Analiza slučaja tipičnog loma vijaka pričvršćivača pri zamoru pri savijanju

Otkazivanje zbog zamora je jedan od najčešćih načina kvara mehaničkih komponenti. Statistički podaci pokazuju da se 50% do 80% svih kvarova mehaničkih dijelova pripisuje oštećenju od zamora. Prije loma uslijed zamora, komponente obično ne pokazuju očigledne plastične deformacije ili znakove prije kvara. Ipak, lom od zamora nastaje naglo i destruktivno, često dovodi do teških kvarova na opremi i sigurnosnih nesreća. Oštećenje od zamora prati specifične zakone inicijacije i širenja i na kraju se razvija u potpuni lom od zamora.

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

Definicija frakture od umora: Kada su metalni materijali izloženi dugotrajnom cikličkom naizmjeničnom naprezanju i naprezanju, javljaju se lokalne mikrostrukturne promjene i kontinuirano širenje unutrašnjih defekata, što rezultira degradacijom mehaničkih svojstava i eventualnim potpunim lomom komponenti. Ovaj proces loma se definira kao lom zbog zamora. Naprezanje koje uzrokuje lom zbog zamora općenito je daleko niže od granice statičke čvrstoće materijala. Zamorni lom karakterizira iznenadna pojava, visoka lokalizacija i visoka osjetljivost na površinske i unutrašnje defekte.

1. Makroskopska morfološka analiza površine loma

Predmet istraživanja ovog slučaja je slomljeni vijak koji se koristi u opremi vjetroturbina. Makroskopske morfološke karakteristike površine loma analiziraju se na sljedeći način:

1. Donja lijeva i desna strana površine prijeloma imaju nepravilne konkavne i konveksne morfologije. Na lijevoj strani prikazan je konveksni zarez u obliku luka, dok je desna strana raspoređena s više sitnih nazubljenih zareza. Donji luk frakture formira oštru reznu ivicu.

2. Velika centralna površina loma služi kao područje širenja pukotine, prekrivena izrazitim oznakama plaže, koje su tipične makroskopske karakteristike loma od zamora.

3. Uočeni su tragovi rđe na površini loma u zoni nastanka pukotine i zoni širenja tragova plaže, uzrokovani dugotrajnim izlaganjem vanjskom okruženju.

4. Zona trenutnog loma predstavlja široku i finu posmičnu usnu sa glatkom i svijetlom površinom loma bez rđe. Ovo ukazuje da je konačni lom nastao brzo i da pripada duktilnom trenutnom lomu.

5. Donji dio slomljenog klina ima glatku i svijetlu površinu s očiglednim tragovima trenja, formirajući glatku površinu luka nastalu dugotrajnim ponovljenim trenjem.

6. Na mjestu loma nema očitog grlića ili deformacije, što isključuje mogućnost loma preopterećenja.

2. Makroskopska analiza mehanizma otkaza

1. Pukotine počinju na donjoj stranistud bolt. Glatka rezna ivica, nazubljeni zarezi i praznine u obliku luka na donjoj dršci formiraju regije koncentracije napona, koje su izvorni izvori nastanka pukotina.

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

3. Široka, fina i svijetla posmična ivica u zoni trenutnog loma pokazuje tipične karakteristike duktilnog loma, što dokazuje da klin posjeduje dobro usklađenu snagu i žilavost sa odličnim sveobuhvatnim mehaničkim svojstvima.

4. Glatka lučna površina na strani svornjaka je tipična morfologija trenja. To ukazuje da je klin izdržao dugotrajna bočna naizmjenična naprezanja, neprekidno se kretao tokom rada i stvarao ponovljeno trenje i ekstruziju sa zidom rupe zupčanika, konačno formirajući poliranu glatku površinu.

Makroskopski zaključak: Prijelom klina je tipičan prijelom zamora pri savijanju. Zona trenutnog loma predstavlja povoljne karakteristike duktilnog loma bez karakteristika krtog loma.

3. Mikroskopska morfološka analiza

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

1. SEM posmatranje otkriva jasne i pravilne pruge zamora u zoni širenja prsline, koje su ključne mikroskopske karakteristike loma metala od zamora i dobro korespondiraju s makroskopskim oznakama plaže, potvrđujući lom zamora.

