Tvirtinimo elementų varžtų tipinio lenkimo ir nuovargio lūžio atvejo analizė

Nuovargio gedimas yra vienas iš labiausiai paplitusių mechaninių komponentų gedimo būdų. Statistiniai duomenys rodo, kad nuo 50% iki 80% visų mechaninių dalių gedimų yra susiję su nuovargio pažeidimais. Prieš lūžimą dėl nuovargio, komponentai paprastai neturi akivaizdžių plastinės deformacijos ar prieš sugedimo požymių. Nepaisant to, nuovargio lūžiai įvyksta staiga ir destruktyviai, dažnai sukeliantys rimtus įrangos gedimus ir saugumo nelaimingus atsitikimus. Nuovargio žala priklauso nuo specifinių pradžios ir plitimo dėsnių ir galiausiai išsivysto į visišką nuovargio lūžį.

Nuovargio apibrėžimas: Metalo nuovargis reiškia nuolatinį metalinių medžiagų mechaninių savybių blogėjimą veikiant pasikartojančiam cikliniam kintamo įtempio ar deformacijos poveikiui.

Nuovargio lūžio apibrėžimas: Kai metalinės medžiagos yra veikiamos ilgalaikio ciklinio kintamo įtempio ir deformacijos, atsiranda vietinių mikrostruktūrų pokyčių ir nuolat plinta vidiniai defektai, dėl kurių pablogėja mechaninės savybės ir galiausiai visiškai lūžta komponentai. Šis gedimo procesas apibrėžiamas kaip nuovargio lūžis. Įtempis, sukeliantis nuovargio lūžį, paprastai yra daug mažesnis už medžiagos statinio stiprumo ribą. Nuovargio lūžis pasižymi staigiu atsiradimu, dideliu lokalizavimu ir dideliu jautrumu paviršiniams ir vidiniams defektams.

1. Lūžio paviršiaus makroskopinė morfologijos analizė

Šios bylos tyrimo objektas – vėjo turbinų įrangoje naudojamas lūžęs smeigės varžtas. Lūžio paviršiaus makroskopinės morfologinės charakteristikos analizuojamos taip:

1. Apatinėje kairėje ir dešinėje lūžio paviršiaus pusėse yra netaisyklingos įgaubtos ir išgaubtos morfologijos. Kairėje pusėje yra lanko formos išgaubta įpjova, o dešinėje pusėje yra keletas mažų dantytų įpjovų. Apatinis lūžio lankas sudaro aštrų pjovimo briauną.

2. Didelis centrinis lūžio plotas tarnauja kaip plyšio plitimo sritis, padengta ryškiomis paplūdimio žymėmis, kurios yra tipiškos makroskopinės nuovargio lūžio ypatybės.

3. Plyšio pradžios zonos ir paplūdimio žymės plitimo zonos lūžių paviršiuje pastebimi rūdžių pėdsakai, atsirandantys dėl ilgalaikio išorinės aplinkos poveikio.

4. Momentinio lūžimo zonoje yra plati ir smulki šlyties briauna su lygiu ir ryškiu lūžio paviršiumi be rūdžių. Tai rodo, kad galutinis lūžis įvyko greitai ir priklauso plastiniam momentiniam lūžiui.

5. Apatinis sulaužytos smeigės kotas turi lygų ir ryškų paviršių su akivaizdžiais trinties pėdsakais, sudarant lygų lanko paviršių, susidarantį dėl ilgalaikės kartotinės trinties.

6. Lūžio vietoje nerasta akivaizdaus išlenkimo ar deformacijos, o tai pašalina perkrovos tempimo lūžio galimybę.

2. Makroskopinė gedimo mechanizmo analizė

1. Įtrūkimai atsiranda apatinėje stulpelio pusėjesmeigės varžtas. Lygus pjovimo kraštas, dantytos įpjovos ir lanko formos tarpai apatinėje koto dalyje sudaro įtempių koncentracijos sritis, kurios yra pirminiai įtrūkimų atsiradimo šaltiniai.

2. Plyšio plitimo zonoje paplūdimio žymės yra ryškios. Pradiniame plitimo etape paplūdimio ženklų atstumas yra mažas, o tai rodo stabilų ir lėtą įtrūkimų augimą esant cikliniam tangentiniam įtempimui. Vėlesniame sklidimo etape atstumas žymiai padidėja, o tai rodo pagreitėjusį įtrūkimų plitimą ir didėjančią gedimo riziką.

3. Plati, plona ir ryški šlyties briauna momentinio lūžio zonoje pasižymi tipiškomis kaliojo lūžio charakteristikomis, įrodančiomis, kad smeigės tvirtumas ir kietumas yra suderinti su puikiomis visapusiškomis mechaninėmis savybėmis.

4. Lygus lanko paviršius smeigės pusėje yra tipiška trinties morfologija. Tai rodo, kad smeigė patyrė ilgalaikį šoninį kintamąjį įtempimą, veikimo metu nuolat judėjo atgal ir sukėlė pakartotinę trintį bei ekstruziją su krumpliaračio angos sienele, galiausiai sudarant poliruotą lygų paviršių.

Makroskopinė išvada: Smeigės lūžis yra tipiškas lenkimo nuovargio lūžis. Momentinio lūžio zona pasižymi palankiomis kaliojo lūžio charakteristikomis be trapių lūžių požymių.

