Únavové zlyhanie je jedným z najbežnejších spôsobov zlyhania mechanických komponentov. Štatistické údaje ukazujú, že 50 % až 80 % všetkých porúch mechanických častí sa pripisuje únavovému poškodeniu. Pred únavovým lomom komponenty zvyčajne nevykazujú žiadne zjavné plastické deformácie alebo známky pred-poruchou. Napriek tomu dochádza k únavovému lomu náhle a deštruktívne, čo často vedie k vážnym poruchám zariadenia a bezpečnostným nehodám. Únavové poškodenie sa riadi špecifickými zákonmi iniciácie a šírenia a nakoniec sa vyvinie do úplnej únavovej zlomeniny.
Definícia únavy: Únava kovu sa týka neustáleho zhoršovania mechanických vlastností kovových materiálov pri opakovanom cyklickom pôsobení striedavého napätia alebo deformácie.
Definícia únavovej zlomeniny: Keď sú kovové materiály vystavené dlhodobému-cyklickému striedavému namáhaniu a deformácii, dochádza k lokálnym mikroštrukturálnym zmenám a neustálemu šíreniu vnútorných defektov, čo vedie k degradácii mechanických vlastností a prípadnému úplnému rozbitiu komponentov. Tento proces porušenia je definovaný ako únavový lom. Napätie, ktoré vyvoláva únavový lom, je vo všeobecnosti oveľa nižšie ako statická medza pevnosti materiálu. Únavová zlomenina sa vyznačuje náhlym výskytom, vysokou lokalitou a vysokou citlivosťou na povrchové a vnútorné defekty.
1. Makroskopická morfologická analýza povrchu lomu
Predmetom výskumu tohto prípadu je zlomený svorník používaný v zariadeniach veterných turbín. Makroskopické morfologické charakteristiky povrchu lomu sa analyzujú takto:
1. Ľavá a pravá spodná strana povrchu lomu má nepravidelné konkávne a konvexné morfológie. Ľavá strana zobrazuje konvexný zárez v tvare oblúka, zatiaľ čo na pravej strane je niekoľko malých zúbkovaných zárezov. Spodný oblúk lomu tvorí ostrú reznú hranu.
2. Veľká centrálna oblasť lomu slúži ako oblasť šírenia trhliny, pokrytá zreteľnými plážovými značkami, ktoré sú typickými makroskopickými znakmi únavového lomu.
3. Na povrchu lomu v zóne iniciácie trhliny a v zóne šírenia pobrežných značiek sú pozorované stopy hrdze spôsobené-dlhodobým vystavením vonkajšiemu prostrediu.
4. Zóna okamžitého lomu predstavuje širokú a jemnú strižnú hranu s hladkým a jasným povrchom lomu bez hrdze. To naznačuje, že konečný lom nastal rýchlo a patrí k tvárnemu okamžitému lomu.
5. Spodná stopka zlomeného čapu má hladký a svetlý povrch so zreteľnými stopami trenia, ktorý vytvára hladký oblúkový povrch vytvorený dlhodobým-opakovaným trením.
6. V polohe lomu nie je zistené žiadne zjavné hrdlovanie alebo deformácia, čo vylučuje možnosť lomu v ťahu z preťaženia.
2. Makroskopická analýza mechanizmu zlyhania
1. Trhliny vznikajú na spodnej stranezávrtná skrutka. Hladká rezná hrana, zúbkované zárezy a medzery v tvare oblúka- na spodnej stopke tvoria oblasti koncentrácie napätia, ktoré sú pôvodnými zdrojmi iniciácie trhlín.
2. Prvky plážovej značky v zóne šírenia trhlín sú výrazné. V počiatočnom štádiu šírenia je rozostup plážových značiek malý, čo naznačuje stabilný a pomalý rast trhlín pri cyklickom tangenciálnom namáhaní. V neskoršom štádiu šírenia sa vzdialenosť výrazne zväčšuje, čo demonštruje zrýchlené šírenie trhlín a rastúce riziko zlyhania.
3. Široký, jemný a jasný strihový okraj v zóne okamžitého lomu vykazuje typické charakteristiky tvárneho lomu, čo dokazuje, že čap má dobre-vyrovnanú pevnosť a húževnatosť s vynikajúcimi komplexnými mechanickými vlastnosťami.
4. Hladký oblúkový povrch na strane čapu je typická trecia morfológia. Znamená to, že čap znášal- dlhodobé bočné striedavé namáhanie, počas prevádzky sa nepretržite vracal a vytváral opakované trenie a vytláčanie so stenou otvoru ozubeného kolesa, čím sa nakoniec vytvoril leštený hladký povrch.
Makroskopický záver: Zlomenina čapu je typická ohybová únavová zlomenina. Zóna okamžitého lomu predstavuje priaznivé charakteristiky tvárneho lomu bez prvkov krehkého lomu.
3. Mikroskopická morfologická analýza
Na ďalšie objasnenie mechanizmu lomu sa na vzorke lomu uskutočnila mikroskopická detekcia rastrovacím elektrónovým mikroskopom (SEM), aby sa pozorovali mikroštrukturálne znaky rôznych oblastí lomu.
