Kinnitusdetailide poltide tüüpilise painde-väsimusmurru juhtumite analüüs

Väsimusrikke on mehaaniliste komponentide üks levinumaid rikkeviise. Statistilised andmed näitavad, et 50–80% kõigist mehaaniliste osade riketest on tingitud väsimuskahjustustest. Enne väsimusmurdumist ei esine osadel tavaliselt ilmseid plastilisi deformatsioone ega rikkeeelseid märke. Sellest hoolimata tekib väsimusmurd järsult ja hävitavalt, mis sageli põhjustab tõsiseid seadmerikkeid ja ohutusõnnetusi. Väsimuskahjustus järgib spetsiifilisi initsiatsiooni- ja levimisseadusi ning areneb lõpuks täielikuks väsimusmurruks.

Väsimuse määratlus: Metalli väsimine viitab metallmaterjalide mehaaniliste omaduste pidevale halvenemisele vahelduva pinge või deformatsiooni korduval tsüklilisel toimel.

Väsimusmurru määratlus: Kui metallmaterjalid on allutatud pikaajalisele tsüklilisele vahelduvale pingele ja pingele, tekivad lokaalsed mikrostruktuurilised muutused ja sisemiste defektide pidev levik, mille tulemuseks on mehaaniliste omaduste halvenemine ja võimalike komponentide täielik purunemine. Seda tõrkeprotsessi määratletakse kui väsimusmurru. Väsimusmurdumist põhjustav pinge on üldiselt palju madalam kui materjali staatilise tugevuse piir. Väsimusmurdu iseloomustab äkiline tekkimine, kõrge lokalisatsioon ning kõrge tundlikkus pinna- ja sisedefektide suhtes.

1. Murdepinna makroskoopiline morfoloogia analüüs

Antud juhtumi uurimisobjektiks on tuuleturbiini seadmetes kasutatav purunenud naastpolt. Murdepinna makroskoopilisi morfoloogilisi omadusi analüüsitakse järgmiselt:

1. Murdepinna alumisel vasakul ja paremal küljel on ebakorrapärased nõgusad ja kumerad morfoloogiad. Vasakul küljel on kaarekujuline kumer sälk, samal ajal kui paremal küljel on mitu pisikest sakilise sälku. Murde alumine kaar moodustab terava lõikeserva.

2. Suur murru keskosa toimib pragude levimispiirkonnana, mis on kaetud selgete rannajälgedega, mis on tüüpilised väsimusmurde makroskoopilised tunnused.

3. Pragude tekkevööndi ja rannamärgi levikutsooni murdepinnal täheldatakse rooste jälgi, mis on põhjustatud pikaajalisest kokkupuutest väliskeskkonnaga.

4. Hetkelise murdumise tsoon kujutab endast laia ja peent nihketsooni, millel on sile ja särav roostevaba murdepind. See näitab, et lõplik murd toimus kiiresti ja kuulub plastilise hetkemurru alla.

5. Murdunud naastu alumisel varrel on sile ja särav pind, millel on silmnähtavad hõõrdejäljed, mis moodustab sileda kaarepinna, mille tekitab pikaajaline korduv hõõrdumine.

6. Murdeasendis ei tuvastata ilmset kaelust ega deformatsiooni, mis välistab ülekoormuse tõmbemurru võimaluse.

2. Makroskoopiline rikkemehhanismi analüüs

1. Seadme alumisel küljel tekivad praodnaastpolt. Sile lõikeserv, sakilised sälgud ja kaarekujulised vahed varre allosas moodustavad pinge kontsentratsioonipiirkonnad, mis on algsed pragude tekkeallikad.

2. Rannamärgi tunnused pragude levikutsoonis on silmatorkavad. Algses levimisfaasis on rannamärkide vahekaugus väike, mis näitab stabiilset ja aeglast pragude kasvu tsüklilise tangentsiaalse pinge all. Hilisemas levitamisetapis suureneb vahe märkimisväärselt, mis näitab pragude kiirenemist ja rikkeohu suurenemist.

3. Lai, peen ja särav nihkehuul hetkelise murdumise tsoonis on tüüpiliste plastilise purunemisomadustega, mis tõestab, et naastul on hästi sobitatud tugevus ja sitkus ning suurepärased kõikehõlmavad mehaanilised omadused.

4. Sile kaare pind naastu poolel on tüüpiline hõõrdemorfoloogia. See näitab, et naast talus pikaajalist külgsuunalist vahelduvat pinget, liikus töö ajal pidevalt edasi-tagasi ning tekitas hammasratta ava seinaga korduvat hõõrdumist ja ekstrusiooni, moodustades lõpuks poleeritud sileda pinna.

Makroskoopiline järeldus: naastu murd on tüüpiline paindumisest tingitud väsimusmurd. Hetkelise murdumise tsoonil on soodsad plastilise murdumise omadused ilma rabedate purunemisteta.

3. Mikroskoopiline morfoloogia analüüs

Murdemehhanismi täiendavaks selgitamiseks viidi luumurru prooviga läbi skaneeriva elektronmikroskoobi (SEM) mikroskoopiline tuvastamine, et jälgida erinevate murdumispiirkondade mikrostruktuurilisi tunnuseid.

