A kifáradás a mechanikai alkatrészek egyik leggyakoribb meghibásodási módja. A statisztikai adatok azt mutatják, hogy a mechanikai alkatrészek meghibásodásának 50-80%-a a fáradásos károsodásnak tulajdonítható. A kifáradási törés előtt az alkatrészek általában nem mutatnak nyilvánvaló képlékeny deformációt vagy{4}}meghibásodás előtti jeleket. Ennek ellenére a fáradásos törés hirtelen és destruktív módon következik be, ami gyakran súlyos berendezéshibákhoz és biztonsági balesetekhez vezet. A kifáradási károsodás meghatározott kezdési és terjedési törvényeket követ, és végül teljes kifáradási töréssé fejlődik.
A fáradtság definíciója: A fémfáradás a fémes anyagok mechanikai tulajdonságainak folyamatos romlását jelenti váltakozó feszültség vagy alakváltozás ismétlődő ciklikus hatása alatt.
Fáradt törés meghatározása: Ha a fémes anyagokat hosszú -ciklikus váltakozó feszültségnek és feszültségnek teszik ki, helyi mikroszerkezeti változások és a belső hibák folyamatos továbbterjedése következik be, ami a mechanikai tulajdonságok romlásához és az alkatrészek esetleges teljes töréséhez vezet. Ezt a meghibásodási folyamatot kifáradásos törésnek nevezik. A kifáradási törést okozó feszültség általában sokkal alacsonyabb, mint az anyag statikus szilárdsági határa. A kifáradásos törést a hirtelen fellépés, a nagy lokalitás, valamint a felületi és belső hibákra való nagy érzékenység jellemzi.
1. A törésfelület makroszkopikus morfológiai elemzése
Ennek az esetnek a kutatási tárgya egy szélturbina berendezésekben használt törött csapcsavar. A törésfelület makroszkopikus morfológiai jellemzőit az alábbiak szerint elemezzük:
1. A törésfelület bal és jobb alsó része szabálytalan homorú és konvex morfológiát mutat. A bal oldalon egy -ív alakú domború bemetszés látható, míg a jobb oldalon több apró, fogazott bevágás található. A törés alsó íve éles vágóélt képez.
2. A repedés nagy középső területe szolgál repedésterjedési régióként, amelyet jól látható partnyomok borítanak, amelyek a kifáradásos törés tipikus makroszkopikus jellemzői.
3. Rozsdanyomok figyelhetők meg a repedéskiindulási zóna és a partnyomok terjedési zónájának törésfelületén, amelyet a külső környezetnek való hosszan tartó -expozíció okoz.
4. A pillanatnyi törési zóna széles és finom nyíróperemmel rendelkezik, sima és fényes, rozsdamentes törésfelülettel. Ez azt jelzi, hogy a végső törés gyorsan bekövetkezett, és a képlékeny pillanatnyi töréshez tartozik.
5. A törött csap alsó szára sima és fényes felülettel rendelkezik, nyilvánvaló súrlódási nyomokkal, ami sima ívfelületet képez, amelyet a hosszan tartó, ismétlődő súrlódás okoz.
6. A törési pozícióban nem található nyilvánvaló nyakkivágás vagy deformáció, ami kizárja a túlterheléses húzótörés lehetőségét.
2. Makroszkópos hibamechanizmus elemzése
1. Repedések keletkeznek az alsó oldaláncsapcsavar. A sima vágóél, a fogazott bevágások és az ív alakú rések az alsó száron feszültségkoncentrációs tartományokat alkotnak, amelyek az eredeti repedésképző források.
2. A repedésterjedési zónában feltűnőek a partjelek. A kezdeti terjedési szakaszban a partnyomok távolsága kicsi, ami stabil és lassú repedésnövekedést jelez ciklikus tangenciális feszültség alatt. A későbbi terjedési szakaszban a távolság jelentősen megnő, ami a repedések felgyorsult terjedését és a meghibásodás kockázatának növekedését jelzi.
3. A pillanatnyi törési zónában található széles, finom és fényes nyíróperem tipikus képlékeny törési jellemzőket mutat, ami azt bizonyítja, hogy a csap jól összeillő szilárdsággal és szívóssággal rendelkezik, kiváló átfogó mechanikai tulajdonságokkal.
4. A csapoldali sima ívfelület tipikus súrlódási morfológia. Azt jelzi, hogy a csap hosszú -oldalsó váltakozó feszültséget viselt el, működés közben folyamatosan viszonzott, és ismétlődő súrlódást és extrudálást generált a fogaskerék furatának falával, végül polírozott sima felületet alkotott.
Makroszkópos következtetés: A csap törése tipikus hajlítási fáradásos törés. A pillanatnyi törési zóna kedvező képlékeny törési jellemzőket mutat rideg törési jellemzők nélkül.
3. Mikroszkópos morfológiai elemzés
A törési mechanizmus további tisztázása érdekében pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) mikroszkópos detektálást végeztünk a törési mintán, hogy megfigyeljük a különböző törési régiók mikroszerkezeti jellemzőit.
