WEC——軸承(cheng)試(shi)驗機和(he)臺架(jia)試(shi)驗模擬

白蝕裂紋（White etching cracking，WEC）是(shi)在許多工程(cheng)應用(如高架起重機(ji)、汽車變速器(qi)、壓縮機(ji)、窯爐、擠出(chu)機(ji)、船首推進器(qi)和(he)各種家電(dian))中觀察到的(de)(de)(de)次表面(mian)軸(zhou)承(cheng)疲(pi)勞(lao)失效，其(qi)(qi)也被稱為白色組(zu)織剝(bo)落或脆性剝(bo)落。近年(nian)來,隨著(zhu)風(feng)力能源和(he)經濟利(li)益的(de)(de)(de)日益增長(chang)，WEC造成的(de)(de)(de)風(feng)電(dian)軸(zhou)承(cheng)失效吸引(yin)了技術人員和(he)研究團體(ti)的(de)(de)(de)諸多關注。美國(guo)國(guo)家可再生能源實驗室最近的(de)(de)(de)一份(fen)報告指(zhi)出(chu)，76%的(de)(de)(de)風(feng)力發電(dian)機(ji)齒輪箱故障源于(yu)軸(zhou)承(cheng)的(de)(de)(de)問(wen)題。WEC可能導致軸(zhou)承(cheng)的(de)(de)(de)疲(pi)勞(lao)壽命比預(yu)期(qi)壽命短一個數量(liang)級以(yi)(yi)上。因此，軸(zhou)承(cheng)制(zhi)造商(shang)、齒輪箱和(he)風(feng)力發電(dian)機(ji)制(zhi)造商(shang)以(yi)(yi)及(ji)業內其(qi)(qi)他公(gong)司致力于(yu)了解WEC機(ji)理并(bing)解決(jue)此問(wen)題。

有關(guan)(guan)WEC的(de)已(yi)發表(biao)的(de)多個文獻表(biao)明(ming)，導致(zhi)WEC的(de)原因(yin)與軸承工況、材料(liao)和潤滑劑有關(guan)(guan)，但WEC失(shi)效(xiao)的(de)根本(ben)原因(yin)還未(wei)有定論。最(zui)常討論的(de)失(shi)效(xiao)原因(yin)之(zhi)一(yi)是次表(biao)面(mian)WEC區(qu)中氫(qing)的(de)活性，其基(ji)于對WEC失(shi)效(xiao)零件的(de)檢查結果得出(chu)。在大多數情況下(xia)，失(shi)效(xiao)零件明(ming)顯反映了滾動接觸疲勞下(xia)氫(qing)脆的(de)影響，而氫(qing)的(de)來(lai)源在相(xiang)關(guan)(guan)文獻中也存在很大爭議(yi)，認(ren)識也不夠清楚。

德國學者Joerg Franke等使用三種測試(shi)臺在(zai)不同工況條(tiao)件和(he)接觸(chu)配置下進行了(le)試(shi)驗測試(shi)，得出(chu)了(le)部分結(jie)論(lun)，這里主要介紹(shao)其研究(jiu)結(jie)果(guo)，以供大家(jia)參考研究(jiu)。

其采用3種試驗機，FE8試(shi)(shi)驗(yan)機、改進(jin)的四球(qiu)試(shi)(shi)驗(yan)機（FBT）和滾子-盤(pan)試驗機（RDM）進行了(le)試(shi)驗，試(shi)驗機配置和(he)試(shi)驗條件見(jian)表1。

表1 試驗機配置和試驗條件

試驗結果和討論請參(can)考文獻1。通(tong)過(guo)試驗分析，其(qi)得(de)出結論(lun)：1）滾動接觸的(de)力學性能和(he)潤(run)滑參數本身不能預(yu)測WEC失效。接觸(chu)區下原子氫(qing)積累可(ke)解釋WEC。2） WEC區的氫濃度取(qu)決于(yu)潤滑劑中金屬添加劑的存在(zai)和有效(xiao)摩擦能積累。3）所得結果與預測WEC失效(xiao)的(de)摩擦能積(ji)累模型(xing)一致(zhi)。

其在在接(jie)觸(chu)(chu)面上(shang)和(he)接(jie)觸(chu)(chu)面下(xia)的多個條件(jian)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(you)高濃度氫和高剪應力的重合(he)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)劑相(xiang)關的WEC失效受以下幾個關鍵因素的控制(zhi)：

1）由金屬(shu)添加劑形成的摩擦(ca)(ca)膜使氫在摩擦(ca)(ca)接觸處高摩擦(ca)(ca)能下擴(kuo)散。

2）滾(gun)動方向的(de)接觸寬度影(ying)響氫在表面下的(de)流動和濃(nong)度。

3）高(gao)Hertz接觸應力(li)所產生的(de)相(xiang)對較高的(de)次表面應力(li)對產生接觸面下的(de)疲勞裂(lie)紋必(bi)不(bu)可少。

4）高濃(nong)度(du)氫和高次表(biao)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(wan)果，王玉良，等.滾動(dong)軸承材料及熱處理進展與(yu)展望(wang)[J].軸承(cheng)，2020（2）：54-61.