1. SEM-vaatlus paljastab pragude levimise tsoonis selged ja korrapärased väsimustriibud, mis on metalli väsimusmurde mikroskoopilised põhitunnused ja vastavad hästi makroskoopiliste rannajälgedele, kinnitades väsimuse ebaõnnestumist.

2. SEM-piltidel on täheldatud suurt hulka ühtlaselt jaotunud lohke, mis on tüüpilised mikroskoopilised suurepärase materjali sitkuse ilmingud. See ühtib makroskoopilise murdumispiirkonna laia nihkehuuga ja kontrollib naastu tugevuse ja plastilisuse mõistlikku kooskõlastamist.

3. Kogu murrupinnal ei leidu suure pindalaga lõhestatud murru morfoloogiat. Kohalikes piirkondades ilmnevad vaid vähesel määral kvaasilõhenduse tunnused, mis vahelduvad lohukestega. See näitab, et materjalil on madal haprus ning tugevuse ja sitkuse optimaalne sobivus.

Mikroskoopiline järeldus: algne pindstudsäilitab suure pinnakaredusega treitööriista jäljed, moodustades nõrga pingekontsentratsiooni ala. Seadme töö ajal kannatab naast pidev vahelduv tangentsiaalne paindepinge ja pinna tööriistajäljed poleeritakse korduva hõõrdumise abil siledaks kaarepinnaks. Pikaajalise kõrgsagedusliku edasi-tagasi painutamise, kokkupõrke ja hõõrdumise korral tekivad mikropraod eelistatavalt karedatel pinnadefektidel ja moodustavad väsimusallika. Vahelduvate koormuste pideval toimel levivad praod järk-järgult ja viivad lõpuks suure tsükliga paindeväsimusmurruni. Makroskoopilised ja mikroskoopilised morfoloogilised tunnused on väga järjepidevad, tõestades, et äkilise luumurru põhjuseks on akumuleerunud paindeväsimuse kahjustus.

4. Kohapealne uurimine ja töötingimuste analüüs

Tegeliku rikke tööseisundi taastamiseks viidi tuuliku asukohas läbi kaks kohapealset uurimist. Rikete tingimuste selgitamiseks kontrolliti asjakohast teavet, sealhulgas seadmete töö kestust, montaažiprotsessi, paigaldusasendit, murdude morfoloogiat ja hooldusandmeid.

Üle kolme aasta on töös olnud üle kolmekümne 1,5 MW tuuliku ja murdus vaid üks naastpolt, mis on individuaalne rikkejuhtum. Kohapealne kontroll näitab, et purunenud naast paigaldati asendihälbega. Varre üks külg sobitus tihedalt käigukasti ava otsapinnaga ilma tühikuteta, samal ajal kui teisel küljel oli suur koostevahe. Paigaldamise kõrvalekalle põhjustas naastu paindumise ja pideva edasi-tagasi liikumise turbiini töö käigus, tekitades pikaajalisi vahelduvaid külgkoormusi ja põhjustades võimalikke väsimuse rikke riske.

Tihedalt liibuv naastu pool oli lünkadeta ja tööriistadele kättesaamatu, mis tõestas, et see asend talus äärmiselt suurt tsüklilist tangentsiaalset pinget ja põhjustas suuri raskusi hilisemal lahtivõtmisel. Pideva teljesuunalise vertikaalse vahelduva pinge korral koges naastu augu seinale sobiv külg korduvat painutamist, lööki ja hõõrdumist hammasratta avaga. Algsed pöördejäljed olid täielikult ära kulunud, moodustades peeglitaolise sileda kaarepinna, millel on ilmsed hõõrdeomadused.

Tuuleturbiin töötab pöörlemiskiirusel 17 p/min 15 tundi päevas, genereerides päevas ligikaudu 15 300 tsüklit. Kogu töötsüklid ulatuvad poole aasta jooksul 2,8 × 10⁷ ja kolme ja poole aasta jooksul 2,0 × 10⁷. Naast õõtsub väikeses amplituudis, umbes 4 mm, madala pingeamplituudi ja madala üldise pingetasemega, mis kuulub tüüpiliste madala pingega tsüklilise väsimuse töötingimustesse. Murde põhjustab pikaajaline akumuleerunud paindeväsimus vahelduva külgkoormuse all, mis on tüüpiline poldi painde väsimusmurru juhtum.

5. Põhjalik kokkuvõte

1. Naastu rikkerežiim on kinnitatud pigem paindeväsimusmurdena, mitte ülekoormusmurdena, rabedana või materjalidefektidest põhjustatud murduna.

2. Rikke algpõhjus on vale montaažiprotsess. Positsionaalne kõrvalekalle viib naastu ühepoolse tiheda sobitumiseni hammasratta avaga, mille tulemuseks on pidev vahelduv tangentsiaalne paindepinge. Väsimuskahjustused kogunevad pidevalt seadmete suure tsükliga töötamise ajal ja põhjustavad lõpuks paindeväsimusmurru.