Casusanalyse van typische buigvermoeidheidsbreuken van bevestigingsbouten

Vermoeidheidsfalen is een van de meest voorkomende faalwijzen van mechanische componenten. Uit statistische gegevens blijkt dat 50% tot 80% van alle defecten aan mechanische onderdelen te wijten zijn aan schade door vermoeiing. Voorafgaand aan een vermoeiingsbreuk vertonen componenten doorgaans geen duidelijke plastische vervorming of tekenen die voorafgaan aan defecten. Niettemin treedt vermoeiingsbreuk abrupt en destructief op, wat vaak leidt tot ernstige apparatuurfouten en veiligheidsongevallen. Vermoeidheidsschade volgt specifieke initiatie- en voortplantingswetten en ontwikkelt zich uiteindelijk tot een volledige vermoeidheidsbreuk.

Definitie van vermoeidheid: Metaalmoeheid verwijst naar de voortdurende verslechtering van de mechanische eigenschappen van metalen materialen onder herhaalde cyclische actie van afwisselende spanning of spanning.

Definitie van vermoeidheidsbreuk: Wanneer metalen materialen worden blootgesteld aan langdurige cyclische afwisselende spanningen en spanningen, treden lokale microstructurele veranderingen en voortdurende voortplanting van interne defecten op, resulterend in de verslechtering van mechanische eigenschappen en uiteindelijk volledige breuk van componenten. Dit faalproces wordt gedefinieerd als vermoeiingsbreuk. De spanning die vermoeiingsbreuk veroorzaakt, is over het algemeen veel lager dan de statische sterktelimiet van het materiaal. Vermoeidheidsfracturen worden gekenmerkt door een plotseling optreden, een hoge lokaliteit en een hoge gevoeligheid voor oppervlakte- en interne defecten.

1. Macroscopische morfologieanalyse van breukoppervlak

Het onderzoeksobject van deze zaak is een gebroken tapbout die wordt gebruikt in windturbineapparatuur. De macroscopische morfologische kenmerken van het breukoppervlak worden als volgt geanalyseerd:

1. De linker- en rechterzijden van het breukoppervlak vertonen onregelmatige concave en convexe morfologieën. De linkerkant toont een boogvormige convexe inkeping, terwijl de rechterkant is verdeeld met meerdere kleine gekartelde inkepingen. De onderste boog van de breuk vormt een scherpe snijkant.

2. Een groot centraal gebied van de breuk dient als het scheurvoortplantingsgebied, bedekt met duidelijke strandmarkeringen, die typische macroscopische kenmerken zijn van vermoeiingsbreuken.

3. Er worden roestsporen waargenomen op het breukoppervlak van de scheurinitiatiezone en de voortplantingszone van de strandmarkering, veroorzaakt door langdurige blootstelling aan de externe omgeving.

4. De onmiddellijke breukzone vertoont een brede en fijne afschuiflip met een glad en helder breukoppervlak, vrij van roest. Dit geeft aan dat de uiteindelijke breuk snel optrad en tot een ductiele instantane breuk behoort.

5. De onderste schacht van de gebroken nop heeft een glad en helder oppervlak met duidelijke wrijvingssporen, waardoor een glad boogoppervlak ontstaat dat wordt gegenereerd door langdurige herhaalde wrijving.

6. Er wordt geen duidelijke insnoering of vervorming gevonden op de breukpositie, wat de mogelijkheid van een trekbreuk door overbelasting uitsluit.

2. Analyse van macroscopische faalmechanismen

1. Scheuren beginnen aan de onderkant van debout. De gladde snijkant, gekartelde inkepingen en boogvormige openingen aan de onderste schacht vormen spanningsconcentratiegebieden, die de oorspronkelijke bronnen van scheurinitiatie zijn.

2. De strandmarkeringen in de scheurvoortplantingszone zijn prominent aanwezig. In de initiële voortplantingsfase is de afstand tussen de strandmarkeringen klein, wat duidt op een stabiele en langzame scheurgroei onder cyclische tangentiële spanning. In de latere voortplantingsfase neemt de afstand aanzienlijk toe, wat een versnelde scheurvoortplanting en een toenemend faalrisico aantoont.

3. De brede, fijne en heldere afschuiflip in de onmiddellijke breukzone vertoont typische ductiele breukkenmerken, wat bewijst dat de stijl een goed op elkaar afgestemde sterkte en taaiheid bezit met uitstekende uitgebreide mechanische eigenschappen.

4. Het gladde boogoppervlak aan de noppenzijde is een typische wrijvingsmorfologie. Het geeft aan dat de stijl langdurige zijdelingse afwisselende spanning heeft doorstaan, voortdurend heen en weer beweegt tijdens bedrijf, en herhaalde wrijving en extrusie met de wand van het tandwielgat genereerde, waardoor uiteindelijk een gepolijst, glad oppervlak ontstond.

Macroscopische conclusie: De breuk van de stijl is een typische buigvermoeidheidsbreuk. De onmiddellijke breukzone vertoont gunstige ductiele breukkenmerken zonder brosse breukkenmerken.

3. Microscopische morfologieanalyse

Om het breukmechanisme verder te verduidelijken, werd microscopische detectie met een scanning-elektronenmicroscoop (SEM) uitgevoerd op het breukmonster om de microstructurele kenmerken van verschillende breukgebieden te observeren.

