Анализ усталостного разрушения вала центробежного насоса

1. Введение

Насосы обычно используются для транспортировки жидкостей, таких как вода, сточные воды, нефть и продукты нефтехимии. Насосы можно разделить на две основные категории, а именно динамические насосы и поршневые насосы. В динамическом насосе, таком как центробежный насос, энергия непрерывно добавляется к перекачиваемой среде, и среда не содержится в заданном объеме. Энергия в поршневом насосе, таком как диафрагменный насос, периодически добавляется к перекачиваемой среде, пока среда содержится в заданном объеме.Насос приводится в движение первичным двигателем, который является двигателем или электродвигателем. Мощность насоса определяется на основе напора (в метрах) и максимальной скорости потока доставки при скорости конкретного вала. Последнее связано с необходимой мощностью первопроходца. Типичные характеристики некоторых насосов приведены в таблице 1.

Параметр	Насос A	Насос B	Насос C	Насос D
Всасывающая головка (м)	33	24	30	32
Объем подачи (м 3 / ч)	32	120	150	9
Двигатель мощность (кВт)	7.5	15	37	2.2
Скорость (об / мин)	2900	1450	1450	2900

Таблица 1.

Типовые характеристики центробежных насосных систем для различных применений.

Основными компонентами центробежного насоса являются узел ротора и корпус. Узел ротора насоса содержит вал, рабочее колесо, втулки, уплотнения, подшипники и полумуфты, как показано на рисунке 1.Спиральный корпус или спираль, окружающая рабочее колесо насоса, служит для сбора жидкости, выходящей из рабочего колеса. Рабочее колесо представляет собой вращающийся набор лопастей, предназначенных для придания вращения массе перекачиваемой среды. Полумуфты соединяют вал ротора с выходным валом двигателя.

Рисунок 1.

Вырезное отверстие центробежного насоса, иллюстрирующее основные компоненты.

Во время работы двигатель или электродвигатель приводит в движение узел ротора насоса.Кинетическая энергия вращения преобразуется в гидродинамическую энергию потока жидкости. Жидкость поступает в насос в осевом направлении через проушину корпуса и попадает в лопатки рабочего колеса. Жидкость набирает скорость и давление при ускорении рабочим колесом. Затем он вращается тангенциально и радиально наружу, пока не пройдет через все окружные части рабочего колеса в диффузорную часть корпуса. Кольцевой диффузор или спиральная часть корпуса замедляют поток и еще больше увеличивают давление.

Вал ротора испытывает как циклическую изгибную нагрузку, так и крутильную нагрузку во время работы насоса. Циклы запуска и остановки также могут вызывать колебания напряжения с высоким средним уровнем напряжения. В этом отношении, часто, классический анализ усталости с высоким циклом рассматривается в безопасной конструкции вала. Анализ напряжений на валу учитывает повышение напряжения из-за различных конструктивных особенностей, в том числе угловых, желобковых, шпоночных и винтовых резьб. Наличие таких конструктивных особенностей в сочетании со сложной нагрузкой требует вычислительной оценки надежности вала с использованием анализа методом конечных элементов.Кроме того, конструкция должна также учитывать динамику ротора (критическую скорость) вала.

2. Анализ отказов и отказов

Опыт показывает, что, несмотря на соблюдение доступных процедур проектирования, по-прежнему сообщается о преждевременном отказе вала ротора во время работы центробежного насоса. Причины такого отказа могут быть классифицированы на основании (а) неправильной конструкции или неправильного применения материалов, (б) неправильной обработки или изготовления и (в) ухудшения обслуживания компонента.Как уже упоминалось ранее, сильное локальное напряжение, обусловленное конструктивными особенностями, может вызвать чрезмерную пластическую деформацию, приводящую к зарождению усталостных трещин. Усталостные трещины могут также возникать из-за врожденных дефектов материала, таких как неметаллические включения и микропороты, а также из-за шероховатости поверхности, вызванной механической обработкой. Износ в процессе эксплуатации проявляется в износе материала, в виде истирания и коррозионного растрескивания под напряжением. Приложенная усталостная нагрузка непрерывно вызывает ухудшение модуля и прочностных свойств материала.Дополнительные факторы, которые могут способствовать раннему выходу из строя вала, включают в себя плохое техническое обслуживание насосного агрегата, а также неправильное обслуживание и ремонт компонента.

