變槳軸承存在套圈斷裂，主要原因是套圈存在微裂紋，會在承受彎扭交變載荷作用下發(fā)生裂紋擴

展直至斷裂。因此有必要研究變槳軸承在生產(chǎn)、安裝或工作過程中若存在損傷，在交變載荷作用下裂紋以機械疲勞方式的擴展問題。變槳軸承存在套圈斷裂，主要原因是套圈存在微裂紋，會在承受彎扭交變載荷作用下發(fā)生裂紋擴展直至斷裂。因此有必要研究變槳軸承在生產(chǎn)、安裝或工作過程中若存在損傷，在交變載荷作用下裂紋以機械疲勞方式的擴展問題。目前國內(nèi)外對變槳軸承機械疲勞擴展的研究較少，大多數(shù)為針對變槳軸承套圈材料的裂紋擴展研究。現(xiàn)有文獻缺乏對變槳軸承套圈的微裂紋在交變載荷下以單純機械疲勞的方式進行擴展的研究。針對上述問題，本文根據(jù)最大周向應(yīng)力或剪切應(yīng)力準(zhǔn)則結(jié)合Paris公式，研究了變槳軸承套圈的等效試件在彎扭交變載荷作用下純機械的裂紋擴展路徑和壽命。首先建立變槳軸承套圈的彎扭疲勞試驗載荷譜；然后建立裂紋擴展的模型，創(chuàng)建純機械下的裂紋擴展速率模型；最后分別預(yù)測在彎扭交變載荷作用下，變槳軸承套圈裂紋以純機械疲勞方式擴展的路徑和壽命。一、裂紋擴展分析的載荷譜材料的疲勞試驗通常用標(biāo)準(zhǔn)試件在疲勞試驗機上完成，載荷譜是疲勞試驗的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。變槳軸承套圈實際的彎扭交變載荷需要等效至標(biāo)準(zhǔn)試件中，因此需要建立在標(biāo)準(zhǔn)試件上的裂紋擴展分析載荷譜。首先根據(jù)變槳軸承真實的受載情況確定變槳軸承的力學(xué)模型，并以此為數(shù)據(jù)支撐對變槳軸承進行有限元分析，得到套圈應(yīng)力最大值處的位置和數(shù)值；然后提取應(yīng)力最大值處的截面載荷；最后根據(jù)應(yīng)力最大值相等的原則求解標(biāo)準(zhǔn)試件上的等效載荷。2裂紋擴展分析的模型裂紋擴展模型是插入裂紋后的標(biāo)準(zhǔn)試件有限元模型，是裂紋疲勞擴展的載體，后續(xù)的裂紋擴展研究就是在此模型上進行分析。標(biāo)準(zhǔn)試件的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示[6]。圖1給出了標(biāo)準(zhǔn)試件的邊界條件及初始裂紋位置。由圖1可知，標(biāo)準(zhǔn)試件左側(cè)為固定端，右側(cè)為彎扭載荷加載面，同時將初始裂紋插入靠近倒角處。圖

1標(biāo)準(zhǔn)試件的邊界條件及初始裂紋位置圖2給出了裂紋擴展的有限元模型及坐標(biāo)軸，標(biāo)準(zhǔn)試件用單元基本尺寸為1mm的六面體劃分實體網(wǎng)格。由圖2可知，插入裂紋之后在裂紋附近的網(wǎng)格會重新劃分，其余部分的網(wǎng)格不改變。圖2標(biāo)準(zhǔn)試件的有限元模型及坐標(biāo)軸圖3給出了插入裂紋之后，以橫軸為裂紋前緣的歸一化位置的裂紋前緣應(yīng)力強度因子。由圖3可見，A點和B點的裂紋以Ⅱ型裂紋為主；在裂紋前緣的中點，以Ⅲ型裂紋為主，其他點裂紋屬于Ⅱ、Ⅲ型混合。因此選取最大周向應(yīng)力或剪切應(yīng)力準(zhǔn)則作為裂紋擴展的準(zhǔn)則。圖3插入裂紋的前緣應(yīng)力強度因子三、裂紋擴展分析的速率模型本文中純機械的疲勞裂紋擴展速率用Paris模型表示，最常用的表達形式為：式

中：a——

裂紋擴展長度，mm；C、m——

描述

材料疲勞裂紋擴展性能的基本參數(shù)，由試驗確定。

本文根據(jù)純機械作用下變槳軸承套圈材料的參數(shù)為C=1.152e-13，m=3.021，ΔKth=31.62MPa·mm1/2，純機械作用下的材料韌度為Kc=2620MPa·mm1/2。四、結(jié)果與分析以2MW風(fēng)力發(fā)電機變槳軸承采用的010.602240號無齒式軸承為例[8]。4.1裂紋擴展分析的載荷譜4.1.1變槳軸承的力學(xué)模型圖4給出了變槳軸承隨著風(fēng)力旋轉(zhuǎn)的外載荷變化。可以看出在風(fēng)力發(fā)電機旋轉(zhuǎn)1圈之內(nèi)，F(xiàn)x、My、Mz在風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)過程中保持不變；在-9×104~5×104N呈周期性正弦變化；在2.6×105~4.0×105N呈周期性正弦變化；在3.0×105~1.3×106N·m呈周期性正弦變化。4.1.2

