Analiza przypadku typowego złamania zmęczeniowego zginania śrub dwustronnych elementów złącznych

Awaria zmęczeniowa jest jednym z najczęstszych rodzajów uszkodzeń elementów mechanicznych. Dane statystyczne pokazują, że od 50% do 80% wszystkich uszkodzeń części mechanicznych przypisuje się uszkodzeniom zmęczeniowym. Przed pęknięciem zmęczeniowym komponenty zwykle nie wykazują wyraźnych odkształceń plastycznych ani objawów poprzedzających awarię. Niemniej jednak pękanie zmęczeniowe następuje nagle i ma charakter destrukcyjny, często prowadząc do poważnych usterek sprzętu i wypadków związanych z bezpieczeństwem. Uszkodzenia zmęczeniowe podlegają określonym prawom inicjacji i propagacji i ostatecznie przekształcają się w całkowite pęknięcie zmęczeniowe.

Definicja zmęczenia: Zmęczenie metalu odnosi się do ciągłego pogarszania się właściwości mechanicznych materiałów metalicznych pod wpływem powtarzającego się cyklicznego działania przemiennego naprężenia lub odkształcenia.

Definicja złamania zmęczeniowego: Kiedy materiały metaliczne poddawane są długotrwałym, cyklicznym naprężeniom i odkształceniom, dochodzi do lokalnych zmian mikrostrukturalnych i ciągłej propagacji defektów wewnętrznych, co powoduje pogorszenie właściwości mechanicznych i ostatecznie całkowite pęknięcie elementów. Ten proces zniszczenia definiuje się jako pękanie zmęczeniowe. Naprężenie wywołujące pękanie zmęczeniowe jest na ogół znacznie niższe niż granica wytrzymałości statycznej materiału. Złamanie zmęczeniowe charakteryzuje się nagłym występowaniem, dużą lokalizacją i dużą wrażliwością na wady powierzchniowe i wewnętrzne.

1. Makroskopowa analiza morfologii powierzchni złamania

Obiektem badań tego przypadku jest pęknięta śruba dwustronna stosowana w urządzeniach turbin wiatrowych. Makroskopowe cechy morfologiczne powierzchni pęknięcia analizuje się w następujący sposób:

1. Dolna lewa i prawa strona powierzchni pęknięcia ma nieregularną morfologię wklęsłą i wypukłą. Po lewej stronie znajduje się wypukłe wycięcie w kształcie łuku, natomiast po prawej stronie znajduje się wiele drobnych ząbkowanych wycięć. Dolny łuk pęknięcia tworzy ostrą krawędź tnącą.

2. Duży obszar centralny pęknięcia stanowi obszar propagacji pęknięcia, pokryty wyraźnymi śladami plaży, które są typowymi makroskopowymi cechami pęknięcia zmęczeniowego.

3. Na powierzchni pęknięć w strefie inicjacji pęknięć oraz w strefie propagacji znaku plażowego obserwuje się ślady rdzy, powstałe w wyniku długotrwałego narażenia na działanie środowiska zewnętrznego.

4. Strefa chwilowego pęknięcia ma szeroką i drobną krawędź ścinającą z gładką i jasną powierzchnią pęknięcia, wolną od rdzy. Oznacza to, że ostateczne pęknięcie nastąpiło szybko i należy do pęknięć plastycznych natychmiastowych.

5. Dolny trzon pękniętego kołka ma gładką i jasną powierzchnię z wyraźnymi śladami tarcia, tworząc gładką powierzchnię łuku powstającą w wyniku długotrwałego, powtarzającego się tarcia.

6. W miejscu złamania nie stwierdza się wyraźnego przewężenia ani deformacji, co wyklucza możliwość pęknięcia przeciążeniowego.

2. Analiza makroskopowego mechanizmu uszkodzenia

1. Pęknięcia rozpoczynają się w dolnej częściśruba dwustronna. Gładka krawędź skrawająca, ząbkowane nacięcia i łukowate szczeliny w dolnym chwycie tworzą obszary koncentracji naprężeń, które są pierwotnymi źródłami inicjacji pęknięć.

2. Wyraźne są ślady plaży w strefie propagacji pęknięć. W początkowej fazie propagacji odstępy między znakami plaży są małe, co wskazuje na stabilny i powolny wzrost pęknięć pod wpływem cyklicznego naprężenia stycznego. W późniejszym etapie propagacji odstępy znacznie się zwiększają, co wskazuje na przyspieszoną propagację pęknięć i rosnące ryzyko awarii.

3. Szeroka, drobna i jasna warga ścinająca w strefie chwilowego pęknięcia wykazuje typową charakterystykę pękania plastycznego, co dowodzi, że kołek ma dobrze dobraną wytrzymałość i udarność oraz doskonałe wszechstronne właściwości mechaniczne.

4. Gładka powierzchnia łuku po stronie kołka ma typową morfologię tarcia. Wskazuje to, że kołek wytrzymywał długotrwałe boczne naprężenia zmienne, odwzajemniane w sposób ciągły podczas pracy i generował powtarzające się tarcie i wyciskanie ze ścianą otworu przekładni, ostatecznie tworząc wypolerowaną gładką powierzchnię.

Wnioski makroskopowe: Pęknięcie kołka jest typowym pęknięciem zmęczeniowym przy zginaniu. Strefa chwilowego pękania charakteryzuje się korzystną charakterystyką pękania plastycznego, bez cech kruchego pękania.