После того, как произошло нежелательное событие отказа, требуется оценить степень повреждения компонента и его влияние на общую целостность системы. Анализ сбоев на отказавшем компоненте выполняется для определения основных причин сбоя, поэтому могут быть предприняты соответствующие шаги для предотвращения аналогичного возникновения в будущем.Ход процесса анализа отказов представлен в таблице 2.

Процедуры	Описание	Для вала центробежного ротора
Описание ситуации отказа	Справочная информация и история обслуживания, записи о ненормальной работе.	Частота запуска и остановки, детали выполненных ремонтных работ, срок службы компонентов.
Визуальный осмотр	Проверьте неисправный компонент на наличие явных признаков отказа.	Расположение трещин вдоль вала, пляжные линии как признак усталостного разрушения.
Анализ конструкции механической части	Определите, имеет ли деталь достаточный размер и надежность / срок службы.	Анализ усталости, чтобы продемонстрировать «бесконечный срок службы» вала.
Химический расчетный анализ	Установить соответствие материала по коррозионной стойкости.	Определите химический состав материала вала.
Металлографическое исследование	Чтобы установить такие факты, как правильная термическая обработка детали.	Определите термическую обработку вала с помощью анализа микроструктуры и показателей твердости.
Определите свойства	Определите свойства материала, относящиеся к конструкции.	Сведения о марке сплава см. В технических паспортах материала.
Имитация отказа	Установите отклик компонента при одинаковых нагрузках и граничных условиях.	Конечно-элементное моделирование вала для установления поля напряжений в области разрушения.
Написание отчета	Письменный отчет с подробным описанием результатов анализа и причинами отказа. Могут быть включены рекомендации по предотвращению возникновения аналогичной аварийной ситуации.	Обдумать причины преждевременного выхода из строя вала.

Таблица 2.

Этапы выполнения анализа отказов инженерных компонентов и конструкций.

В этой главе описываются процедуры и этапы выполнения анализа отказов. В качестве иллюстрации приведено тематическое исследование отказа вала ротора центробежного насоса. Адекватное обсуждение соответствующих аспектов анализа на каждом этапе предоставляется. Методология, представленная в этой главе, может быть легко использована и / или расширена при проведении анализа отказов технических компонентов и конструкций.

3. Описание ситуации отказа

Сообщалось, что во время работы вал центробежного насоса, используемого для перекачки смеси углеводородов для доставки конечного нефтепродукта на нефтеперерабатывающий завод, вышел из строя.Отказ привел к возгоранию насоса и работ по переработке труб на нефтеперерабатывающем заводе внутри блока, с общей оценкой потерь в 48 000 долларов США. За последние 12 часов до окончательного разрушения вала было запланировано в общей сложности 12 операций пуска и останова центробежного насоса.

Центробежный насос был установлен и введен в эксплуатацию около 30 лет назад. Произведено три основных ремонта насоса, связанных с утечкой из уплотнения. На резьбовой части вала было установлено механическое уплотнение с предварительным натягом, соответствующим 25–30% предела текучести материала.Тем не менее, не было зарегистрировано аномалий на валу.

Типичный рабочий цикл центробежного насоса состоит из запуска и работы насоса с номинальной частотой вращения ротора 2975 об / мин в течение 14 часов с интервалом полного выключения 2 часа. Насос работает от 5 до 7 дней в неделю в течение всего года.

