Усталостное разрушение является одним из наиболее распространенных видов отказа механических компонентов. Статистические данные показывают, что от 50% до 80% всех отказов механических деталей связаны с усталостными повреждениями. До усталостного разрушения компоненты обычно не проявляют явной пластической деформации или признаков пред-разрушения. Тем не менее усталостное разрушение происходит внезапно и разрушительно, часто приводя к серьезным неисправностям оборудования и несчастным случаям. Усталостное повреждение подчиняется определенным законам возникновения и распространения и в конечном итоге перерастает в полное усталостное разрушение.
Определение усталости: Усталость металла – это постоянное ухудшение механических свойств металлических материалов под действием повторяющихся циклических воздействий переменных напряжений или деформаций.
Определение усталостного разрушения: Когда металлические материалы подвергаются длительному-циклическому переменному напряжению и деформации, происходят локальные микроструктурные изменения и постоянное распространение внутренних дефектов, что приводит к ухудшению механических свойств и возможному полному разрушению компонентов. Этот процесс разрушения определяется как усталостное разрушение. Напряжение, вызывающее усталостное разрушение, обычно намного ниже предела статической прочности материала. Усталостное разрушение характеризуется внезапным возникновением, высокой локальностью и высокой чувствительностью к поверхностным и внутренним дефектам.
1. Макроскопический анализ морфологии поверхности излома
Объектом исследования в данном случае является сломанная шпилька, используемая в ветроэнергетическом оборудовании. Макроскопические морфологические характеристики поверхности излома анализируются следующим образом:
1. Нижние левая и правая стороны поверхности излома имеют неправильную вогнутую и выпуклую морфологию. На левой стороне видна дугообразная-выпуклая выемка, а на правой стороне расположено множество крошечных зазубренных выемок. Нижняя дуга перелома образует острую режущую кромку.
2. Областью распространения трещины является большая центральная область излома, покрытая отчетливыми береговыми отметинами, которые являются типичными макроскопическими особенностями усталостного разрушения.
3. На поверхности излома в зоне зарождения трещины и зоне распространения береговой отметки наблюдаются следы ржавчины, вызванные длительным-воздействием внешней среды.
4. Зона мгновенного разрушения представляет собой широкую и тонкую кромку сдвига с гладкой и блестящей поверхностью излома, свободной от ржавчины. Это указывает на то, что окончательное разрушение произошло быстро и относится к пластическому мгновенному разрушению.
5. Нижний хвостовик сломанной шпильки имеет гладкую и блестящую поверхность с очевидными следами трения, образующими гладкую дугообразную поверхность, образующуюся в результате длительного-повторяющегося трения.
6. В месте излома не обнаружено явного образования шейки или деформации, что исключает возможность разрушения при перегрузке и растяжении.
2. Макроскопический анализ механизма отказа.
1. Трещины возникают на нижней сторонешпилька. Гладкая режущая кромка, зубчатые насечки и дугообразные зазоры на нижнем хвостовике образуют области концентрации напряжений, которые являются первоначальными источниками зарождения трещин.
2. В зоне распространения трещины четко выражены береговые черты. На начальной стадии распространения расстояние между пляжами невелико, что указывает на стабильный и медленный рост трещины под действием циклического касательного напряжения. На более поздней стадии распространения расстояние значительно увеличивается, демонстрируя ускоренное распространение трещин и возрастающий риск разрушения.
3. Широкая, тонкая и яркая кромка сдвига в зоне мгновенного разрушения демонстрирует типичные характеристики пластичного разрушения, что доказывает, что шпилька обладает хорошо подобранной-прочностью и ударной вязкостью, а также отличными комплексными механическими свойствами.
4. Гладкая дугообразная поверхность со стороны шпильки представляет собой типичную морфологию трения. Это указывает на то, что шпилька выдерживала длительное-латеральное переменное напряжение, непрерывно совершала возвратно-поступательные движения во время работы и вызывала неоднократное трение и выдавливание со стенкой отверстия шестерни, в конечном итоге образуя полированную гладкую поверхность.
Макроскопическое заключение: Разрушение шпильки представляет собой типичный усталостный перелом при изгибе. Зона мгновенного разрушения имеет благоприятные характеристики пластического разрушения без признаков хрупкого разрушения.
3. Микроскопический морфологический анализ
Для дальнейшего выяснения механизма разрушения на образце излома было проведено микроскопическое обнаружение с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) для наблюдения за микроструктурными особенностями различных областей разрушения.
