Analiza slučaja tipičnog zamornog loma vijaka pričvrsnog elementa

Otkaz uslijed zamora jedan je od najčešćih oblika kvara mehaničkih komponenti. Statistički podaci pokazuju da se 50% do 80% svih kvarova mehaničkih dijelova pripisuje oštećenju uslijed zamora. Prije loma uslijed zamora, komponente obično ne pokazuju očite plastične deformacije ili znakove prije sloma. Unatoč tome, lom uslijed zamora događa se naglo i destruktivno, često dovodeći do ozbiljnih kvarova na opremi i sigurnosnih nezgoda. Oštećenje uslijed zamora slijedi specifične zakone inicijacije i širenja i na kraju se razvija u potpuni lom uslijed zamora.

Definicija umora: Zamor metala odnosi se na kontinuirano pogoršanje mehaničkih svojstava metalnih materijala pod ponavljanim cikličkim djelovanjem izmjeničnog naprezanja ili deformacije.

Definicija zamornog loma: Kada su metalni materijali podvrgnuti dugotrajnom cikličkom izmjeničnom naprezanju i deformaciji, dolazi do lokalnih mikrostrukturnih promjena i kontinuiranog širenja unutarnjih nedostataka, što rezultira degradacijom mehaničkih svojstava i eventualnim potpunim lomom komponenti. Ovaj proces loma se definira kao zamorni lom. Naprezanje koje uzrokuje zamorni lom općenito je daleko niže od granice statičke čvrstoće materijala. Zamorni lom karakterizira iznenadna pojava, velika lokalizacija i visoka osjetljivost na površinske i unutarnje nedostatke.

1. Makroskopska morfološka analiza površine prijeloma

Predmet istraživanja ovog slučaja je slomljeni klin koji se koristi u opremi vjetroturbina. Makroskopske morfološke karakteristike površine prijeloma analizirane su na sljedeći način:

1. Donja lijeva i desna strana površine prijeloma imaju nepravilnu konkavnu i konveksnu morfologiju. S lijeve strane nalazi se lučno ispupčen zarez, dok je s desne strane raspoređeno više sitnih nazubljenih zareza. Donji luk prijeloma tvori oštar rezni rub.

2. Veliko središnje područje loma služi kao područje širenja pukotine, prekriveno jasnim tragovima, koji su tipična makroskopska obilježja zamornog loma.

3. Primjećuju se tragovi hrđe na površini prijeloma u zoni početka pukotine i zoni širenja traga na plaži, uzrokovani dugotrajnom izloženošću vanjskom okolišu.

4. Zona trenutnog loma predstavlja široku i finu usnu smicanja s glatkom i svijetlom površinom loma bez hrđe. To ukazuje da je konačni lom nastao brzo i pripada duktilnom trenutnom lomu.

5. Donji dio slomljenog klina ima glatku i svijetlu površinu s očiglednim tragovima trenja, tvoreći glatku lučnu površinu generiranu dugotrajnim ponavljanim trenjem.

6. Na mjestu prijeloma nema očitog grla ili deformacije, što isključuje mogućnost vlačnog loma preopterećenja.

2. Makroskopska analiza mehanizma kvara

1. Pukotine počinju na donjoj straniklin svornjak. Glatki rezni rub, nazubljeni zarezi i praznine u obliku luka na donjem dršku tvore područja koncentracije naprezanja, koja su izvorni izvori nastanka pukotina.

2. Značajke oznake plaže u zoni širenja pukotine su istaknute. U početnoj fazi širenja, razmak između tragova je mali, što ukazuje na stabilan i spor rast pukotine pod cikličkim tangencijalnim naprezanjem. U kasnijoj fazi širenja, razmak se značajno povećava, pokazujući ubrzano širenje pukotine i rastući rizik od kvara.

3. Široki, fini i svijetli rub na smicanje u zoni trenutnog loma pokazuje tipične karakteristike rastegljivog loma, dokazujući da klin posjeduje dobro usklađenu čvrstoću i žilavost s izvrsnim sveobuhvatnim mehaničkim svojstvima.

4. Glatka lučna površina na strani klina tipična je morfologija trenja. To ukazuje na to da je svornjak izdržao dugotrajno bočno izmjenično naprezanje, kontinuirano se vraćalo tijekom rada i stvaralo opetovano trenje i istiskivanje sa stijenkom rupe zupčanika, konačno formirajući glatku poliranu površinu.

Makroskopski zaključak: Prijelom svornjaka tipičan je prijelom uslijed zamora savijanjem. Zona trenutnog loma ima povoljne karakteristike duktilnog loma bez karakteristika krtog loma.

3. Mikroskopska morfološka analiza

Kako bi se dodatno razjasnio mehanizam loma, mikroskopska detekcija skenirajućim elektronskim mikroskopom (SEM) provedena je na uzorku loma kako bi se promatrale mikrostrukturne značajke različitih područja loma.