Общий вид вышедшего из строя центробежного насоса показан на рисунке 2. Ведущая сторона сломанного вала ротора была удалена, а втулка осталась на месте.

Рисунок 2.

Сценарий отказа центробежного насоса, показывающий сломанный вал ротора.

4. Визуальный осмотр сломанного вала

Упрощенная геометрия вала ротора вместе с основными размерами показана на рисунке 3. Приводной конец вала соединен с валом двигателя с помощью муфты. Расстояние между опорами подшипника составляет 982 мм. Средняя часть ступенчатого вала с наибольшим диаметром 65 мм несет крыльчатку, которая установлена ​​на месте с помощью ключа.Ключевой способ имеет размеры 9 мм по радиусу, длину × ширину 60 × 18 мм, ^{, 2} и глубину 9 мм. Оба конца этой секции имеют резьбу M65 × 1,5 для установки механических уплотнений (только критическая резьбовая часть, расположенная с правой стороны секции). Вал разрушен в сечении через первую резьбу на стороне привода, как показано на фиг.3. Плоскость разрушения ориентирована по нормали вдоль продольной оси (ось z) вала.

Рисунок 3.

Упрощенная геометрия вала ротора, указывающая место разрушения.

При ближайшем визуальном осмотре разрушенной поверхности выявляется морфология, как показано на рисунке 4 (а). Большая часть поверхности была сплющена и смазана, возможно, из-за многократного шлифования поверхности разрушения сопрягаемой части, в то время как двигатель работает после полного разрушения. Таким образом, детали особенности разрушения не могли быть легко извлечены из фрактографа.Тем не менее, следы пляжных отметок, указывающих на усталость, очевидны.

Рисунок 4.

(а) Морфология поверхности разрушения с указанием линий усталости, (б) ориентация плоскости разрушения перпендикулярно продольной оси вала.

Стоит отметить, что плоскость разрушения ориентирована почти перпендикулярно продольной плоскости вала, как показано на рисунке 4 (б). Такая ориентация плоскости усталостного разрушения указывает на распространение трещины I-типа (раскрытие) при индуцированной изгибной усталостной нагрузке.

5. Химический расчетный анализ

Химический расчетный анализ проводится для установления соответствия вышедшего из строя материала вала спецификации материалов изготовителя. Запись производителя показывает, что поврежденный вал ротора был изготовлен из стали AISI 4140 HT. В этом отношении химический состав материала вала определяется с помощью спектрометра Glow-Discharge (GDS). Полученный химический состав (в мас.%) Суммирован в таблице 3, остальное составляет Fe .Другие элементы, обнаруженные в сплаве, перечислены в Таблице А1 Приложения. Номинальный диапазон состава для каждого элемента стали AISI 4140 также указан для сравнительных целей [1]. Следует отметить, что вышедший из строя стальной вал Cr-Mo содержит немного более высокое содержание углерода, в пределах диапазона для стали AISI 4150. Медь также обнаруживается в поврежденном материале вала.

Elem.	C	Mn	Cr	Mo	Si	Cu	Fe
Cr-Mo стальной вал	0.502	0,722	1,08	0,228	0,187	0,23	Бал.
AISI 4140	0,38–0,43	0,75–1,00	0,80–1,10	0,15–0,25	0,15–0,30	—	Бал.
AISI 4150	0,48–0,53	0,75–1,00	0,80–1,10	0,15–0,25	0,15–0,30	—	Бал.

Таблица 3.

Элементный состав стального вала Cr-Mo (мас.%) И эталонной стали.

Микроструктуры стали при двух различных увеличениях показаны на рисунке 5. Темные и светлые фазы представляют собой отпущенный и не отпущенный мартенсит, соответственно, с игольчатой ​​или игольчатой ​​структурой.

Рисунок 5.

Микроструктуры материала вала, показывающие матрицу мартенсита.

