Analiza primera tipičnega zloma zaradi upogibne utrujenosti sornikov pritrdilnih elementov

Odpoved zaradi utrujenosti je eden najpogostejših načinov odpovedi mehanskih komponent. Statistični podatki kažejo, da je 50 % do 80 % vseh okvar mehanskih delov pripisanih poškodbam zaradi utrujenosti. Pred zlomom zaradi utrujenosti komponente običajno ne kažejo očitne plastične deformacije ali znakov pred odpovedjo. Kljub temu pride do zloma zaradi utrujenosti nenadoma in destruktivno, kar pogosto povzroči resne okvare opreme in varnostne nesreče. Poškodba zaradi utrujenosti sledi posebnim zakonom začetka in širjenja in se sčasoma razvije v popolni zlom zaradi utrujenosti.

Opredelitev utrujenosti: Utrujanje kovine se nanaša na nenehno slabšanje mehanskih lastnosti kovinskih materialov pod ponavljajočim se cikličnim delovanjem izmeničnih obremenitev ali deformacij.

Opredelitev zloma zaradi utrujenosti: Ko so kovinski materiali izpostavljeni dolgotrajnim cikličnim izmeničnim obremenitvam in deformacijam, pride do lokalnih mikrostrukturnih sprememb in neprekinjenega širjenja notranjih napak, kar povzroči poslabšanje mehanskih lastnosti in morebitni popolni zlom komponent. Ta proces odpovedi je opredeljen kot utrujenostni zlom. Obremenitev, ki povzroča utrujenostni lom, je na splošno veliko nižja od meje statične trdnosti materiala. Za utrujenostni zlom je značilen nenaden pojav, velika lokalizacija in visoka občutljivost na površinske in notranje napake.

1. Makroskopska morfološka analiza površine zloma

Predmet raziskave tega primera je zlomljen vijak, ki se uporablja v opremi vetrnih turbin. Makroskopske morfološke značilnosti površine zloma analiziramo na naslednji način:

1. Spodnja leva in desna stran površine zloma imata nepravilno konkavno in konveksno morfologijo. Leva stran prikazuje ločno konveksno zarezo, medtem ko je desna stran razporejena z več drobnimi nazobčanimi zarezami. Spodnji lok zloma tvori oster rezalni rob.

2. Veliko osrednje območje zloma služi kot območje širjenja razpoke, prekrito z izrazitimi sledmi, ki so značilne makroskopske značilnosti zloma zaradi utrujenosti.

3. Sledi rje opazimo na površini loma na območju začetka razpok in območju širjenja oznake na plaži, ki jih povzroča dolgotrajna izpostavljenost zunanjemu okolju.

4. Območje trenutnega loma predstavlja širok in fin strižni rob z gladko in svetlo površino loma brez rje. To kaže, da je do končnega zloma prišlo hitro in spada med duktilne trenutne zlome.

5. Spodnje steblo zlomljenega čepa ima gladko in svetlo površino z očitnimi sledmi trenja, ki tvori gladko površino loka, ki nastane zaradi dolgotrajnega ponavljajočega se trenja.

6. Na mestu zloma ni očitnega vratu ali deformacije, kar izključuje možnost preobremenitvenega nateznega zloma.

2. Makroskopska analiza mehanizma okvar

1. Razpoke se začnejo na spodnji straničepni vijak. Gladek rezalni rob, nazobčane zareze in lokaste reže na spodnjem steblu tvorijo območja koncentracije napetosti, ki so prvotni izvori nastanka razpok.

2. Značilnosti oznake obale v območju širjenja razpok so izrazite. V začetni fazi širjenja je razmik med oznakami na plaži majhen, kar kaže na stabilno in počasno rast razpoke pod ciklično tangencialno napetostjo. V poznejši fazi širjenja se razmik znatno poveča, kar kaže na pospešeno širjenje razpok in naraščajoče tveganje za okvaro.

3. Širok, fin in svetel strižni rob v območju trenutnega loma kaže značilne lastnosti duktilnega loma, kar dokazuje, da ima čep dobro usklajeno trdnost in žilavost z odličnimi celovitimi mehanskimi lastnostmi.

4. Gladka površina loka na strani čepa je tipična torna morfologija. Kaže, da je čep prestal dolgotrajno bočno izmenično obremenitev, ki se je med delovanjem neprekinjeno vračala in povzročila ponavljajoče se trenje in iztiskanje s steno luknje zobnika, kar je končno oblikovalo polirano gladko površino.

Makroskopski zaključek: Zlom čepa je tipičen zlom zaradi upogibne utrujenosti. Območje trenutnega loma ima ugodne lastnosti duktilnega loma brez značilnosti krhkega loma.

3. Mikroskopska morfološka analiza

Za nadaljnjo razjasnitev mehanizma zloma je bila na vzorcu zloma izvedena mikroskopska detekcija z vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM), da bi opazovali mikrostrukturne značilnosti različnih regij zloma.

