷的轴承进行检查后发现,损坏的轴承的滚道表面下方出现了白色蚀刻结构变化,这种变化会削弱材料强度,导致滚道上产生轴向裂纹和剥落。
轴承制造商进行深入研究后,尚无法完全确定WSF产生的原因,一种解释认为,进入钢中的氢会削弱材料结构,然而,在模拟风力涡轮机运行条件的轴承测试中,尚不能再现这种损坏模式。
在20世纪90年代,白色结构剥落经常会导致乘用车交流发电机轴承发生故障,NSK在这种情况下获得的经验可以部分应用于风力涡轮机中当前的轴承问题,一个假设是,由于风力涡轮机和交流发电机中出现电位差,最终导致损坏,基于此,NSK技术中心对风力涡轮机轴承中的白色结构剥落现象进行了详细研究。
首先,进行基本测试以再现白色结构剥落,然后,使用该测试装置来提高轴承抵抗这种损坏模式的能力,现场对有缺陷轴承的调查以及基本测试的结果表明,有三个原因导致了白色结构剥落损坏,一是润滑剂中的氢气输入,二是打滑/滑动,三是电力。
润滑剂中氢气含量的增加会导致损坏频率的增加,同时在实践中,润滑剂中一定浓度的氢气无法避免,同样,在低速运行的风力涡轮机内的轴承中也无法完全防止滑动情况,也不能排除电流通过轴承的可能性。
在经过反复试验后,NSK开发了一种新型的合金钢,通过两种方法实现了防止WSF的问题,一方面,与之前用于此类轴承的钢相比,新型合金钢均匀的结构在氢的作用下发生微观结构变化较小,另一方面,由于材料中残余应力的增加,氢致裂纹的形成和由此产生的裂纹扩展显著减少。
NSK使用新开发的轴承钢制造的6206深沟球轴承进行初始使用寿命测试,在测试装置中的特定氢气输入下,与传统轴承钢制成的轴承相比,使用寿命大大提高,这代表着在防止白色结构剥落方面取得了重大进展。当然,为了对白色结构剥落有更深入的了解,还需要进一步的研究。
在进一步的研究中,通过新型热处理方法,NSK的工程师还探索了另一种防止白色结构剥落的可能,通过测试各种热处理,以减少氢致裂纹扩展的测试,NSK观察到,感应硬化过程显著增加了残余应力和材料延展性,可以有效防止白色结构剥落,相比较前文所述的新型合金钢,新型热处理更具成本效益。