Измерения твердости были проведены на поврежденном образце стального вала, в месте вблизи трещиноватого участка.Среднее значение показаний твердости по Виккерсу, измеренное по всему сечению вала, составляет 327,4 HV со стандартным отклонением 22,3 HV. Соответствующее значение твердости по шкале Бринелля и Роквелла C составляет 311 HB и 33 Rc соответственно. На основании наблюдаемых микроструктур и показателей твердости делается вывод о том, что материал вала, вероятно, был AISI 4150, закаленный в масле, отпущенный при температуре 595 ^° ° C. Однако присутствие Cu могло бы улучшить ударную вязкость сплава за счет более низких растяжимых свойств.

6. Механический расчет конструкции

Механический анализ конструкции выполняется для проверки соответствия конструкции расчетному пределу текучести и усталостному разрушению материала вала. Анализы состоят из расчетов напряжений, особенно на наблюдаемом участке трещины вала ротора. Критические напряженные состояния затем сравниваются с соответствующими прочностями материала вала, чтобы установить возможные причины отказа. В связи с этим уровни напряжения в валу ротора, возникающие в результате трех различных нагрузок, рассматриваются следующим образом:

1. Напряжения во время работы насоса при номинальной нагрузке.Такие напряжения могут привести к усталостному разрушению вала с большим циклом. Колеблющаяся нагрузка состоит из

   • с постоянным крутящим моментом Т = 834,7 Нм при передаче мощности 260 кВт при 2975 об / мин от электродвигателя к валу ротора.

   • циклическое изгибное напряжение, вызванное массой вала, которое предполагается равномерно распределенным по длине вала между опорами подшипника ( w = 0,12 Н / мм). Вес крыльчатки создает сосредоточенную поперечную силу 392.4 N.

2. Напряжения во время переходного процесса пуска и останова: пиковый крутящий момент в каждом цикле запуска в три раза больше, чем при номинальной рабочей скорости. Такой высокий крутящий момент обусловлен эффектом инерции вала ротора и массивного рабочего колеса.

3. Дополнительные напряжения из-за предварительной загрузки контргайки для механического уплотнения: Резьбовая область, где наблюдался разрыв, была снабжена контргайкой, которая удерживает уплотнение на месте.Предварительная нагрузка вносит относительно высокое среднее напряжение в существующий компонент переменного напряжения. Кроме того, геометрия нити наследует концентрацию напряжений в корневой области.

Последовательность крутильных нагрузок, испытываемых узлом ротора во время типичного цикла нагрузки, показана на рисунке 6. Он состоит из короткого процесса запуска, который создает в три раза большую пиковую крутильную нагрузку, чем номинальный уровень нагрузки, и 14- ч работа при номинальной нагрузке. Затем следует полное отключение на 2-часовой интервал.На основании служебной записи о том, что сборка ротора была недавно сбалансирована, исключен вклад в отказ из-за потенциально высокого динамического дисбаланса нагрузки. Роторный узел находился в эксплуатации 30 лет и 3 месяца на момент разрушения. Это соответствует в общей сложности 16 500 циклам пуска и останова, которые претерпела система центробежных насосов.

Рисунок 6.

Последовательность крутильных нагрузок, испытываемых неисправным валом ротора.

6.1. Свойства материала

Необходимый набор механических свойств стали Cr-Mo для использования в анализе напряжений получен из опубликованной литературы [2, 3].Свойства основаны на данных для AISI 4140, закаленных в масле и отпущенных при температуре от 650 ° C до 285 HB. Прочность на растяжение ( SU ) и предел текучести ( SY ) материала составляют 758 и 655 МПа соответственно. Циклический предел текучести SY ‘оценивается в 458 МПа.

