Bağlantı Elemanı Saplama Cıvatalarının Tipik Eğilme Yorulma Kırılmasının Vaka Analizi

Yorulma arızası, mekanik bileşenlerin en yaygın arıza modlarından biridir. İstatistiksel veriler, tüm mekanik parça arızalarının %50 ila %80'inin yorulma hasarına atfedildiğini göstermektedir. Yorulma kırılmasından önce bileşenler genellikle belirgin bir plastik deformasyon veya arıza öncesi işaretler göstermez. Bununla birlikte, yorulma kırılması aniden ve yıkıcı bir şekilde meydana gelir ve sıklıkla ciddi ekipman arızalarına ve güvenlik kazalarına yol açar. Yorulma hasarı belirli başlama ve yayılma yasalarını takip eder ve sonunda tam yorulma kırılmasına dönüşür.

Yorgunluğun Tanımı: Metal yorgunluğu, alternatif gerilim veya gerinimin tekrarlanan döngüsel etkisi altında metalik malzemelerin mekanik özelliklerinin sürekli olarak bozulmasını ifade eder.

Yorulma Kırığının Tanımı: Metalik malzemeler uzun süreli döngüsel alternatif gerilime ve gerilime maruz kaldığında, yerel mikroyapısal değişiklikler ve iç kusurların sürekli yayılması meydana gelir ve bunun sonucunda mekanik özelliklerde bozulma ve sonunda bileşenlerin tamamen kırılması meydana gelir. Bu başarısızlık süreci yorulma kırılması olarak tanımlanır. Yorulma kırılmasına neden olan gerilim genellikle malzemenin statik dayanım sınırından çok daha düşüktür. Yorulma kırılması, ani ortaya çıkma, yüksek lokalite ve yüzey ve iç kusurlara karşı yüksek hassasiyet ile karakterize edilir.

1. Kırılma Yüzeyinin Makroskopik Morfoloji Analizi

Bu vakanın araştırma nesnesi rüzgar türbini ekipmanlarında kullanılan kırık bir saplamadır. Kırılma yüzeyinin makroskopik morfolojik özellikleri aşağıdaki şekilde analiz edilir:

1. Kırılma yüzeyinin alt sol ve sağ tarafları düzensiz içbükey ve dışbükey morfolojiler gösterir. Sol tarafta yay şeklinde dışbükey bir çentik bulunurken, sağ tarafta çok sayıda küçük tırtıklı çentik yer alıyor. Kırığın alt yayı keskin bir kesici kenar oluşturur.

2. Kırığın geniş merkezi alanı, yorulma kırılmasının tipik makroskobik özellikleri olan farklı plaj izleriyle kaplı, çatlak yayılma bölgesi olarak hizmet eder.

3. Çatlak başlangıç ​​bölgesi ve sahil işareti yayılma bölgesinin kırılma yüzeyinde dış ortama uzun süre maruz kalma nedeniyle pas izleri görülmektedir.

4. Anlık kırılma bölgesi, pastan arınmış, pürüzsüz ve parlak bir kırılma yüzeyine sahip, geniş ve ince bir kesme dudağı sunar. Bu, son kırılmanın hızlı bir şekilde meydana geldiğini ve sünek ani kırılmaya ait olduğunu gösterir.

5. Kırık saplamanın alt sapı, belirgin sürtünme izlerine sahip pürüzsüz ve parlak bir yüzeye sahiptir ve uzun süreli tekrarlanan sürtünmeyle oluşturulan pürüzsüz bir yay yüzeyi oluşturur.

6. Kırılma pozisyonunda belirgin bir boyun verme veya deformasyon bulunmaz; bu, aşırı yük çekme kırılması olasılığını ortadan kaldırır.

2. Makroskopik Arıza Mekanizması Analizi

1. Çatlaklar parçanın alt tarafında başlarsaplama cıvatası. Alt saptaki pürüzsüz kesme kenarı, tırtıklı çentikler ve yay şeklindeki boşluklar, orijinal çatlak başlangıç ​​kaynakları olan gerilim yoğunlaşma bölgelerini oluşturur.

2. Çatlak yayılma bölgesindeki sahil izi özellikleri belirgindir. İlk yayılma aşamasında, sahil işaretlerinin aralığı küçüktür, bu da döngüsel teğetsel gerilim altında istikrarlı ve yavaş çatlak büyümesine işaret eder. Daha sonraki yayılma aşamasında aralık önemli ölçüde artar, bu da çatlak yayılımının hızlandığını ve arıza riskinin arttığını gösterir.

3. Anlık kırılma bölgesindeki geniş, ince ve parlak kesme dudağı, tipik sünek kırılma özelliklerini gösterir ve saplamanın mükemmel kapsamlı mekanik özelliklerle iyi uyumlu bir mukavemet ve tokluğa sahip olduğunu kanıtlar.

4. Saplama tarafındaki pürüzsüz yay yüzeyi tipik bir sürtünme morfolojisidir. Bu, saplamanın uzun süreli yanal değişken gerilime dayandığını, çalışma sırasında sürekli olarak karşılıklı hareket ettiğini ve dişli deliği duvarı ile tekrarlanan sürtünme ve ekstrüzyon oluşturduğunu ve sonunda cilalı, pürüzsüz bir yüzey oluşturduğunu gösterir.

Makroskobik Sonuç: Saplamanın kırılması tipik bir eğilme yorulma kırılmasıdır. Anlık kırılma bölgesi, kırılgan kırılma özellikleri olmaksızın uygun sünek kırılma özellikleri sunar.

