Stiprinājuma tapskrūvju tipiska lieces noguruma lūzuma gadījuma analīze

Noguruma atteice ir viens no visizplatītākajiem mehānisko komponentu atteices veidiem. Statistikas dati liecina, ka 50% līdz 80% no visiem mehānisko detaļu bojājumiem ir saistīti ar noguruma bojājumiem. Pirms noguruma lūzuma sastāvdaļām parasti nav acīmredzamu plastisku deformāciju vai pirms atteices pazīmju. Tomēr noguruma lūzums notiek pēkšņi un destruktīvi, bieži izraisot nopietnas aprīkojuma kļūdas un drošības negadījumus. Noguruma bojājumi izriet no īpašiem ierosināšanas un izplatīšanās likumiem un galu galā pārvēršas par pilnīgu noguruma lūzumu.

Noguruma definīcija: Metāla nogurums attiecas uz nepārtrauktu metālisku materiālu mehānisko īpašību pasliktināšanos atkārtotas cikliskas mainīgas spriedzes vai deformācijas ietekmē.

Noguruma lūzuma definīcija: Ja metāliskie materiāli tiek pakļauti ilgstošai cikliskai mainīgai spriedzei un deformācijai, notiek lokālas mikrostrukturālas izmaiņas un nepārtraukta iekšējo defektu izplatīšanās, kā rezultātā pasliktinās mehāniskās īpašības un, iespējams, pilnībā saplīst detaļas. Šis atteices process tiek definēts kā noguruma lūzums. Spriegums, kas izraisa noguruma lūzumu, parasti ir daudz zemāks par materiāla statiskās stiprības robežu. Noguruma lūzumu raksturo pēkšņa parādīšanās, augsta lokalizācija un augsta jutība pret virsmas un iekšējiem defektiem.

1. Lūzuma virsmas makroskopiskās morfoloģijas analīze

Šīs lietas izpētes objekts ir vēja turbīnu iekārtās izmantota saplīsusi tapas skrūve. Lūzuma virsmas makroskopiskās morfoloģiskās īpašības tiek analizētas šādi:

1. Lūzuma virsmas apakšējā kreisajā un labajā pusē ir neregulāras ieliektas un izliektas morfoloģijas. Kreisajā pusē redzams lokveida izliekts iecirtums, bet labajā pusē ir vairāki sīki zobaini iegriezumi. Lūzuma apakšējā loka veido asu griešanas malu.

2. Plaisu plaisu izplatīšanās apgabals kalpo par plaisu izplatīšanās reģionu, kas ir klāts ar izteiktām pludmales pēdām, kas ir tipiskas noguruma lūzuma makroskopiskās pazīmes.

3. Uz plaisas sākuma zonas un pludmales atzīmju izplatīšanās zonas lūzuma virsmas novērojamas rūsas pēdas, ko izraisa ilgstoša ārējās vides iedarbība.

4. Momentānā lūzuma zonā ir plata un smalka bīdes mala ar gludu un spilgtu lūzuma virsmu bez rūsas. Tas norāda, ka galīgais lūzums notika ātri un pieder pie elastīga momentāna lūzuma.

5. Salauztas tapas apakšējam kātam ir gluda un spilgta virsma ar acīmredzamām berzes pēdām, veidojot gludu loka virsmu, ko rada ilgstoša atkārtota berze.

6. Lūzuma pozīcijā nav konstatēta acīmredzama izgriezums vai deformācija, kas izslēdz pārslodzes stiepes lūzuma iespēju.

2. Makroskopiskā atteices mehānisma analīze

1. Plaisas sākas apakšējā pusētapas skrūve. Gludā griešanas mala, zobainie iegriezumi un loka formas spraugas apakšējā kāta daļā veido sprieguma koncentrācijas reģionus, kas ir sākotnējie plaisu ierosināšanas avoti.

2. Pludmales zīmes pazīmes plaisu izplatīšanās zonā ir pamanāmas. Sākotnējā izplatīšanās stadijā pludmales atzīmju atstatums ir mazs, kas liecina par stabilu un lēnu plaisu augšanu cikliskā tangenciālā stresa apstākļos. Vēlākā izplatīšanās stadijā atstatums ievērojami palielinās, parādot paātrinātu plaisu izplatīšanos un pieaugošu atteices risku.

3. Plaša, smalka un spilgta bīdes mala momentāna lūzuma zonā uzrāda tipiskas kaļamās lūzuma īpašības, kas pierāda, ka radzei ir labi saskaņota izturība un stingrība ar izcilām visaptverošām mehāniskām īpašībām.

4. Gludā loka virsma radzes pusē ir tipiska berzes morfoloģija. Tas norāda, ka radze izturēja ilgstošu sānu mainīgu spriegumu, darbības laikā nepārtraukti kustējās un radīja atkārtotu berzi un ekstrūzijas ar zobrata cauruma sieniņu, beidzot veidojot pulētu gludu virsmu.

Makroskopisks secinājums: radzes lūzums ir tipisks lieces noguruma lūzums. Momentāno lūzumu zonai ir labvēlīgi kaļamā lūzuma raksturlielumi bez trausliem lūzumiem.

3. Mikroskopiskās morfoloģijas analīze

Lai vēl vairāk noskaidrotu lūzuma mehānismu, lūzuma paraugam tika veikta skenējošā elektronu mikroskopa (SEM) mikroskopiskā noteikšana, lai novērotu dažādu lūzumu reģionu mikrostrukturālās iezīmes.