Предел выносливости ( S ‘ e ), как сообщается, составляет 420 МПа при 10 ⁷ циклов. Поскольку указанный предел усталости часто устанавливается с использованием гладких образцов, его следует скорректировать с учетом состояния поверхности в месте разрушения и большого диаметра вала ротора относительно образцов для испытаний на усталость.Поверхность трещиноватой резьбовой области была обработана машинным способом, и, таким образом, коэффициент изменения предела усталости ka = 0,72 (см. Рисунок A1a в Приложении). Рассмотрим размерный эффект, основанный на диаметре корня вала с резьбой M65 × 1,5, соответствующем коэффициенту изменения предела усталости, кб, = 0,795, как определено на рисунке A1b Приложения.

Скорректированный предел усталости ( Se ) затем оценивается как

Se = kakbSe ′ = 0.720.795420 = 240MPaE1

Геометрия корня нити индуцирует локальный градиент напряжения.Такой эффект концентрации напряжений количественно определяют с использованием коэффициента концентрации усталостных напряжений Kf . Это объясняет чувствительность геометрии с надрезом к усталостным нагрузкам. Он определяется как отношение пределов выносливости образцов без надрезов к образцам с надрезом. В этом анализе Kf рассматривается как фактор, который увеличивает напряжение вместо уменьшения предела усталости материала. На основании опубликованных данных для стальных резьбовых элементов с закаленными и нарезанными резьбами значение Kf принимается равным 3.8 (см. Таблицу А2 приложения).

6.2. Анализ усталости вала при номинальной насосной нагрузке

Анализ напряжений выполняется для критического участка вала, где наблюдается разрушение. Поэтому расчеты основаны на меньшем диаметре резьбовой части для M65 × 1,5, d, = 63,16 мм [4]. Расчетный изгибающий момент в критическом сечении составляет MC = 102,5 кН · мм, а соответствующее номинальное напряжение составляет 4,14 МПа. Во вращающемся валу это напряжение представляет амплитуду циклов напряжения.Эта амплитуда напряжения дополнительно усиливается концентрацией усталостных напряжений ( Kf = 3,8 ), как обсуждалось ранее, для получения амплитуды локального рабочего напряжения σa = 15,75 МПа.

Постоянная величина напряжения сдвига 16,87 МПа усиливается геометрической концентрацией напряжений, связанной с корнем надреза резьбы, с Кц, = 2,0 (см. Рис. А2). Это приводит к среднему напряжению сдвига, тм = 33,74 МПа.

Поскольку величина как амплитуды нормального напряжения, σa , так и среднего напряжения сдвига, τm , невелики относительно скорректированного предела усталости материала вала, Se , из-за отказа вала ротора до номинальной номинальной нагрузки исключается.Фактически, это было продемонстрировано накопленным усталостным ресурсом ротора при более чем 4 × 10 ¹⁰ циклов за 30 лет эксплуатации.

6.3. Анализ усталости из-за операций пуска и останова

Рабочие циклы насоса состоят из переходных операций пуска и останова, как показано на рисунке 6. Процедура запуска дает в три раза более высокий пиковый крутящий момент ( 3T = 2504 Нм) к валу из-за эффекта инерции узла ротора. Это соответствует максимальному напряжению сдвига 101.22 МПа. Таким образом, переходные циклы запуска и остановки вызывают переменное напряжение сдвига, τ _{xy , a} = 50,61 МПа и среднюю составляющую напряжения сдвига, τ _{xy , м} = 50,61 МПа. Амплитуда напряжения изгиба, возникающая из-за собственного веса вала и рабочего колеса, остается на уровне σa, = 15,75 МПа.

Эквивалентную флуктуирующую нагрузку, с точки зрения компонентов нормального напряжения, для комбинированной нагрузки флуктуирующего сдвига и нормальных напряжений можно определить с использованием теории энергии искажения [5].Среднее значение σm ′ и амплитуда σa ′ напряжения фон Мизеса определяются соответственно как

σm ′ = σx, m2 + 3τxy, m2 = 350.612 = 87.7MPaE2aσa ′ = σx, a2 + 3τxy, a2 = 15.752 + 350.612 = 89.1MPaE2b

Возможность усталостного отказа из-за переходных циклов пуска и останова может быть затем исследована с использованием модифицированного критерия отказа Гудмана. Усталостное разрушение может произойти, когда значение критерия достигнет единицы:

σa′Se + σm′SU = 89.1240 + 87.7758 = 0.49E3

Рабочее условие локализованного напряжения, связанное с циклами пуска и останова, отображается в виде точки A на диаграмме усталости, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7.