2. Uočen je veliki broj ravnomjerno raspoređenih udubljenja na SEM slikama, koje su tipične mikroskopske manifestacije odlične žilavosti materijala. Ovo odgovara širokoj posmičnoj ivici u makroskopskoj zoni loma i potvrđuje razumnu koordinaciju čvrstoće i plastičnosti klina.

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

Mikroskopski zaključak: Originalna površinastudzadržava tragove alata za struganje sa velikom hrapavostom površine, formirajući područja slabe koncentracije naprezanja. Tokom rada opreme, klin nosi kontinuirano naizmjenično tangencijalno naprezanje savijanja, a površinski tragovi alata se poliraju u glatku površinu luka ponavljanim trenjem. Pod dugotrajnim visokofrekventnim klipnim savijanjem, sudarom i trenjem, mikropukotine prvenstveno nastaju na grubim površinskim defektima i formiraju izvore zamora. Uz kontinuirano djelovanje naizmjeničnih opterećenja, pukotine se postupno šire i konačno dovode do loma zamora pri savijanju u velikom ciklusu. Makroskopske i mikroskopske morfološke karakteristike su vrlo konzistentne, što dokazuje da je iznenadni prijelom uzrokovan nagomilanim oštećenjem od zamora pri savijanju.

4. Uviđaj na licu mjesta i analiza radnih uslova

Da bi se uspostavilo stvarno radno stanje kvara, obavljena su dva uviđaja na licu mjesta na lokaciji vjetroturbine. Relevantne informacije, uključujući trajanje rada opreme, proces montaže, položaj ugradnje, morfologiju loma i zapise o održavanju su provjerene kako bi se razjasnili uvjeti kvara.

Više od trideset vjetroturbina od 1,5 MW radi više od tri godine, a samo je jedan klin slomljen, što je pojedinačni slučaj kvara. Inspekcija na licu mjesta pokazuje da je slomljeni klin ugrađen sa pozicijskom devijacijom. Jedna strana drške tijesno je pristajala čeonoj strani rupe za zupčanik bez ikakvog zazora, dok je druga strana imala veliki montažni zazor. Odstupanje u instalaciji dovelo je do toga da se klin neprestano savija i klipno okreće tokom rada turbine, stvarajući dugotrajna naizmjenična bočna opterećenja i izazivajući potencijalne rizike kvara od zamora.

Usko postavljena strana klina bila je bez otvora i nedostupna alatima, što je dokazalo da je ovaj položaj izdržao izuzetno veliko ciklično tangencijalno naprezanje i da je uzrokovao velike poteškoće u kasnijoj demontaži. Pod kontinuiranim aksijalnim vertikalnim naizmjeničnim naprezanjem, strana klina koja je pristajala zidu rupe doživjela je ponovljeno savijanje, udar i trenje s rupom zupčanika. Originalni tragovi skretanja su potpuno istrošeni, formirajući zrcalno glatku površinu luka sa očiglednim karakteristikama trenja.

Vjetroturbina radi pri brzini rotacije od 17 o/min 15 sati dnevno, generirajući približno 15.300 ciklusa dnevno. Ukupni operativni ciklusi dostižu 2,8×10⁶ u roku od pola godine i 2,0×10⁷ u roku od tri i po godine. Svornjak se zamahuje unutar male amplitude od oko 4 mm s niskom amplitudom naprezanja i niskim ukupnim nivoom naprezanja, što pripada tipičnim radnim uvjetima zamora s malim naprezanjem i visokim ciklusom. Lom je uzrokovan dugotrajnim akumuliranim zamorom pri savijanju pod naizmjeničnim bočnim opterećenjima, što je tipičan slučaj loma zamora pri savijanju.

5. Sveobuhvatan sažetak

1. Način loma klipa je potvrđen kao lom zbog zamora savijanja, a ne kao lom od preopterećenja, krhki lom ili lom uzrokovan defektima materijala.

2. Osnovni uzrok kvara je nepravilan proces sastavljanja. Poziciona devijacija dovodi do jednostranog bliskog prianjanja svornjaka s otvorom zupčanika, što rezultira stalnim naizmjeničnim naprezanjem tangencijalnog savijanja. Oštećenje od zamora se kontinuirano akumulira tokom rada opreme visokog ciklusa i na kraju uzrokuje lom od zamora pri savijanju.