1. SEM promatranje otkriva jasne i redovite brazde od zamora u zoni širenja pukotine, koje su osnovne mikroskopske značajke loma od zamora metala i dobro odgovaraju makroskopskim tragovima zamora, potvrđujući slom uslijed zamora.

2. Na SEM slikama uočen je veliki broj jednoliko raspoređenih udubljenja, što su tipične mikroskopske manifestacije izvrsne žilavosti materijala. Ovo odgovara širokom rubu smicanja u zoni makroskopskog loma i potvrđuje razumnu koordinaciju čvrstoće i plastičnosti klina.

3. Na cijeloj površini prijeloma nije pronađena morfologija prijeloma velike površine. Samo se mala količina kvazi-rascjepa pojavljuje na lokalnim područjima, izmjenjujući se s rupicama. To znači da materijal ima nisku lomljivost i optimalno podudaranje čvrstoće i žilavosti.

Mikroskopski zaključak: Izvorna površinaklinaczadržava tragove alata za tokarenje s visokom hrapavošću površine, stvarajući područja slabe koncentracije naprezanja. Tijekom rada opreme, klin podnosi kontinuirano izmjenično tangencijalno naprezanje na savijanje, a površinske oznake alata se poliraju u glatku površinu luka ponovljenim trenjem. Pod dugotrajnim visokofrekventnim recipročnim savijanjem, sudarom i trenjem, mikropukotine prvenstveno nastaju na grubim površinskim defektima i tvore izvore zamora. Kontinuiranim djelovanjem izmjeničnih opterećenja, pukotine se postupno šire i na kraju dovode do loma od zamora savijanjem u visokom ciklusu. Makroskopske i mikroskopske morfološke značajke vrlo su dosljedne, dokazujući da je iznenadni lom uzrokovan akumuliranim oštećenjem od zamora savijanjem.

4. Istraga na licu mjesta i analiza radnih uvjeta

Kako bi se uspostavilo stvarno radno stanje kvara, na lokaciji vjetroturbine provedena su dva ispitivanja na licu mjesta. Relevantne informacije uključujući trajanje rada opreme, proces sastavljanja, položaj ugradnje, morfologiju loma i zapise o održavanju verificirane su kako bi se pojasnili uvjeti kvara.

Više od trideset vjetroagregata snage 1,5 MW radilo je više od tri godine, a samo je jedan svornjak puknuo, što je pojedinačni slučaj kvara. Inspekcija na licu mjesta pokazuje da je slomljeni klin postavljen s odstupanjem od položaja. Jedna strana drške usko je nalijegala na čeonu površinu rupe zupčanika bez ikakvog zazora, dok je druga strana imala veliki montažni zazor. Odstupanje pri ugradnji uzrokovalo je stalno savijanje i recipročno kretanje klina tijekom rada turbine, stvarajući dugotrajna izmjenična bočna opterećenja i izazivajući potencijalne rizike od zamora.

Blisko postavljena strana svornjaka bila je bez procjepa i nedostupna alatima, što dokazuje da je ovaj položaj izdržao izuzetno visoko cikličko tangencijalno naprezanje i uzrokovao velike poteškoće u kasnijem rastavljanju. Pod kontinuiranim aksijalnim okomitim izmjeničnim naprezanjem, strana klina koja pristaje na stijenku otvora doživjela je opetovano savijanje, udarce i trenje s otvorom zupčanika. Izvorni tragovi okretanja bili su potpuno istrošeni, tvoreći zrcalno glatku lučnu površinu s očitim karakteristikama trenja.

Vjetroturbina radi rotacijskom brzinom od 17 o/min 15 sati dnevno, generirajući otprilike 15.300 ciklusa dnevno. Ukupni radni ciklusi dosežu 2,8×10⁶ unutar pola godine i 2,0×10⁷ unutar tri i pol godine. Svornjak se njiše unutar male amplitude od oko 4 mm s malom amplitudom naprezanja i niskom ukupnom razinom naprezanja, što pripada tipičnim radnim uvjetima niskog naprezanja i visokog ciklusa zamora. Lom je izazvan dugotrajnim akumuliranim zamorom na savijanje pod izmjeničnim bočnim opterećenjima, što je tipičan slučaj loma od zamora na savijanje.

5. Sveobuhvatni sažetak

1. Način sloma svornjaka potvrđen je kao lom uslijed zamora savijanjem, a ne lom preopterećenja, krti lom ili lom uzrokovan nedostatkom materijala.

2. Osnovni uzrok kvara je nepravilan proces sastavljanja. Pozicijsko odstupanje dovodi do jednostranog tijesnog prianjanja svornjaka s otvorom zupčanika, što rezultira trajnim izmjeničnim tangencijalnim naprezanjem na savijanje. Oštećenje uslijed zamora kontinuirano se akumulira tijekom rada opreme s visokim ciklusom i na kraju uzrokuje lom uslijed zamora savijanjem.