Диаграмма усталостного ресурса, иллюстрирующая модифицированную линию отказов Goodman и условия рабочего напряжения.

Поскольку значение измененного критерия Гудмана достигает только 0,49, накопленный цикл запуска и остановки вряд ли вызовет наблюдаемое усталостное разрушение. Кроме того, сборка ротора завершила всего около 16 500 циклов пуска и останова до события разрушения.

Затем постулируется, что локализованные напряжения в разрушенном участке должны быть выше, чем рассчитанные ранее.Этому могло бы способствовать затягивание узла механического уплотнения. Такая предварительная нагрузка муфты для механического уплотнения вызывает среднюю составляющую нормального напряжения в дополнение к существующему переменному напряжению в критическом месте расположения корня резьбы. Этот постулат рассматривается в следующем разделе.

6.4. Вклад предварительной нагрузки в локальные напряжения в резьбовой области

Растягивающее усилие, оказываемое резьбовым валом Fb, от натяжения муфты для механического уплотнения, можно выразить в виде суммы начальной силы натяжения, Fi , и часть приложенного извне усилия (изгиб), F ​​ _{ext ,} as [6]

Термин kbkb + kc представляет эффективную жесткость резьбового вала и зажимной втулки механического уплотнения.Коэффициент эффективной жесткости пропорционален «эффективной» секции вала и зоне зажима, C = AbAb + Ac. Внешняя сила представляет собой вызванный изгиб под действием собственного веса ротора в сборе. Сопротивление нормальному напряжению в резьбовом валу, σb = FbAt, может быть затем выражено как

σb = Ktσi + AbAb + AcσbendingE5

Это напряжение способствует средней составляющей нормального напряжения в критической корневой области резьбового вала. Принимая геометрический коэффициент концентрации напряжений для нарезанной резьбы, Kt = 3.0, и оценка эффективного сечения резьбового вала, C = 0,33, среднее напряжение σ _{x , м} составляет

σx, m = σb = 3,0σi + 0,3315,75E6

Чувствительность Начальная сила затяжки ( Fi = σiAt ) на результирующий срок службы усталости проверяется с помощью формул. (2a), (2b), (3) и (6). Допустимая начальная сила — это величина, чтобы вызвать напряжение до предела прочности материала вала, Sp = 0.9 SY = 589,5 МПа. Результаты моделирования показывают, что первоначальная предварительная нагрузка резьбового соединения до 0,25 SY привела бы к эквивалентным флуктуирующим напряжениям фон Мизеса с σm ′ = 499,1 МПа, в то время как переменный компонент остается на уровне σa ′ = 89,1 МПа. Это напряженное состояние обозначено точкой B, как показано на рисунке 8. Соответствующее измененное значение критерия Гудмана, равное 1,03, предполагает состояние усталостного разрушения при 10 ⁷ циклов пуска и останова. Тем не менее, мы помним, что накопленные циклы запуска и остановки при отказе составляют около 16 500 циклов.

Рисунок 8.

Диаграмма усталостного ресурса, иллюстрирующая возможные напряженные условия с преднагрузкой при 0,25SY; усталостное разрушение (точка B) и текучесть (точка C).

Усталостная прочность материала вала, соответствующая наблюдаемому конечному сроку службы Nf = 16 500 циклов, оценивается на основе уравнения Баскина в SNf = 499 МПа. Поскольку эта усталостная прочность больше, чем циклический предел текучести материала, наблюдаемое разрушение, вероятно, определяется локальной пластичностью.Это напряженное состояние представлено точкой C на рисунке 8.