3. Mikroskobik Morfoloji Analizi

Kırılma mekanizmasını daha da açıklığa kavuşturmak amacıyla, farklı kırılma bölgelerinin mikroyapısal özelliklerini gözlemlemek amacıyla kırılma numunesi üzerinde taramalı elektron mikroskobu (SEM) mikroskobik tespiti yapıldı.

1. SEM gözlemi, metal yorulma kırılmasının temel mikroskobik özellikleri olan ve yorulma başarısızlığını doğrulayan makroskobik plaj işaretlerine iyi karşılık gelen, çatlak yayılma bölgesindeki belirgin ve düzenli yorulma çizgilerini ortaya çıkarır.

2. SEM görüntülerinde, mükemmel malzeme dayanıklılığının tipik mikroskobik belirtileri olan, çok sayıda eşit şekilde dağılmış çukurlar gözlenir. Bu, makroskobik kırılma bölgesindeki geniş kesme dudağıyla eşleşir ve saplamanın mukavemeti ve plastisitesinin makul koordinasyonunu doğrular.

3. Kırılma yüzeyinin tamamında geniş alanlı bölünme kırılma morfolojisi bulunmaz. Yerel bölgelerde çukurlarla dönüşümlü olarak yalnızca küçük miktarda yarı yarık özellikleri ortaya çıkıyor. Bu, malzemenin düşük kırılganlığa ve optimum güç ve tokluk uyumuna sahip olduğunu gösterir.

Mikroskobik Sonuç: Orijinal yüzeyidamızlıkYüksek yüzey pürüzlülüğüne sahip tornalama takım izlerini korur ve zayıf gerilim yoğunlaşma alanları oluşturur. Ekipmanın çalışması sırasında saplama sürekli alternatif teğetsel bükülme gerilimine dayanır ve yüzeydeki takım işaretleri tekrarlanan sürtünmeyle pürüzsüz bir yay yüzeyi halinde parlatılır. Uzun vadeli yüksek frekanslı karşılıklı bükülme, çarpışma ve sürtünme altında mikro çatlaklar tercihen pürüzlü yüzey kusurlarında başlar ve yorulma kaynakları oluşturur. Alternatif yüklerin sürekli etkisi ile çatlaklar yavaş yavaş yayılır ve sonunda yüksek çevrimli eğilme yorulma kırılmasına yol açar. Makroskopik ve mikroskobik morfolojik özellikler oldukça tutarlı olup, ani kırılmanın birikmiş bükülme yorulma hasarından kaynaklandığını kanıtlamaktadır.

4. Yerinde İnceleme ve Çalışma Durumu Analizi

Gerçek arızalı çalışma koşullarını eski haline getirmek için rüzgar türbini sahasında iki adet yerinde inceleme gerçekleştirildi. Arıza koşullarını açıklığa kavuşturmak için ekipmanın çalışma süresi, montaj süreci, kurulum konumu, kırılma morfolojisi ve bakım kayıtları dahil ilgili bilgiler doğrulandı.

Otuzdan fazla 1,5 MW rüzgar türbini üç yılı aşkın bir süredir faaliyettedir ve yalnızca bir saplama cıvatası kırılmıştır, bu da bireysel bir arıza durumudur. Yerinde inceleme, kırık saplamanın konumsal sapmayla takıldığını gösteriyor. Şaftın bir tarafı dişli deliği uç yüzüne herhangi bir boşluk olmadan sıkı bir şekilde otururken, diğer tarafı geniş bir montaj açıklığına sahipti. Kurulum sapması, saplamanın türbin çalışmasıyla sürekli olarak bükülmesine ve ileri geri hareket etmesine neden oldu, bu da uzun vadeli alternatif yanal yükler oluşturdu ve potansiyel yorulma arızası risklerini tetikledi.

Saplamanın sıkı oturan tarafının boşluksuz olması ve aletlere erişilememesi, bu konumun son derece yüksek döngüsel teğetsel gerilime dayandığını ve daha sonraki sökme işlemlerinde büyük zorluklara neden olduğunu kanıtlıyordu. Sürekli eksenel dikey alternatif gerilim altında, saplamanın delik duvarına uyan tarafı, dişli deliği ile tekrarlanan bükülme, darbe ve sürtünmeye maruz kaldı. Orijinal dönüş işaretleri tamamen aşınmış ve belirgin sürtünme özelliklerine sahip ayna benzeri pürüzsüz bir kavisli yüzey oluşturmuştur.

Rüzgar türbini günde 15 saat boyunca 17 dev/dak dönüş hızında çalışarak günde yaklaşık 15.300 çevrim üretiyor. Toplam çalışma çevrimleri yarım yılda 2,8×10⁶'ye, üç buçuk yılda ise 2,0×10⁷'ye ulaşır. Saplama, tipik düşük stresli, yüksek çevrimli yorulma çalışma koşullarına ait, düşük stres genliği ve düşük genel stres seviyesi ile yaklaşık 4 mm'lik küçük bir genlik dahilinde salınır. Kırılma, cıvata eğilme yorulma kırılmasının tipik bir durumu olan, alternatif yanal yükler altında uzun süreli birikmiş bükülme yorulmasından kaynaklanır.

5. Kapsamlı Özet

1. Saplamanın arıza modunun aşırı yük kırılması, kırılgan kırılma veya malzeme kusurlarından kaynaklanan kırılma yerine bükülme yorulma kırılması olduğu doğrulanmıştır.

2. Arızanın temel nedeni yanlış montaj işlemidir. Konumsal sapma, saplamanın dişli deliğine tek taraflı sıkı bir şekilde oturmasına neden olur ve bu da sürekli değişen teğetsel bükülme gerilimine neden olur. Yorulma hasarı, yüksek çevrimli ekipmanın çalışması sırasında sürekli olarak birikir ve sonuçta bükülme yorulması kırılmasına neden olur.