1. SEM-observatie onthult duidelijke en regelmatige vermoeiingsstrepen in de scheurvoortplantingszone, die de belangrijkste microscopische kenmerken zijn van metaalmoeheidsbreuken en goed overeenkomen met de macroscopische strandmarkeringen, wat het falen van vermoeiing bevestigt.

2. In SEM-beelden wordt een groot aantal gelijkmatig verdeelde kuiltjes waargenomen, die typische microscopische manifestaties zijn van uitstekende materiaaltaaiheid. Dit komt overeen met de brede afschuiflip in de macroscopische breukzone en verifieert de redelijke coördinatie van sterkte en plasticiteit van de stijl.

3. Op het gehele breukoppervlak wordt geen splitsingsfractuurmorfologie met een groot oppervlak aangetroffen. Slechts een kleine hoeveelheid quasi-splitsingskenmerken verschijnen lokaal, afgewisseld met kuiltjes. Dit geeft aan dat het materiaal een lage brosheid heeft en een optimale combinatie van sterkte en taaiheid.

Microscopische conclusie: Het originele oppervlak van destoeterijbehoudt draaigereedschapsporen met een hoge oppervlakteruwheid en vormt zwakke spanningsconcentratiegebieden. Tijdens de werking van de apparatuur staat de tap bloot aan continue wisselende tangentiële buigspanning, en worden de markeringen van het oppervlakgereedschap door herhaalde wrijving gepolijst tot een glad boogoppervlak. Bij langdurige hoogfrequente heen en weer gaande buiging, botsing en wrijving ontstaan ​​microscheuren bij voorkeur bij ruwe oppervlaktedefecten en vormen ze bronnen van vermoeidheid. Door de voortdurende werking van wisselende belastingen planten de scheuren zich geleidelijk voort en leiden uiteindelijk tot buigvermoeidheidsbreuken met een hoge cyclus. De macroscopische en microscopische morfologische kenmerken zijn zeer consistent, wat bewijst dat de plotselinge breuk wordt veroorzaakt door geaccumuleerde schade door buigvermoeidheid.

4. Onderzoek ter plaatse en analyse van de arbeidsomstandigheden

Om de daadwerkelijke storingsconditie te herstellen, zijn er twee onderzoeken ter plaatse op de locatie van de windturbine uitgevoerd. Relevante informatie, waaronder de duur van de werking van de apparatuur, het montageproces, de installatiepositie, de breukmorfologie en onderhoudsgegevens, werd geverifieerd om de storingsomstandigheden te verduidelijken.

Meer dan dertig windturbines van 1,5 MW zijn al meer dan drie jaar in bedrijf en slechts één draadeind is gebroken, wat een individueel geval van falen is. Uit inspectie ter plaatse blijkt dat het gebroken tapeind met een positieafwijking is geïnstalleerd. De ene kant van de schacht sloot nauw aan op het eindvlak van het tandwielgat, zonder enige opening, terwijl de andere kant een grote montagespeling had. De afwijking in de installatie zorgde ervoor dat de stijl voortdurend verbogen en heen en weer beweegt tijdens de werking van de turbine, waardoor langdurige afwisselende zijdelingse belastingen ontstonden en potentiële risico's op vermoeidheidsbreuken ontstonden.

De nauw aansluitende zijde van de stijl was zonder openingen en ontoegankelijk voor gereedschap, wat bewees dat deze positie extreem hoge cyclische tangentiële spanningen doorstond en grote problemen veroorzaakte bij latere demontage. Onder voortdurende axiale verticale afwisselende spanning ondervond de zijkant van de stijl die op de gatwand paste herhaaldelijk buigen, stoten en wrijving met het tandwielgat. De oorspronkelijke draaimarkeringen waren volledig weggesleten en vormden een spiegelachtig, glad boogoppervlak met duidelijke wrijvingseigenschappen.

De windturbine draait 15 uur per dag met een rotatiesnelheid van 17 omw/min en genereert dagelijks ongeveer 15.300 cycli. De totale bedrijfscycli bereiken binnen een half jaar 2,8×10⁶ en binnen drie en een half jaar 2,0×10⁷. De nop zwaait binnen een kleine amplitude van ongeveer 4 mm met een lage spanningsamplitude en een laag algemeen spanningsniveau, behorend bij typische werkomstandigheden met lage spanning en hoge cyclische vermoeidheid. De breuk wordt veroorzaakt door langdurige geaccumuleerde buigmoeheid onder wisselende laterale belastingen, wat een typisch geval is van buigmoeheidsbreuk bij bout.

5. Uitgebreide samenvatting

1. De faalwijze van de stijl wordt bevestigd als buigvermoeidheidsbreuk, in plaats van overbelastingsbreuk, brosse breuk of breuk veroorzaakt door materiaaldefecten.

2. De hoofdoorzaak van het falen is een onjuist montageproces. De positionele afwijking leidt tot een eenzijdige nauwe passing van de tap met het tandwielgat, wat resulteert in aanhoudende afwisselende tangentiële buigspanning. Vermoeiingsschade stapelt zich voortdurend op tijdens hoogcyclisch gebruik van de apparatuur en veroorzaakt uiteindelijk buigvermoeidheidsbreuken.