Træthedsfejl er en af de mest almindelige fejltilstande for mekaniske komponenter. Statistiske data viser, at 50% til 80% af alle mekaniske delefejl tilskrives træthedsskader. Før udmattelsesbrud udviser komponenter normalt ingen tydelige plastiske deformationer eller præ-tegn. Ikke desto mindre opstår træthedsbrud brat og destruktivt, hvilket ofte fører til alvorlige udstyrsfejl og sikkerhedsuheld. Træthedsskader følger specifikke initierings- og udbredelseslove og udvikler sig til sidst til fuldstændig træthedsbrud.
Definition af træthed: Metaltræthed refererer til den kontinuerlige forringelse af metalliske materialers mekaniske egenskaber under gentagen cyklisk påvirkning af vekslende stress eller belastning.
Definition af træthedsbrud: Når metalliske materialer udsættes for langvarig-cyklisk vekslende belastning og belastning, forekommer lokale mikrostrukturelle ændringer og kontinuerlig udbredelse af interne defekter, hvilket resulterer i nedbrydning af mekaniske egenskaber og til sidst fuldstændig brud på komponenter. Denne fejlproces er defineret som træthedsbrud. Spændingen, der fremkalder udmattelsesbrud, er generelt langt lavere end materialets statiske styrkegrænse. Træthedsbrud er karakteriseret ved pludselig opstået, høj lokalitet og høj følsomhed over for overflade- og indre defekter.
1. Makroskopisk morfologisk analyse af frakturoverfladen
Forskningsobjektet for denne sag er en brækket tapbolt, der bruges i vindmølleudstyr. De makroskopiske morfologiske karakteristika af frakturoverfladen analyseres som følger:
1. Den nederste venstre og højre side af frakturoverfladen har uregelmæssige konkave og konvekse morfologier. Den venstre side viser en bueformet- konveks indhak, mens højre side er fordelt med flere bittesmå takkede indhak. Den nederste bue af bruddet danner en skarp skærekant.
2. Et stort centralt område af bruddet tjener som sprækkeudbredelsesområde, dækket af tydelige strandmærker, som er typiske makroskopiske træk ved udmattelsesbrud.
3. Rustspor observeres på brudfladen af revneinitieringszonen og strandmærkeudbredelseszonen, forårsaget af langvarig-eksponering for det ydre miljø.
4. Den øjeblikkelige brudzone præsenterer en bred og fin forskydningslæbe med en glat og lys brudflade fri for rust. Dette indikerer, at det endelige brud opstod hurtigt og hører til duktilt øjeblikkeligt brud.
5. Den nedre skaft på den brækkede tap har en glat og lys overflade med tydelige friktionsspor, der danner en glat bueoverflade genereret af-langvarig gentagen friktion.
6. Der er ikke fundet nogen tydelig indsnævring eller deformation ved brudpositionen, hvilket udelukker muligheden for overbelastningstrækbrud.
2. Makroskopisk fejlmekanismeanalyse
1. Revner starter ved den nederste side aftapbolt. Den glatte skærekant, takkede indhak og bue-mellemrum ved det nederste skaft danner spændingskoncentrationsområder, som er de oprindelige kilder til revneinitiering.
2. Strandmærketræk i revneudbredelseszonen er fremtrædende. I det indledende udbredelsesstadium er afstanden mellem strandmærker lille, hvilket indikerer stabil og langsom revnevækst under cyklisk tangentiel belastning. I det senere udbredelsesstadium øges afstanden betydeligt, hvilket viser accelereret sprækkeudbredelse og stigende risiko for fejl.
3. Den brede, fine og lyse forskydningslæbe i den øjeblikkelige brudzone viser typiske duktile brudegenskaber, hvilket beviser, at tappen besidder godt-afstemt styrke og sejhed med fremragende omfattende mekaniske egenskaber.
4. Den glatte bueoverflade på tapsiden er en typisk friktionsmorfologi. Det indikerer, at tappen udholdt langvarig lateral vekselspænding, bevægede sig frem og tilbage kontinuerligt under drift og genererede gentagen friktion og ekstrudering med gearhulsvæggen, hvilket til sidst dannede en poleret glat overflade.
Makroskopisk konklusion: Knoppens brud er et typisk bøjningstræthedsbrud. Den øjeblikkelige brudzone udviser gunstige duktile brudkarakteristika uden skøre brudtræk.
3. Mikroskopisk morfologianalyse
For yderligere at tydeliggøre brudmekanismen blev mikroskopisk detektion med scanningselektronmikroskop (SEM) udført på brudprøven for at observere de mikrostrukturelle træk ved forskellige brudområder.