Сделан вывод о том, что усталостная трещина возникла в локализованной пластической зоне в резьбовой корневой области вала. Относительно высокая составляющая среднего напряжения вызвана предварительной нагрузкой резьбовой втулки. При длительной усталостной нагрузке трещина проходит через поперечное сечение вала, что приводит к преждевременному усталостному разрушению вала ротора.

7. Заключительные замечания

Многочисленные компоненты машины, включая вал ротора центробежного насоса, являются несущими конструкциями.Поскольку вал испытывает колеблющуюся нагрузку, усталость является распространенным источником отказа. Свидетельство усталостного разрушения часто прослеживается по видимым пляжным линиям на разрушенной поверхности. Тем не менее, причина отказа должна быть продемонстрирована с помощью анализа механики деформации, включая расчеты напряжений. К сожалению, столь необходимый набор механических свойств материала для точного анализа часто недоступен, поэтому интеллектуальная оценка неизбежна.

Классический анализ усталости, как показано в этой главе, основан на нагрузке с постоянной амплитудой.Влияние переходных циклов пуска и останова на результирующий срок службы вала ротора не так легко объяснить. Однако в каждом анализе, включающем номинальные циклы нагрузки и циклы пуска и останова, преждевременная усталость при высоких циклах является маловероятной причиной отказа.

Собственное постоянное усталостное ухудшение прочностных свойств не учитывается при анализе прочности материалов, часто выполняемом для исследования разрушения. Однако этот анализ классической механики в большинстве случаев является адекватным для установления причины отказа.Более точное, но в то же время сложное прогнозирование отказов, основанное на механике повреждений, выходит за рамки этой главы.

См. Таблицы A1, A2 и рисунки A1 и A2.

	FE (%)	C (%)	Mn (%)	P (%)	S (%)	Si (%)	Cu2 (%)	Ni2 (%)	Cr2 (%)	V (%)	Мо (%)	Ti (%)
Ожог 1	96 ,8	0.509	0,72	0,0137	0,0247	0,188	0,288	0,0619	1,08	0,0079	0,225	0,0116
ожог 2	96,9	0,0123	0,7 0 900 900 900 0,7 0 900 8		0,0135	0,0247	0,187	0,205	0,0614	1,08	0,00777	0,226	0,011
Запись 3	96.9	0,497	0,722	0,0134	0,0247	0,186	0,197	0,0614	1,08	0,00758	0,226	0,0109
AVG	96,8	0,012 900,8	0,7002	0,7002	0,7002	0,7002	0,0135	0,0247	0,187	0,23	0,0616	1,08	0,00775	0,226	0,0112

0,988

	Al (%)	Nb (%)	Zr (%)	B2 (%)	B (%)	Sb (%)	Co (%)	Sn (%)	Sn2 (%)	Pb (%)
Ожог 1	0.0298	0,00326	0,0112	0,000769	0,000787	0,00696	0,0183	0,0149	0,0115	0,00503
Сжигание 2	0,03	0,002 900	0,013	0,018	0,018	0,018	0,018	0,018	0,018	0,018	0,018	0,018	0,018	0,018		0,00529	0,0182	0,0133	0,0105	0,00418
Ожог 3	0,0301	0,00163	0.0097	0.000691	0.000729	0,0053	0,0175	0,0118	0,00949	0,00424
AVG	0,03	0,00241	0,017	0 070728	0 000728	0 000728	0 000728	0 000728	0 000728	0 000728	0,0133	0,0105	0,00449

Таблица A1.

Химический состав стали Cr-Mo по данным анализа GDS.

Твердость	Марка SAE (унифицированная тыс.)	Класс SAE (ISO thds.)	K f тыс. Прокат.	K f сокращ.
ниже 200 Bhn (отожженный)	2 и ниже	5,8 и ниже	2,2	2,8
выше 200 Bhn (закаленный)	4 и выше	8,8 и выше	3,0	3,8

Таблица A2.