3. Mikroskopinė morfologijos analizė

Siekiant dar labiau išsiaiškinti lūžių mechanizmą, lūžio mėginyje buvo atliktas skenuojančio elektroninio mikroskopo (SEM) mikroskopinis aptikimas, siekiant stebėti skirtingų lūžių regionų mikrostruktūrines ypatybes.

1. SEM stebėjimas atskleidžia ryškias ir reguliarias nuovargio juosteles plyšio plitimo zonoje, kurios yra pagrindinės mikroskopinės metalo nuovargio lūžių savybės ir gerai atitinka makroskopines paplūdimio žymes, patvirtinančias nuovargio gedimą.

2. SEM vaizduose pastebima daug tolygiai išsidėsčiusių įdubų, kurios yra tipiškos mikroskopinės puikaus medžiagos tvirtumo apraiškos. Tai atitinka plačią šlyties lūpą makroskopinio lūžio zonoje ir patikrina pagrįstą smeigės stiprumo ir plastiškumo koordinavimą.

3. Didelio ploto skilimo lūžių morfologijos visame lūžio paviršiuje nerasta. Vietinėse vietose atsiranda tik nedidelis kiekis kvaziskilimo požymių, pakaitomis su įdubimais. Tai rodo, kad medžiaga turi mažą trapumą ir optimalų stiprumo bei kietumo atitiktį.

Mikroskopinė išvada: originalus paviršiusstudišlaiko tekinimo įrankių žymes su dideliu paviršiaus šiurkštumu, suformuojant silpnas įtempių koncentracijos sritis. Įrenginio veikimo metu smeigė patiria nuolatinį kintamą tangentinį lenkimo įtempį, o paviršiaus įrankio žymės pasikartojančios trinties būdu nupoliruojamos į lygų lanko paviršių. Esant ilgalaikiam aukšto dažnio lenkimui, susidūrimui ir trinčiai, mikroįtrūkimai pirmiausia atsiranda ties grubiais paviršiaus defektais ir sudaro nuovargio šaltinius. Nuolat veikiant kintamoms apkrovoms, įtrūkimai plinta palaipsniui ir galiausiai sukelia didelio ciklo lenkimo nuovargio lūžį. Makroskopinės ir mikroskopinės morfologinės savybės yra labai nuoseklios, įrodančios, kad staigų lūžį sukelia susikaupę lenkimo nuovargio pažeidimai.

4. Tyrimas vietoje ir darbo sąlygų analizė

Siekiant atkurti tikrąją gedimo darbo būklę, vėjo jėgainės aikštelėje buvo atlikti du tyrimai vietoje. Siekiant išsiaiškinti gedimo sąlygas, buvo patikrinta svarbi informacija, įskaitant įrangos veikimo trukmę, surinkimo procesą, įrengimo vietą, lūžių morfologiją ir techninės priežiūros įrašus.

Daugiau nei trisdešimt 1,5 MW vėjo turbinų eksploatuojama daugiau nei trejus metus ir nulūžo tik vienas smeigės varžtas, o tai yra individualus gedimo atvejis. Apžiūra vietoje rodo, kad lūžusi smeigė buvo sumontuota su padėties nukrypimu. Viena koto pusė be tarpo prigludo prie krumpliaračio angos galo, o kitoje pusėje buvo didelis surinkimo tarpas. Dėl įrengimo nuokrypio smeigė lenkdavosi ir nuolat judėdavo turbinai veikiant, sukurdama ilgalaikes kintamąsias šonines apkrovas ir sukeldama galimą nuovargio gedimo riziką.

Glaudžiai prigludusi smeigės pusė buvo be tarpų ir nepasiekiama įrankiams, o tai įrodė, kad ši padėtis atlaikė itin didelį ciklinį tangentinį įtempimą ir sukėlė didelių sunkumų vėliau išardant. Esant nuolatiniam ašiniam vertikaliam kintamajam įtempimui, smeigės pusė, prigludusi prie skylės sienelės, patyrė pakartotinį lenkimą, smūgį ir trintį su krumpliaračio anga. Originalios posūkio žymės buvo visiškai nusidėvėjusios ir sudarė veidrodinį lygų lanko paviršių su akivaizdžiomis trinties savybėmis.

Vėjo turbina veikia 17 aps./min. sukimosi greičiu 15 valandų per dieną, kasdien generuodama apie 15 300 ciklų. Bendras veikimo ciklas per pusę metų pasiekia 2,8×10⁷, o per trejus su puse metų – 2,0×10⁷. Smeigės svyruoja maža, maždaug 4 mm amplitude, esant mažai įtempių amplitudei ir mažam bendram įtempių lygiui, o tai būdinga tipiškoms mažo įtempimo ir didelio ciklo nuovargio darbo sąlygoms. Lūžis atsiranda dėl ilgalaikio susikaupusio lenkimo nuovargio, veikiant kintamoms šoninėms apkrovoms, o tai yra tipiškas varžto lenkimo nuovargio lūžio atvejis.

5. Išsami santrauka

1. Smeigės gedimo būdas patvirtinamas kaip lenkimo nuovargio lūžis, o ne perkrovos lūžis, trapus lūžis ar lūžimas dėl medžiagos defektų.

2. Pagrindinė gedimo priežastis yra netinkamas surinkimo procesas. Padėties nuokrypis lemia, kad kaištis vienašališkai priglunda prie krumpliaračio angos, todėl susidaro nuolatinis kintamasis tangentinis lenkimo įtempis. Nuovargio žala nuolat kaupiasi didelio ciklo įrangos veikimo metu ir galiausiai sukelia lenkimo nuovargio lūžį.