3. Mikroskopowa analiza morfologii

Aby dokładniej wyjaśnić mechanizm pękania, na próbce pęknięcia przeprowadzono badanie mikroskopowe za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) w celu obserwacji cech mikrostrukturalnych różnych obszarów pęknięcia.

1. Obserwacja SEM ujawnia wyraźne i regularne prążki zmęczeniowe w strefie propagacji pęknięcia, które są podstawową mikroskopową cechą pęknięć zmęczeniowych metalu i dobrze odpowiadają makroskopowym śladom plaży, potwierdzając uszkodzenie zmęczeniowe.

2. Na obrazach SEM obserwuje się dużą liczbę równomiernie rozmieszczonych wgłębień, które są typowymi mikroskopowymi objawami doskonałej wytrzymałości materiału. Dopasowuje to szeroką wargę ścinającą w makroskopowej strefie pęknięcia i potwierdza rozsądną koordynację wytrzymałości i plastyczności kołka.

3. Na całej powierzchni pęknięcia nie stwierdza się morfologii pęknięć wielkopowierzchniowych. Lokalnie pojawia się jedynie niewielka ilość cech quasi-rozszczepionych, na przemian z wgłębieniami. Oznacza to, że materiał ma niską kruchość i optymalne dopasowanie wytrzymałości i udarności.

Wnioski mikroskopowe: Oryginalna powierzchniastadninaZachowuje ślady narzędzi tokarskich o dużej chropowatości powierzchni, tworząc obszary słabej koncentracji naprężeń. Podczas pracy urządzenia kołek jest poddawany ciągłym, zmiennym stycznym naprężeniom zginającym, a ślady narzędzi powierzchniowych są polerowane w gładką powierzchnię łuku poprzez powtarzające się tarcie. W przypadku długotrwałego zginania, kolizji i tarcia o wysokiej częstotliwości, mikropęknięcia inicjują się preferencyjnie w przypadku defektów chropowatej powierzchni i tworzą źródła zmęczenia. Przy ciągłym działaniu zmiennych obciążeń, pęknięcia rozprzestrzeniają się stopniowo i ostatecznie prowadzą do pękania zmęczeniowego przy zginaniu wysokocyklowym. Makroskopowe i mikroskopowe cechy morfologiczne są bardzo spójne, co dowodzi, że nagłe pęknięcie jest spowodowane skumulowanym uszkodzeniem zmęczeniowym zginającym.

4. Badanie na miejscu i analiza warunków pracy

Aby przywrócić faktyczny stan pracy po awarii, przeprowadzono dwa badania terenowe na terenie turbiny wiatrowej. W celu wyjaśnienia warunków awarii zweryfikowano istotne informacje, w tym czas działania sprzętu, proces montażu, położenie instalacji, morfologię pęknięć i zapisy konserwacji.

Ponad trzydzieści turbin wiatrowych o mocy 1,5 MW pracuje od ponad trzech lat i tylko jedna śruba dwustronna pękła, co jest indywidualnym przypadkiem awarii. Kontrola na miejscu wykazała, że ​​pęknięty kołek został zamontowany z odchyleniem w położeniu. Jedna strona trzonu ściśle przylegała do powierzchni czołowej otworu przekładni bez żadnej szczeliny, podczas gdy druga strona miała duży luz montażowy. Odchylenie montażowe spowodowało, że kołek wyginał się i poruszał ruchem posuwisto-zwrotnym w sposób ciągły podczas pracy turbiny, generując długoterminowe zmienne obciążenia boczne i powodując potencjalne ryzyko awarii zmęczeniowej.

Ściśle dopasowana strona kołka była pozbawiona szczelin i niedostępna dla narzędzi, co dowodziło, że to położenie wytrzymuje niezwykle wysokie cykliczne naprężenia styczne i powoduje duże trudności w późniejszym demontażu. Pod wpływem ciągłego osiowego, pionowego naprężenia zmiennego strona kołka pasująca do ściany otworu podlegała powtarzającemu się zginaniu, uderzeniom i tarciu z otworem przekładni. Oryginalne znaki skrętu zostały całkowicie zniszczone, tworząc lustrzaną gładką powierzchnię łuku o wyraźnych właściwościach tarcia.

Turbina wiatrowa pracuje z prędkością obrotową 17 obr/min przez 15 godzin dziennie, generując około 15 300 cykli dziennie. Całkowite cykle operacyjne osiągają 2,8×10⁶ w ciągu pół roku i 2,0×10⁷ w ciągu trzech i pół roku. Kołek kołysze się z małą amplitudą około 4 mm przy małej amplitudzie naprężeń i niskim ogólnym poziomie naprężenia, co należy do typowych warunków pracy zmęczeniowej o niskim naprężeniu i wysokim cyklu. Pęknięcie jest spowodowane długotrwałym nagromadzonym zmęczeniem zginającym pod zmiennymi obciążeniami bocznymi, co jest typowym przypadkiem pęknięcia zmęczeniowego śruby zginającej.

5. Kompleksowe podsumowanie

1. Stan uszkodzenia kołka potwierdza się jako pękanie zmęczeniowe zginania, a nie pękanie przeciążeniowe, pękanie kruche lub pękanie spowodowane wadami materiałowymi.

2. Główną przyczyną awarii jest nieprawidłowy proces montażu. Odchylenie położenia prowadzi do jednostronnego ścisłego dopasowania kołka do otworu przekładni, co skutkuje utrzymującym się zmiennym stycznym naprężeniem zginającym. Uszkodzenia zmęczeniowe kumulują się w sposób ciągły podczas pracy sprzętu o dużej liczbie cykli i ostatecznie powodują pękanie zmęczeniowe zginania.