1. Opazovanje SEM razkrije izrazite in redne brazde zaradi utrujenosti v območju širjenja razpoke, ki so glavne mikroskopske značilnosti loma zaradi utrujenosti kovine in se dobro ujemajo z makroskopskimi oznakami na plaži, kar potrjuje odpoved zaradi utrujenosti.

2. Na slikah SEM je opaziti veliko število enakomerno porazdeljenih vdolbin, ki so značilne mikroskopske manifestacije odlične žilavosti materiala. To se ujema s širokim strižnim robom v območju makroskopskega loma in potrjuje primerno usklajenost trdnosti in plastičnosti čepa.

3. Na celotni površini zloma ni morfologije zloma velike površine. Na lokalnih območjih se pojavi le majhna količina navideznih deformacij, ki se izmenjujejo z jamicami. To pomeni, da ima material nizko krhkost in optimalno ujemanje trdnosti in žilavosti.

Mikroskopski zaključek: Originalna površinastudzadrži sledi stružnega orodja z visoko hrapavostjo površine, ki tvori območja šibke koncentracije napetosti. Med delovanjem opreme čep prenaša neprekinjeno izmenično tangencialno upogibno obremenitev, oznake površinskega orodja pa se s ponavljajočim se trenjem polirajo v gladko obločno površino. Pri dolgotrajnem visokofrekvenčnem recipročnem upogibanju, trčenju in trenju se mikrorazpoke prednostno začnejo na grobih površinskih napakah in tvorijo vire utrujenosti. Ob neprekinjenem delovanju izmeničnih obremenitev se razpoke postopoma širijo in končno privedejo do visokocikličnega upogibnega utrujenostnega zloma. Makroskopske in mikroskopske morfološke značilnosti so zelo skladne, kar dokazuje, da je nenaden zlom povzročil nakopičena poškodba zaradi upogibne utrujenosti.

4. Preiskava na kraju samem in analiza delovnih pogojev

Za vzpostavitev dejanskega okvarjenega delovnega stanja sta bili na lokaciji vetrne elektrarne izvedeni dve preiskavi na kraju samem. Ustrezne informacije, vključno s trajanjem delovanja opreme, postopkom sestavljanja, položajem namestitve, morfologijo zloma in zapisi o vzdrževanju, so bile preverjene, da se pojasnijo pogoji okvare.

Več kot trideset vetrnih turbin z močjo 1,5 MW je delovalo več kot tri leta, počil pa je le en vijak, kar je posamična okvara. Pregled na kraju samem je pokazal, da je bil polomljen čep nameščen s položajnim odstopanjem. Ena stran stebla se je tesno prilegala končni ploskvi luknje zobnika brez kakršne koli vrzeli, medtem ko je imela druga stran velik prostor za montažo. Odstopanje pri namestitvi je povzročilo, da se je čep neprekinjeno upogibal in vzvratno premikal med delovanjem turbine, kar je povzročilo dolgoročne izmenične bočne obremenitve in povzročilo potencialna tveganja odpovedi zaradi utrujenosti.

Tesno nameščena stran čepa je bila brez vrzeli in nedostopna za orodje, kar dokazuje, da je ta položaj prenašal izjemno visoko ciklično tangencialno obremenitev in povzročal velike težave pri kasnejšem razstavljanju. Pod neprekinjeno aksialno navpično izmenično obremenitvijo se je stran čepa, ki se prilega steni luknje, večkrat ukrivila, udarila in trela z izvrtino zobnika. Prvotne sledi obračanja so bile popolnoma obrabljene in oblikovale zrcalno gladko ločno površino z očitnimi lastnostmi trenja.

Vetrna turbina deluje s hitrostjo vrtenja 17 vrt/min 15 ur na dan in ustvari približno 15.300 ciklov dnevno. Skupni delovni cikli dosežejo 2,8×10⁶ v pol leta in 2,0×10⁷ v treh letih in pol. Čep niha znotraj majhne amplitude približno 4 mm z nizko amplitudo obremenitve in nizko splošno ravnjo obremenitve, kar spada v tipične delovne pogoje z nizko obremenitvijo in visoko ciklično utrujenostjo. Zlom nastane zaradi dolgotrajno nakopičene upogibne utrujenosti pri izmeničnih bočnih obremenitvah, kar je tipičen primer loma zaradi upogibne utrujenosti vijaka.

5. Izčrpen povzetek

1. Način okvare čepa je potrjen kot zlom zaradi upogibne utrujenosti, ne pa preobremenitveni zlom, krhki zlom ali zlom, ki ga povzročijo napake v materialu.

2. Glavni vzrok okvare je nepravilen postopek sestavljanja. Položajno odstopanje povzroči enostransko tesno prileganje čepa z izvrtino zobnika, kar ima za posledico trajno izmenično tangencialno upogibno napetost. Poškodbe zaradi utrujenosti se nenehno kopičijo med delovanjem opreme z visokim ciklom in sčasoma povzročijo zlom zaradi upogibne utrujenosti.