1. SEM novērojums atklāj izteiktas un regulāras noguruma svītras plaisu izplatīšanās zonā, kas ir metāla noguruma lūzuma galvenās mikroskopiskās pazīmes un labi atbilst makroskopiskajām pludmales atzīmēm, apstiprinot noguruma bojājumus.

2. SEM attēlos tiek novērots liels skaits vienmērīgi sadalītu bedrīšu, kas ir tipiskas mikroskopiskas izcilas materiāla izturības izpausmes. Tas atbilst platajai bīdes lūpai makroskopiskā lūzuma zonā un pārbauda saprātīgu tapas stiprības un plastiskuma koordināciju.

3. Visā lūzuma virsmā nav konstatēta liela laukuma šķelšanās lūzuma morfoloģija. Vietējos apgabalos parādās tikai neliels daudzums kvazišķelšanās pazīmju, kas mijas ar bedrītēm. Tas norāda, ka materiālam ir zems trauslums un optimāla izturības un stingrības atbilstība.

Mikroskopiskais secinājums: sākotnējā virsmaradzesaglabā virpošanas instrumentu pēdas ar augstu virsmas raupjumu, veidojot vājas sprieguma koncentrācijas zonas. Iekārtas darbības laikā radzei ir nepārtraukts mainīgs tangenciālais lieces spriegums, un virsmas instrumenta pēdas tiek pulētas gludā loka virsmā ar atkārtotu berzi. Ilgstošas ​​augstfrekvences virziena lieces, sadursmes un berzes gadījumā mikroplaisas galvenokārt rodas pie nelīdzenas virsmas defektiem un veido noguruma avotus. Pastāvīgi iedarbojoties uz mainīgām slodzēm, plaisas pakāpeniski izplatās un galu galā noved pie liela cikla lieces noguruma lūzuma. Makroskopiskās un mikroskopiskās morfoloģiskās pazīmes ir ļoti konsekventas, pierādot, ka pēkšņu lūzumu izraisa uzkrātais lieces noguruma bojājums.

4. Izmeklēšana uz vietas un darba apstākļu analīze

Lai atjaunotu faktisko atteices darba stāvokli, vēja turbīnas vietā tika veiktas divas klātienes pārbaudes. Lai noskaidrotu atteices apstākļus, tika pārbaudīta attiecīgā informācija, tostarp aprīkojuma darbības ilgums, montāžas process, uzstādīšanas pozīcija, lūzumu morfoloģija un apkopes ieraksti.

Vairāk nekā trīsdesmit 1,5 MW vēja turbīnas ir ekspluatētas vairāk nekā trīs gadus, un ir saplīsusi tikai viena tapas skrūve, kas ir individuāls atteices gadījums. Uz vietas veiktā apskate liecina, ka saplīsušais radzes uzstādījums ir ar pozīcijas novirzi. Viena kāta puse cieši pieguļ zobrata atveres gala virsmai bez atstarpes, bet otrai pusei bija liels montāžas attālums. Uzstādīšanas novirze izraisīja radzes saliekšanos un nepārtrauktu kustību turbīnas darbības laikā, radot ilgstošas ​​mainīgas sānu slodzes un radot iespējamus noguruma atteices riskus.

Cieši pieguļošā tapas puse bija bez spraugām un instrumentiem nepieejama, pierādot, ka šī pozīcija iztur ārkārtīgi lielu ciklisko tangenciālo spriegumu un radīja lielas grūtības vēlākā demontāžā. Nepārtrauktas aksiālas vertikālas mainīgas spriedzes ietekmē tapas puse, kas pieguļ cauruma sieniņai, piedzīvoja atkārtotu liecību, triecienu un berzi ar zobrata caurumu. Sākotnējās pagrieziena pēdas bija pilnībā nolietojušās, veidojot spoguļam līdzīgu gludu loka virsmu ar acīmredzamām berzes īpašībām.

Vēja turbīna darbojas ar rotācijas ātrumu 17 apgr./min 15 stundas dienā, katru dienu ģenerējot aptuveni 15 300 ciklus. Kopējie darbības cikli sasniedz 2,8×10⁶ pusgada laikā un 2,0×10⁷ trīsarpus gadu laikā. Radi šūpojas nelielā aptuveni 4 mm amplitūdā ar zemu sprieguma amplitūdu un zemu kopējo sprieguma līmeni, kas pieder pie tipiskiem zemas slodzes augsta cikla noguruma darba apstākļiem. Lūzumu izraisa ilgstošs uzkrāts lieces nogurums pie mainīgām sānu slodzēm, kas ir tipisks skrūvju lieces noguruma lūzuma gadījums.

5. Visaptverošs kopsavilkums

1. Radzes atteices režīms tiek apstiprināts kā lieces noguruma lūzums, nevis pārslodzes lūzums, trausls lūzums vai lūzums, ko izraisa materiāla defekti.

2. Galvenais atteices cēlonis ir nepareizs montāžas process. Pozicionālās novirzes rezultātā radze vienpusēji cieši pieguļ zobrata atverei, kā rezultātā rodas noturīgs mainīgs tangenciālais lieces spriegums. Noguruma bojājumi nepārtraukti uzkrājas augsta cikla iekārtu darbības laikā un galu galā izraisa lieces noguruma lūzumu.