李成哲，朱先勇，劉 潤

● （吉林大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，吉林長春 130025）

G58風(fēng)電機組高速軸剎車盤裂紋分析及其改進(jìn)設(shè)計

李成哲，朱先勇，劉 潤

● （吉林大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，吉林長春 130025）

G58-850風(fēng)電機組在實際運行過程中，剎車盤極易產(chǎn)生裂紋，造成多臺機組停轉(zhuǎn)，影響整套制動系統(tǒng)的正常運行。本文從幾何外形、應(yīng)力分布等方面分析了風(fēng)電機組剎車盤上裂紋產(chǎn)生的原因，并提出了從改善金相組織、化學(xué)成分及熱處理工藝等方面降低裂紋產(chǎn)生的方法。

風(fēng)電機組；剎車盤；裂紋

0 引言

位于吉林省境內(nèi)的某風(fēng)電場，共裝設(shè) G58-850機組294臺。自并網(wǎng)運行以來共損壞剎車盤91臺次，損壞率達(dá)31%。剎車盤的損壞造成多臺風(fēng)電機組停轉(zhuǎn)，同時也影響整套風(fēng)機設(shè)備的制動系統(tǒng)，對機組的穩(wěn)定運行造成危害。根據(jù)工作現(xiàn)場的統(tǒng)計數(shù)據(jù)知，G58風(fēng)電機組高速軸剎車盤損壞的主要形式是剎車盤上產(chǎn)生裂紋，經(jīng)分析知，剎車盤的幾何外形、結(jié)構(gòu)強度、金相組織、生產(chǎn)工藝、剎車壓力設(shè)置、剎車動作時間步長等因素與其裂紋產(chǎn)生與否有直接關(guān)系。本文主要從幾何外形、應(yīng)力分布等方面分析了風(fēng)電機組剎車盤上裂紋的產(chǎn)生原因，并提出了從改善金相組織、化學(xué)成分及熱處理工藝等方面降低裂紋產(chǎn)生的可能性。

1 高速剎車盤的結(jié)構(gòu)強度分析

剎車盤的幾何外形與其結(jié)構(gòu)強度有直接關(guān)系，幾何外形將影響工作狀態(tài)的應(yīng)力分布。幾何外形不合理將造成應(yīng)力過度集中，最終使盤體產(chǎn)生裂紋。舊型剎車盤的幾何外形如圖1所示。

圖1 舊型剎車盤的幾何外形

舊型剎車盤在盤體上均勻分布了三個直徑為 12mm的高速軸轉(zhuǎn)子鎖孔，也就是應(yīng)力孔。轉(zhuǎn)子鎖孔的存在造成高速軸剎車動作時的應(yīng)力集中從而引起盤體的裂紋，如圖2所示。

圖2 舊型剎車盤裂紋分布

當(dāng)剎車盤轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩 5010N·m 時，經(jīng) ANSYS計算軟件靜態(tài)分析故障停機時舊型剎車盤應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 舊型剎車盤靜態(tài)受力分析圖

由圖3可知，舊型剎車盤在機組額定轉(zhuǎn)矩作用下，應(yīng)力孔靠近剎車盤軸線的一端形成了應(yīng)力集中區(qū)域，該區(qū)域與實際剎車盤裂紋區(qū)域相吻合。

針對以上分析，去除了盤體上的三個轉(zhuǎn)子鎖孔，設(shè)計了新型剎車盤幾何外形，如圖4所示。

圖4 新型剎車盤的幾何外形

當(dāng)剎車盤轉(zhuǎn)矩為5010N·m時，經(jīng)ANSYS計算軟件靜態(tài)分析故障停機時新型剎車盤應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 新型剎車盤靜態(tài)受力分析圖

由圖4、5可知，新型剎車盤盤體僅在腰形孔周圍形成應(yīng)力集中區(qū)，屬正?，F(xiàn)象。應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力較小，不影響剎車盤的穩(wěn)定運行。由圖3與圖5可見，新型剎車盤比舊型剎車盤有明顯結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，優(yōu)化盤體幾何尺寸后，剎車盤裂紋現(xiàn)象改善明顯。

2 剎車盤的金相組織改進(jìn)

風(fēng)電機組高速剎車盤材料為球墨鑄鐵，主要包括碳、硅、錳、硫、磷五種元素。其化學(xué)成分的組成直接影響結(jié)構(gòu)強度，是決定剎車盤裂紋產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。通過采用直讀光譜測試方法，檢測舊型及新型剎車盤金屬化學(xué)成分組成如表1所示。由表1可知，新型剎車盤在制造過程中碳(C)元素含量平均降低了0.485%。碳元素的降低增強了盤體塑性、抗沖擊性及耐大氣腐蝕能力[1]。

