WEC——轴承试验机和台架试验模拟

白蚀裂纹（White etching cracking，WEC）是在许多工程应用(如高架起重机、汽车变速器、压缩机、窑炉、挤出机、船首推进器和各种家电)中观察到的次表面轴承疲劳失效，其也被称为白色组织剥落或脆性剥落。近年来,随着风力能源和经济利益的日益增长，WEC造成的风电轴承失效吸引了技术人员和研究团体的诸多关注。美国国家可再生能源实验室最近的一份报告指出，76%的风力发电机齿轮箱故障源于轴承的问题。WEC可能导致轴承的疲劳寿命比预期寿命短一个数量级以上。因此，轴承制造商、齿轮箱和风力发电机制造商以及业内其他公司致力于了解WEC机理并解决此问题。

有关WEC的已发表的多个文献表明，导致WEC的原因与轴承工况、材料和润滑剂有关，但WEC失效的根本原因还未有定论。最常讨论的失效原因之一是次表面WEC区中氢的活性，其基于对WEC失效零件的检查结果得出。在大多数情况下，失效零件明显反映了滚动接触疲劳下氢脆的影响，而氢的来源在相关文献中也存在很大争议，认识也不够清楚。

德国学者Joerg Franke等使用三种测试台在不同工况条件和接触配置下进行了试验测试，得出了部分结论，这里主要介绍其研究结果，以供大家参考研究。

其采用3种试验机，FE8试验机、改进的四球试验机（FBT）和滚子-盘试验机（RDM）进行了试验，试验机配置和试验条件见表1。

表1 试验机配置和试验条件

试验结果和讨论请参考文献1。通过试验分析，其得出结论：1）滚动接触的力学性能和润滑参数本身不能预测WEC失效。接触区下原子氢积累可解释WEC。2） WEC区的氢浓度取决于润滑剂中金属添加剂的存在和有效摩擦能积累。3）所得结果与预测WEC失效的摩擦能积累模型一致。

其在在接触面上和接触面下的多个条件解释了WEC失效的机理（图1）。提出的WEC模型清楚的表明：WEC在具有高浓度氢和高剪应力的重合区内萌生。

 图1 高浓度氢和高剪切应力重合区裂纹萌生示意图

与润滑剂相关的WEC失效受以下几个关键因素的控制：

1）由金属添加剂形成的摩擦膜使氢在摩擦接触处高摩擦能下扩散。

2）滚动方向的接触宽度影响氢在表面下的流动和浓度。

3）高Hertz接触应力所产生的相对较高的次表面应力对产生接触面下的疲劳裂纹必不可少。

4）高浓度氢和高次表面剪切应力的共同作用导致WEC失效。

参考文献：

[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]刘耀中，侯万果，王玉良，等.滚动轴承材料及热处理进展与展望[J].轴承，2020（2）：54-61.