Аналіз типового втомного руйнування шпильок кріпильних деталей через вигин

Втомне руйнування є одним із найпоширеніших видів руйнування механічних компонентів. Статистичні дані показують, що від 50% до 80% усіх несправностей механічних частин пояснюються втомним пошкодженням. До втомного руйнування компоненти зазвичай не виявляють очевидної пластичної деформації або ознак передруйнування. Тим не менш, втомне руйнування відбувається раптово і руйнівно, що часто призводить до серйозних несправностей обладнання та нещасних випадків. Втомне пошкодження слідує певним законам ініціації та розповсюдження і врешті-решт розвивається у повне втомне руйнування.

Визначення втоми: Втома металу означає безперервне погіршення механічних властивостей металевих матеріалів під дією змінних навантажень або деформацій, що повторюються.

Визначення втомного руйнування: Коли металеві матеріали піддаються довготривалій циклічній змінній напрузі та деформації, відбуваються локальні мікроструктурні зміни та безперервне поширення внутрішніх дефектів, що призводить до погіршення механічних властивостей і остаточного повного руйнування компонентів. Цей процес руйнування визначається як втомне руйнування. Напруга, яка викликає втомне руйнування, як правило, набагато нижча за межу статичної міцності матеріалу. Втомне руйнування характеризується раптовістю, високою локальністю та високою чутливістю до поверхневих і внутрішніх дефектів.

1. Макроскопічний морфологічний аналіз поверхні зламу

Об’єктом дослідження даної справи є зламаний шпильковий болт, який використовується в обладнанні вітрогенераторів. Макроскопічні морфологічні характеристики поверхні зламу аналізуються наступним чином:

1. Нижня ліва та права сторони поверхні зламу мають неправильну увігнуту та опуклу морфологію. На лівій стороні зображена дугоподібна опукла виїмка, а на правій стороні представлено кілька крихітних зубчастих виїмок. Нижня дуга зламу утворює гостру ріжучу кромку.

2. Велика центральна ділянка руйнування слугує областю поширення тріщини, покрита чіткими плямами, які є типовими макроскопічними ознаками втомного руйнування.

3. На поверхні зламу зони зародження тріщини та зони розповсюдження слідів іржі спостерігаються сліди іржі, спричинені довготривалим впливом зовнішнього середовища.

4. Зона миттєвого зламу являє собою широку та тонку губу зсуву з гладкою та яскравою поверхнею зламу, вільною від іржі. Це вказує на те, що остаточне руйнування відбулося швидко і відноситься до пластичного миттєвого руйнування.

5. Нижній хвостовик зламаної шпильки має гладку та яскраву поверхню з явними слідами тертя, утворюючи гладку дугоподібну поверхню, створену довгостроковим повторним тертям.

6. У місці перелому не виявлено очевидного перерізу або деформації, що виключає можливість руйнування при розтягуванні через перевантаження.

2. Макроскопічний аналіз механізму відмови

1. Тріщини починаються на нижній сторонішпилька. Гладка ріжуча кромка, зубчасті виїмки та дугоподібні зазори на нижньому хвостовику утворюють області концентрації напруги, які є початковими джерелами виникнення тріщин.

2. У зоні розповсюдження тріщини помітні ознаки пляжу. На початковій стадії розповсюдження відстань між мітками невелика, що вказує на стабільний і повільний ріст тріщини під дією циклічної дотичної напруги. На пізній стадії поширення відстань значно збільшується, демонструючи прискорене поширення тріщини та підвищення ризику руйнування.

3. Широкий, тонкий і яскравий кромка зсуву в зоні миттєвого руйнування демонструє типові характеристики пластичного руйнування, доводячи, що шпилька має добре підібрану міцність і в'язкість з чудовими комплексними механічними властивостями.

4. Гладка поверхня дуги на стороні шпильки є типовою морфологією тертя. Це вказує на те, що шпилька витримувала тривалу поперечну змінну напругу, безперервно обертаючись під час роботи, і спричиняла повторне тертя та екструзію зі стінкою отвору шестерні, нарешті утворюючи поліровану гладку поверхню.

Макроскопічний висновок: Злам шпильки є типовим втомним зламом при вигині. Зона миттєвого руйнування має сприятливі характеристики пластичного руйнування без ознак крихкого руйнування.

3. Мікроскопічний морфологічний аналіз

Для подальшого з’ясування механізму руйнування зразка руйнування було проведено мікроскопічне виявлення за допомогою скануючого електронного мікроскопа (SEM), щоб спостерігати мікроструктурні особливості різних областей руйнування.