1. SEM-observation afslører distinkte og regelmæssige træthedsstriber i revneudbredelseszonen, som er de mikroskopiske kernetræk ved metaltræthedsbrud og svarer godt til de makroskopiske strandmærker, hvilket bekræfter træthedssvigt.
2. Et stort antal ensartet fordelte fordybninger observeres i SEM-billeder, som er typiske mikroskopiske manifestationer af fremragende materialesejhed. Dette matcher den brede forskydningslæbe i den makroskopiske brudzone og verificerer den rimelige koordinering af tappens styrke og plasticitet.
3. Der findes ingen spaltningsfrakturmorfologi med stort-areal på hele frakturoverfladen. Kun en lille mængde kvasi-spaltningstræk vises i lokale områder, skiftevis med fordybninger. Dette indikerer, at materialet har lav skørhed og et optimalt match mellem styrke og sejhed.
Mikroskopisk konklusion: Den oprindelige overflade afstudbevarer drejningsværktøjsmærker med høj overfladeruhed, hvilket danner områder med svage spændingskoncentrationer. Under udstyrsdrift bærer tappen kontinuerlig skiftende tangentiel bøjningsspænding, og overfladeværktøjsmærkerne poleres til en glat bueoverflade ved gentagen friktion. Under langvarig-høj- frem- og tilbagegående bøjning, kollision og friktion starter mikrorevner fortrinsvis ved ru overfladefejl og danner træthedskilder. Med den kontinuerlige påvirkning af vekslende belastninger forplanter revnerne sig gradvist og fører til sidst til høje-bøjningstræthedsbrud. De makroskopiske og mikroskopiske morfologiske træk er meget konsistente, hvilket beviser, at det pludselige brud er forårsaget af akkumulerede bøjningstræthedsskader.
4. On-Undersøgelse og arbejdstilstandsanalyse
For at genoprette den faktiske funktionssvigt blev der udført to-undersøgelser på stedet på vindmøllestedet. Relevante oplysninger, herunder udstyrsdriftsvarighed, monteringsproces, installationsposition, frakturmorfologi og vedligeholdelsesregistreringer, blev verificeret for at afklare fejlforholdene.
Mere end tredive 1,5 MW vindmøller har været i drift i over tre år, og kun én bolt er brækket, hvilket er et individuelt fejltilfælde. Inspektion på-stedet viser, at den brækkede stud blev installeret med positionsafvigelse. Den ene side af skaftet passede tæt til gearhullets endeflade uden mellemrum, mens den anden side havde en stor samlingsafstand. Installationsafvigelsen fik tappen til at bøje og bevæge sig frem og tilbage kontinuerligt med turbinedrift, hvilket genererede langtidsvekslende laterale belastninger og inducerede potentielle risici for udmattelsesfejl.
Den tætsiddende side af tappen var mellemrumsfri og utilgængelig for værktøj, hvilket beviser, at denne position udholdt ekstremt høj cyklisk tangentiel belastning og forårsagede store vanskeligheder ved senere demontering. Under kontinuerlig aksial lodret vekslende belastning oplevede den side af tappen, der passede til hulvæggen, gentagne bøjninger, stød og friktion med gearhullet. De originale vendemærker var helt slidt væk og dannede en spejllignende- glat bueoverflade med tydelige friktionsegenskaber.
Vindmøllen kører med en rotationshastighed på 17 r/min i 15 timer om dagen, hvilket genererer cirka 15.300 cyklusser dagligt. De samlede driftscyklusser når 2,8×10⁶ inden for et halvt år og 2,0×10⁷ inden for tre et halvt år. Knoppen svinger inden for en lille amplitude på omkring 4 mm med lav spændingsamplitude og lavt samlet spændingsniveau, hvilket hører til typiske arbejdsforhold med lav-spænding og høj-cyklustræthed. Bruddet er induceret af-langvarig akkumuleret bøjningstræthed under vekslende laterale belastninger, hvilket er et typisk tilfælde af boltbøjningstræthedsbrud.
5. Omfattende oversigt
1. Knoppens svigttilstand bekræftes som bøjningstræthedsbrud snarere end overbelastningsbrud, skørt brud eller brud forårsaget af materialefejl.
2. Grundårsagen til fejl er forkert monteringsproces. Positionsafvigelsen fører til ensidig tæt tilpasning af tappen til gearhullet, hvilket resulterer i vedvarende vekslende tangentiel bøjningsspænding. Træthedsskader akkumuleres kontinuerligt under høj-drift af udstyr og forårsager til sidst bøjningstræthedsbrud.