1. Наблюдение с помощью СЭМ выявляет отчетливые и регулярные усталостные полосы в зоне распространения трещины, которые являются основными микроскопическими особенностями усталостного разрушения металла и хорошо соответствуют макроскопическим отметинам, подтверждая усталостное разрушение.
2. На изображениях СЭМ наблюдается большое количество равномерно распределенных ямок, которые являются типичными микроскопическими проявлениями превосходной прочности материала. Это соответствует широкой кромке сдвига в макроскопической зоне разрушения и подтверждает разумное согласование прочности и пластичности шпильки.
3. На всей поверхности излома не обнаружено большой-морфологии трещин скола. На отдельных участках появляется лишь небольшое количество квази-спайностей, чередующихся с ямочками. Это свидетельствует о том, что материал обладает низкой хрупкостью и оптимальным сочетанием прочности и ударной вязкости.
Микроскопическое заключение: Исходная поверхностьшпилькасохраняет следы токарного инструмента при высокой шероховатости поверхности, образуя зоны концентрации слабых напряжений. Во время работы оборудования шпилька подвергается постоянному переменному тангенциальному изгибающему напряжению, а следы инструмента на поверхности полируются до гладкой дугообразной поверхности путем многократного трения. При длительном -высоко-возвратно-поступательном изгибе, столкновении и трении микротрещины преимущественно возникают на дефектах шероховатой поверхности и образуют источники усталости. При непрерывном действии знакопеременных нагрузок трещины распространяются постепенно и в конечном итоге приводят к многоцикловому усталостному разрушению при изгибе. Макроскопические и микроскопические морфологические особенности очень совпадают, что доказывает, что внезапный перелом вызван накоплением усталостных повреждений при изгибе.
4.-Обследование на объекте и анализ рабочего состояния
Для восстановления фактического аварийного рабочего состояния на площадке ВЭУ было проведено два-исследования на месте. Соответствующая информация, включая продолжительность работы оборудования, процесс сборки, положение установки, морфологию трещин и записи технического обслуживания, была проверена для уточнения условий отказа.
Более тридцати ветряных турбин мощностью 1,5 МВт находятся в эксплуатации более трех лет, и только одна шпилька сломана, что является единичным случаем отказа. Осмотр-на месте показал, что сломанная шпилька была установлена с отклонением в положении. Одна сторона хвостовика плотно прилегала к торцу отверстия шестерни без какого-либо зазора, а другая сторона имела большой монтажный зазор. Отклонение установки привело к тому, что шпилька постоянно изгибалась и совершала возвратно-поступательные движения при работе турбины, создавая долговременные-переменные боковые нагрузки и создавая потенциальный риск усталостного разрушения.
Плотно прилегающая сторона шпильки не имела зазоров и была недоступна для инструментов, что доказывает, что это положение выдерживает чрезвычайно высокое циклическое касательное напряжение и вызывает большие трудности при последующей разборке. Под постоянным осевым вертикальным переменным напряжением сторона шпильки, прилегающая к стенке отверстия, подвергалась многократному изгибу, ударам и трению о отверстие шестерни. Первоначальные следы поворота были полностью стерты, образуя зеркальную-гладкую дугообразную поверхность с очевидными характеристиками трения.
Ветряная турбина работает со скоростью вращения 17 об/мин в течение 15 часов в день, генерируя около 15 300 циклов в день. Суммарные рабочие циклы достигают 2,8×10⁶ за полгода и 2,0×10⁷ за три с половиной года. Шпилька качается с небольшой амплитудой, около 4 мм, с низкой амплитудой напряжения и низким общим уровнем напряжения, что соответствует типичным условиям работы с низким-напряжением и высокой-цикловой усталостью. Разрушение вызвано долговременной -накопленной усталостью при изгибе под действием переменных боковых нагрузок, что является типичным случаем усталостного разрушения болта при изгибе.
5. Подробное резюме
1. Вид разрушения шпильки подтверждается как усталостное разрушение при изгибе, а не разрушение от перегрузки, хрупкое разрушение или разрушение, вызванное дефектами материала.
2. Основная причина неисправности – неправильный процесс сборки. Позиционное отклонение приводит к одностороннему плотному прилеганию шпильки к отверстию шестерни, что приводит к устойчивому переменному касательному изгибающему напряжению. Усталостные повреждения постоянно накапливаются во время работы оборудования с большим-циклом и в конечном итоге приводят к усталостному разрушению при изгибе.