1. Спостереження SEM виявляє чіткі та регулярні смуги втоми в зоні поширення тріщини, які є основними мікроскопічними ознаками втомного руйнування металу та добре відповідають макроскопічним слідам пляжу, підтверджуючи втомне руйнування.

2. На SEM-зображеннях спостерігається велика кількість рівномірно розподілених ямок, які є типовим мікроскопічним проявом чудової міцності матеріалу. Це відповідає широкій кромці зсуву в зоні макроскопічного зламу та перевіряє розумну координацію міцності та пластичності шпильки.

3. На всій поверхні зламу не виявлено морфології розколу великої площі. На локальних ділянках з’являється лише невелика кількість квазірозколів, які чергуються з ямочками. Це свідчить про те, що матеріал має низьку крихкість і оптимальне збіг міцності і в'язкості.

Мікроскопічний висновок: Оригінальна поверхняшпильказберігає сліди токарного інструменту з високою шорсткістю поверхні, утворюючи слабкі зони концентрації напруг. Під час роботи обладнання шпилька зазнає безперервної змінної дотичної напруги згину, а сліди інструменту на поверхні поліруються в гладку поверхню дуги повторним тертям. При тривалому високочастотному зворотно-поступальному вигині, зіткненні та терті мікротріщини переважно починаються на дефектах грубої поверхні та утворюють джерела втоми. При безперервній дії знакозмінних навантажень тріщини поступово поширюються і в кінцевому підсумку призводять до руйнування від втомного руйнування при багатоцикловому вигині. Макроскопічні та мікроскопічні морфологічні ознаки дуже узгоджуються, доводячи, що раптовий злам викликаний накопиченим пошкодженням від втоми при вигині.

4. Розслідування на місці та аналіз умов праці

Щоб відновити фактичний аварійний стан роботи, було проведено два виїзних дослідження на майданчику вітрогенератора. Відповідна інформація, включаючи тривалість роботи обладнання, процес складання, положення встановлення, морфологію руйнування та записи про технічне обслуговування, була перевірена, щоб уточнити умови відмови.

Понад тридцять вітрових турбін потужністю 1,5 МВт працюють понад три роки, і лише одна шпилька зламалася, що є індивідуальним випадком поломки. Огляд на місці показує, що зламана шпилька була встановлена ​​з позиційним відхиленням. Одна сторона хвостовика щільно прилягала до торця отвору шестерні без зазору, а інша сторона мала великий монтажний зазор. Відхилення в установці спричинило безперервне згинання шпильки та зворотно-поступальний рух під час роботи турбіни, створюючи довгострокові змінні бічні навантаження та викликаючи потенційні ризики втомного руйнування.

Тісно підігнана сторона шпильки була без зазорів і недоступна для інструментів, що доводить, що це положення витримало надзвичайно високу циклічну тангенціальну напругу та викликало великі труднощі під час подальшого розбирання. Під безперервним осьовим вертикальним змінним напруженням сторона шпильки, що прилягає до стінки отвору, зазнавала повторного згинання, удару та тертя об отвір шестерні. Оригінальні сліди повороту були повністю стерті, утворюючи дзеркальну гладку поверхню дуги з очевидними характеристиками тертя.

Вітрогенератор працює зі швидкістю обертання 17 об/хв протягом 15 годин на день, генеруючи приблизно 15300 циклів щодня. Загальні робочі цикли досягають 2,8×10⁶ протягом півроку та 2,0×10⁷ протягом трьох з половиною років. Шпилька коливається в межах невеликої амплітуди приблизно 4 мм з низькою амплітудою напруги та низьким загальним рівнем напруги, що відноситься до типових умов роботи з низьким навантаженням і багатоцикловою втомою. Злам викликаний довготривалою накопиченою втомою від вигину під впливом змінних бічних навантажень, що є типовим випадком втомного руйнування болта від вигину.

5. Комплексне резюме

1. Режим руйнування шпильки підтверджено як втомний руйнування при вигині, а не руйнування від перевантаження, крихке руйнування або руйнування, викликане дефектами матеріалу.

2. Основною причиною несправності є неправильний процес складання. Позиційне відхилення призводить до одностороннього щільного прилягання шпильки до отвору зубчастого колеса, що призводить до постійного змінного тангенціального напруження згину. Пошкодження від втоми постійно накопичуються під час роботи обладнання з високим циклом і в кінцевому підсумку спричиняють втомний руйнування при вигині.