1. SEM pozorovanie odhaľuje zreteľné a pravidelné únavové pruhy v zóne šírenia trhliny, ktoré sú základnými mikroskopickými znakmi únavového lomu kovu a dobre korešpondujú s makroskopickými plážovými značkami, čo potvrdzuje únavové zlyhanie.
2. Na snímkach SEM je pozorovaný veľký počet rovnomerne rozložených jamiek, ktoré sú typickými mikroskopickými prejavmi vynikajúcej húževnatosti materiálu. To zodpovedá širokému strihovému okraju v zóne makroskopického zlomu a overuje primeranú koordináciu pevnosti a plasticity čapu.
3. Na celom povrchu lomu sa nenašla žiadna veľkoplošná-morfológia štiepneho lomu. V miestnych oblastiach sa objavuje len malé množstvo kvázi-výstrihov, ktoré sa striedajú s jamkami. To naznačuje, že materiál má nízku krehkosť a optimálnu zhodu pevnosti a húževnatosti.
Mikroskopický záver: Pôvodný povrchstudzachováva stopy po sústružníckom nástroji s vysokou drsnosťou povrchu a vytvára oblasti so slabou koncentráciou napätia. Počas prevádzky zariadenia čap nesie nepretržité striedavé tangenciálne namáhanie v ohybe a povrchové značky nástroja sú vyleštené do hladkého oblúkového povrchu opakovaným trením. Pri dlhodobom-vysokofrekvenčnom vratnom ohýbaní, kolíziách a trení sa mikrotrhliny prednostne iniciujú na drsných povrchových defektoch a vytvárajú zdroje únavy. Pri nepretržitom pôsobení striedavého zaťaženia sa trhliny šíria postupne a nakoniec vedú k únavovému lomu s vysokým cyklom ohybu. Makroskopické a mikroskopické morfologické znaky sú vysoko konzistentné, čo dokazuje, že náhly zlom je spôsobený nahromadeným poškodením ohybom.
4.-Vyšetrovanie na mieste a analýza pracovných podmienok
Na obnovenie skutočného funkčného stavu poruchy sa vykonali dve{0}}prehliadky na mieste veternej turbíny. Príslušné informácie vrátane trvania prevádzky zariadenia, procesu montáže, polohy inštalácie, morfológie lomu a záznamov o údržbe boli overené na objasnenie podmienok poruchy.
Viac ako tridsať veterných turbín s výkonom 1,5 MW je v prevádzke viac ako tri roky a zlomil sa iba jeden svorník, čo je individuálny prípad zlyhania. Kontrola na mieste- ukazuje, že zlomený čap bol nainštalovaný s odchýlkou polohy. Jedna strana drieku tesne priliehala k čelnej ploche otvoru ozubeného kolesa bez akejkoľvek medzery, zatiaľ čo druhá strana mala veľkú montážnu vôľu. Odchýlka inštalácie spôsobila, že sa čap pri prevádzke turbíny nepretržite ohýbal a vratne pohyboval, čo vytváralo- dlhodobé striedavé priečne zaťaženia a vyvolávalo potenciálne riziko únavového zlyhania.
Tesne priliehajúca strana čapu bola bez medzier a nedostupná pre nástroje, čo dokazuje, že táto poloha znášala extrémne vysoké cyklické tangenciálne namáhanie a spôsobovala veľké ťažkosti pri neskoršej demontáži. Pri nepretržitom axiálnom vertikálnom striedavom namáhaní sa strana čapu priliehajúceho k stene otvoru opakovane ohýbala, náraz a trenie s otvorom ozubeného kolesa. Pôvodné značky otáčania boli úplne opotrebované a vytvorili zrkadlo-ako hladký oblúkový povrch so zjavnými trecími charakteristikami.
Veterná turbína pracuje pri rýchlosti otáčania 17 otáčok za minútu počas 15 hodín denne, pričom generuje približne 15 300 cyklov denne. Celkové prevádzkové cykly dosahujú 2,8×10⁶ do pol roka a 2,0×10⁷ do tri a pol roka. Čap sa kýva v rámci malej amplitúdy asi 4 mm s nízkou amplitúdou napätia a nízkou celkovou úrovňou namáhania, čo patrí k typickým pracovným podmienkam s nízkym-vysokým{12}}namáhaním a vysokým{12}}cyklom únavy. Lom je vyvolaný-dlhodobou nahromadenou únavou z ohybu pri striedavých bočných zaťaženiach, čo je typický prípad únavového lomu skrutiek z ohybu.
5. Komplexné zhrnutie
1. Spôsob porušenia čapu je potvrdený ako únavový lom v ohybe, a nie lom z preťaženia, krehký lom alebo lom spôsobený defektmi materiálu.
2. Hlavnou príčinou zlyhania je nesprávny proces montáže. Polohová odchýlka vedie k jednostrannému tesneniu čapu s otvorom ozubeného kolesa, čo má za následok trvalé striedavé tangenciálne ohybové napätie. Únavové poškodenie sa nepretržite hromadí počas prevádzky zariadenia s vysokým-cyklom a nakoniec spôsobuje únavové lomy z ohybu.