1. A SEM megfigyelés határozott és szabályos kifáradási csíkokat tár fel a repedés terjedési zónájában, amelyek a fémfáradásos repedés magmikroszkópos jellemzői, és jól megfelelnek a makroszkopikus strandnyomoknak, megerősítve a kifáradási tönkremenetelt.
2. A SEM felvételeken nagyszámú egyenletes eloszlású gödröcskét figyelhetünk meg, amelyek a kiváló anyagszívósság tipikus mikroszkópos megnyilvánulásai. Ez illeszkedik a széles nyíró ajakhoz a makroszkopikus törési zónában, és igazolja a csap szilárdságának és plaszticitásának ésszerű koordinációját.
3. A teljes törésfelületen nem található nagy-területű hasítási törésmorfológia. Csak kis mennyiségű kvázi-hasadási jellemző jelenik meg a helyi területeken, váltakozva gödröcskékkel. Ez azt jelzi, hogy az anyag alacsony ridegséggel rendelkezik, és optimálisan illeszkedik a szilárdsághoz és a szívóssághoz.
Mikroszkópos következtetés: Az eredeti felület aménesmegőrzi az esztergaszerszám nyomait nagy felületi érdesség mellett, gyenge feszültségkoncentrációs területeket képezve. A berendezés működése során a csap folyamatosan váltakozó tangenciális hajlítófeszültséget visel, és a felületi szerszámnyomok ismételt súrlódással sima ívfelületté csiszolódnak. Hosszú távú, nagyfrekvenciás-hajlítás, ütközés és súrlódás esetén a mikrorepedések elsősorban durva felületi hibáknál keletkeznek, és kifáradási forrást képeznek. A váltakozó terhelések folyamatos hatására a repedések fokozatosan terjednek, és végül nagy-ciklusú hajlítási fáradtság okozta töréshez vezetnek. A makroszkópos és mikroszkopikus morfológiai jellemzők rendkívül konzisztensek, ami azt bizonyítja, hogy a hirtelen törést a felhalmozódott hajlítási kifáradás okozza.
4. Helyszíni vizsgálat és munkakörülmény-elemzés-
A tényleges üzemzavari állapot helyreállítása érdekében a szélturbina telephelyén két helyszíni{0}}vizsgálatot végeztek. A meghibásodási feltételek tisztázása érdekében ellenőrizték a vonatkozó információkat, beleértve a berendezés működési időtartamát, az összeszerelési folyamatot, a beépítési pozíciót, a törési morfológiát és a karbantartási feljegyzéseket.
Több mint harminc 1,5 MW-os szélturbina üzemel több mint három éve, és csak egy tőcsavar tört el, ami egyedi meghibásodási eset. A helyszíni ellenőrzés azt mutatja, hogy a törött csap helyzeti eltéréssel került felszerelésre. A szár egyik oldala rés nélkül szorosan illeszkedett a fogaskerék lyuk végfelületéhez, míg a másik oldalon nagy volt a szerelési hézag. A beépítési eltérés miatt a csap meghajlott és folyamatosan oda-vissza mozgott a turbina működése közben, hosszú távú váltakozó oldalirányú terheléseket generálva, és potenciális kifáradási meghibásodási kockázatot váltott ki.
A csap szorosan illeszkedő oldala hézagmentes és szerszámok számára hozzáférhetetlen volt, ami azt bizonyítja, hogy ez a helyzet rendkívül nagy ciklikus tangenciális feszültséget viselt el, és nagy nehézséget okozott a későbbi szétszerelésben. Folyamatos axiális függőleges váltakozó feszültség hatására a csapnak a furat falához illeszkedő oldalán ismétlődő hajlítás, ütközés és súrlódás volt tapasztalható a fogaskerék furatával. Az eredeti elfordulási nyomok teljesen elhasználódtak, és tükörszerű,{2}}sima ívfelületet alkottak, nyilvánvaló súrlódási jellemzőkkel.
A szélturbina napi 15 órán keresztül 17 fordulat/perc forgási sebességgel üzemel, körülbelül napi 15 300 ciklust generálva. A teljes működési ciklus fél éven belül eléri a 2,8×10⁷-ot, három és fél éven belül pedig a 2,0×10⁷-t. A csap egy kis, körülbelül 4 mm-es amplitúdón belül ingadozik, alacsony igénybevételi amplitúdóval és alacsony általános feszültségszinttel, ami a tipikus alacsony{11}}feszültségű, nagy{12}}ciklusú fáradtságos munkakörülményekhez tartozik. A törést a hosszan tartó-felhalmozott hajlítási fáradtság váltakozó oldalirányú terhelések hatására idézi elő, ami a csavarhajlítási fáradásos törések tipikus esete.
5. Átfogó összefoglaló
1. A csap meghibásodási módja inkább hajlítási kifáradásos törés, nem pedig túlterheléses törés, rideg törés vagy anyaghibák okozta törés.
2. A meghibásodás kiváltó oka a nem megfelelő összeszerelési folyamat. A helyzeteltérés a csap egyoldalú szoros illeszkedéséhez vezet a fogaskerék furatához, ami tartós váltakozó tangenciális hajlítófeszültséget eredményez. A fáradtság okozta károsodás folyamatosan halmozódik fel a berendezés magas-ciklusú működése során, és végül hajlítási fáradtság okozta törést okoz.
