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,隨著風力能源和經濟利益的日益增長，WEC造成的風電軸承失效吸引了技術人員和研究團體的諸多關注。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量級以上。因此，軸承制造商、齒輪箱和風力發電機制造商以及業內其他公司致力于了解WEC機理并解決此問題。

有關WEC的已發表的多個文獻表明，導致WEC的原因與軸承工況、材料和潤滑劑有關，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區中氫的活性，其基于對WEC失效零件的檢查結果得出。在大多數情況下，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，得出了部分結論，這里主要介紹其研究結果，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

試驗結果和討論請參考文獻1。通過試驗分析，其得出結論：1）滾動接觸的力學性能和潤滑參數本身不能預測WEC失效。接觸區下原子氫積累可解釋WEC。2） WEC區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

與潤滑劑相關的WEC失效受以下幾個關鍵因素的控制：

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接觸應力所產生的相對較高的次表面應力對產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.