變槳軸承等效彎扭載荷譜圖5給出了變槳軸承在實際工況下的VonMises應(yīng)力云圖結(jié)果。由圖5可見，變槳軸承應(yīng)力最大值位于外圈的某一螺栓連接孔區(qū)域約為565.77MPa。分析載荷模型可知，應(yīng)力最大值處彎扭的作用效果比軸向和徑向的載荷大得多，因此應(yīng)力最大值處的載荷主要為彎扭載荷。對應(yīng)力最大值的截面彎扭載荷譜進行等比例增大或減小，使得在等效載荷譜下標(biāo)準(zhǔn)試件的有限元結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)試件一致，此時的等效載荷譜如圖6所示。由圖6可知，Mx、My、Mz相較于力學(xué)模型波動較小，呈周期性正弦變化。圖4變槳軸承外載荷變化（a）力分量（b）力矩分量圖5變槳軸承有限元分析VonMises應(yīng)力云圖4.2裂紋擴展分析的模型本文中計算得到的標(biāo)準(zhǔn)試件夾雜物的尺寸φ為50μm，形狀接近圓形[12]

，因此將初始裂紋設(shè)為直徑為50μm的圓片。圖7給出了在ABAQUS中變槳軸承等效試件的有限元分析VonMises應(yīng)力云圖結(jié)果，得到VonMises應(yīng)力最大值560MPa位于節(jié)點4271處，因此將此節(jié)點作為初始微裂紋的萌生位置，并同時驗證了等效彎扭載荷譜的準(zhǔn)確性。圖6標(biāo)準(zhǔn)試件彎扭試驗等校載荷譜圖7變槳軸承等效試件的有限元分析VonMises應(yīng)力云圖4.3疲勞裂紋擴展圖8給出了試件在承受彎扭載荷的作用下每一擴展步的等效應(yīng)力強度因子。在承受載荷的作用下，試件快速擴展的斷裂韌度Kc=2620MPa·mm1/2。由圖8可知，裂紋擴展到21步的過程中，試件并沒有

達到斷裂韌度，但考慮到計算機的內(nèi)存和時間，擴展至21步即停止擴展。圖8疲勞裂紋擴展過程中的等效應(yīng)力強度因子圖9給出了從給定裂紋擴展至停止時刻的裂紋前緣等效應(yīng)力強度因子范圍。由圖9可知，擴展到第11個裂紋步長時，裂紋前緣的等效應(yīng)力強度因子。圖9裂紋在疲勞過程中的應(yīng)力強度因子范圍圖10是基于Paris公式擴展21步之后得到純機械擴展的裂紋形狀以及在YOZ面上的二維擴展路徑。由圖1（a）、圖10（b）可知，裂紋完全擴展之后的形狀近似橢圓形，長半軸約為0.2585mm，短半軸約為0.1956mm，短半軸與長半軸的比例約為0.7567，擴展路徑不是特別光滑，存在小拐角。由圖10（c）可知，基于圖2坐標(biāo)系，裂紋A的擴展路徑為沿X軸正方向39.2°、Y軸負(fù)方向21.1°、Z軸負(fù)方向25.4°;裂紋B端的擴展路徑為沿X軸負(fù)方向41.2°、Y軸正方向17.6°、Z軸正方向20°。圖

10純機械下裂紋擴展形狀及擴展方向（a）形狀（b）裂紋二維擴展方向

（c）裂紋三維路徑圖11給出了裂紋從給定裂紋擴展至停止擴展的壽命。由圖11可知，在純機械作用下裂紋的完整壽命由萌生和擴展壽命組成，裂紋擴展至0.059mm時開始計入擴展壽命，裂紋的萌生壽命大于擴展壽命。裂紋的全壽命為1.8118e9循環(huán)周次，萌生壽命為1.0917e9循環(huán)周次，擴展壽命為7.2012e8循環(huán)周次。圖

11裂紋在純機械擴展下的壽命五、結(jié)論本文對變槳軸承的等效模型在機械疲勞狀態(tài)下進行裂紋擴展分析，得到以下結(jié)論：（1）初始裂紋的前緣應(yīng)力強度因子中Ⅰ型裂紋的應(yīng)力強度因子很小，主要為Ⅱ型和Ⅲ型的復(fù)合型裂紋，而裂紋在擴展過程中應(yīng)力強度因子增加可能會產(chǎn)生Ⅰ型裂紋