表1 金屬化學(xué)成分分析表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

硅(Si)元素平均含量升高了0.3%。在一定范圍內(nèi)提高硅含量可有效改善金屬的塑性和韌性，以顯著提高金屬材料的彈性極限、屈服點和抗拉強度。

錳(Mn)元素平均含量降低了0.11%。錳元素的降低主要有兩個作用：一是弱化球墨鑄鐵中硫的有害作用；二是穩(wěn)定和細(xì)化珠光體。在一定含量范圍內(nèi)，隨錳含量的降低，球墨鑄鐵的強度、硬度降低，而塑性和韌性升高。

硫(S)在通常情況下是有害元素，使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時造成裂紋。硫?qū)附有阅懿焕?，降低耐腐蝕性，所以通常要求硫含量小于0.055%。為增強剎車盤盤體的抗沖擊性能，新型剎車盤將硫含量控制在0.02%以內(nèi)。

當(dāng)磷(P)含量大于0.05%時，磷極易偏析于共晶團(tuán)邊界形成二元、三元或復(fù)合磷共晶，降低鑄鐵的韌性[2-3]。新型剎車盤將磷含量基本控制在0.05%以內(nèi)，可有效增強剎車盤的韌性與抗沖擊能力。剎車盤化學(xué)元素的優(yōu)化有效改善了盤體的力學(xué)性能。經(jīng)金相檢驗可知，新型剎車盤球化率為92%，屬于2級球化率[3]，球徑大小6級*100，材質(zhì)為球墨鑄鐵QT-500-7。

球墨鑄鐵件的力學(xué)性能以抗拉強度和伸長率兩個指標(biāo)為驗收依據(jù)[4]。舊型和新型剎車盤的材料硬度檢定結(jié)果如表2所示。

表2 材料硬度檢定結(jié)果（HRC）

3 剎車盤熱處理加工工藝的優(yōu)化

風(fēng)電機組在運行時剎車盤經(jīng)常受到交變、沖擊負(fù)荷等形式外力的作用，其表面層承受著比中心部更高的應(yīng)力，在摩擦力較大的工況下表面層所受應(yīng)力進(jìn)一步增大。為提高剎車盤機械強度、抗沖擊能力及耐磨性能，新型剎車盤在生產(chǎn)過程中嚴(yán)格控制熱處理工藝。主要通過嚴(yán)格控制淬火及低溫回火過程的處理工藝以提高其韌性和抗沖擊能力[5-6]。

新型剎車盤采用球墨鑄鐵作為制造材料，經(jīng)過嚴(yán)格熱處理工藝后將其布氏硬度控制在130HB～180HB。將工件加熱到 860℃～900℃，保溫讓原基體全部奧氏體化后再在油中冷卻實現(xiàn)淬火，后經(jīng)250℃～350℃加熱保溫回火，原基體轉(zhuǎn)換為回火馬氏體及殘留奧氏體組織，原球狀石墨形態(tài)不變，如圖6所示。由圖6可見，處理后的剎車盤具有較高的硬度和韌性，同時保留了石墨的潤滑性能，耐磨性能得到改善。

圖6 新型剎車盤金相組織圖譜

4 結(jié)論

由以上分析知，新型剎車盤改變結(jié)構(gòu)設(shè)計后有效避免了應(yīng)力集中，新型剎車盤較舊型抗拉強度增強、材料伸長率增大，可有效改善盤體在風(fēng)機急停過程中的抗沖擊能力，增強了剎車盤的抗變形能力。另外，材料優(yōu)化后的剎車盤具有較高的硬度和韌性，耐磨性得到改善，有效降低了剎車盤盤體產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險。

[1]夏青.硅磷含量對球墨鑄鐵沖擊性能的影響[J].現(xiàn)代鑄鐵, 1991 (1):19-24.

[2]簡光沂.五金手冊[M].中國電力出版社, 2009.

[3]GB 9441-88.球墨鑄鐵金相檢驗 [S].

[4]GB 1348-1988.球墨鑄鐵件[S].

[5]GB 6060.1-85.表面粗糙度比較校場 鑄造表面[S].

[6]JB/T 6051-2007.球墨鑄鐵熱處理工藝及質(zhì)量檢驗[S].

Analysis and Improved Design of G58 Wind Turbine High-speed Shaft Brake Disc Crack

LI Cheng-zhe, ZHU Xian-yong, LIU Run
(Engineering Training Center, Jilin University, Changchun 130025, China)

The brake disc is easy to crack during G58-850 wind turbine processing, which can make many units stop and affect the normal operation of the whole brake system.This paper analyses the cause of wind turbine brake disc crack, such as geometric shape and stress distribution.Some methods for reducing the crack are put forward, such as improving microstructure, chemical composition and heat treatment processing.

wind turbine; brake disc; crack

U482

A

長春市科技計劃項目(12ZX29)

李成哲，男，工程師，主要從事機電一體化領(lǐng)域的教學(xué)與研究工作。

朱先勇。