Коэффициенты концентрации усталостных напряжений для стальных резьбовых элементов [6].

Рисунок А1.

Предельные модифицирующие факторы выносливости, используемые для стального вала [5]. (a) Коэффициенты изменения качества поверхности, (b) Влияние размера образца на предел выносливости при обращенном изгибе и кручении.

Рисунок A2.

Диаграмма коэффициента концентрации геометрического напряжения [5].

Анализ отказов машинных валов

По мере того, как индустриальная арена становится все более сложной, создается впечатление, что операции сталкиваются с все меньшим количеством поломок машин. Однако, когда шахты ломаются, теории подозреваемых в совершении преступления почти всегда столько же, сколько вовлеченных людей.

Рис. 1 Вид отказа из-за перегрузки зависит от того, является ли материал вала хрупким или пластичным. Анализ поломок вала, независимо от того, связан ли он с двигателями, насосами или любыми другими типами промышленного оборудования, часто неверно понимается, часто воспринимается как сложный и дорогостоящий.Однако для большинства машинных валов анализ должен быть относительно простым. Это происходит потому, что отказ обычно дает четкую информацию о типе и величине сил на валу и направлении, в котором они действовали: неисправные детали точно скажут, что произошло.

Существует только четыре основных механизма отказа: коррозия, износ, перегрузка и усталость. Первые два — коррозия и износ — почти никогда не вызывают сбои вала машины и в редких случаях оставляют явные доказательства.Из двух других механизмов усталость встречается чаще, чем перегрузка. (ПРИМЕЧАНИЕ. Имейте в виду, что во многих случаях коррозия будет действовать в сочетании с усталостной нагрузкой, вызывая отказ вала.) В этой статье основное внимание будет уделено отказам, вызванным перегрузкой и усталостными факторами.

Отказы от перегрузки
Отказы от перегрузки вызваны силами, которые превышают предел текучести или предел прочности материала. Как показано на рис. 1, возникновение отказа при перегрузке зависит от того, является ли материал вала хрупким или пластичным.

Никакие материалы вала не являются абсолютно хрупкими или абсолютно пластичными. Валы, используемые почти на всех двигателях, редукторах и вентиляторах, изготовлены из низко- или среднеуглеродистой стали и относительно пластичны. В результате, когда эти материалы подвергаются чрезмерной перегрузке, они перекручиваются и деформируются. Изогнутый вал, показанный на фото 1, сильно перегружен напряжением при кручении.

Важное примечание: Когда применялась сила отказа?

При диагностике того, какой механизм вызвал сбой, важно помнить, что сбои перегрузки, как правило, вызваны одним приложением нагрузки, в то время как сбои усталости всегда являются результатом нагрузки, приложенной многократно в течение многих циклов.Это означает, что если вал вышел из строя в результате перегрузки, то сила, которая вызвала сбой, была применена за мгновение до поломки вала. И наоборот, если бы виновником была усталость, начальная сила могла быть применена за миллионы циклов до того, как произошел окончательный отказ.

Бывают случаи, когда ковкий стержень выходит из строя несколько хрупким образом. На фото 2 показан пример этой ситуации — , то есть то, что произошло, когда двигатель мощностью 200 л.с., 3600 об / мин внезапно перестал работать на .Результатом стало огромное скручивающее напряжение и треснувший вал. Но поскольку материал пластичен, угол трещины у него не находится в положении 45 °, показанном на рис. 1, и наблюдается явное искажение шпоночного паза. Когда пластичные материалы перегружаются очень быстро, они имеют тенденцию действовать хрупким образом.

К счастью, хрупкие разрушения валов машин встречаются крайне редко. Как и все хрупкие трещины, они характеризуются относительно равномерной шероховатостью поверхности — трещина движется с постоянной скоростью, и признаки поверхности, называемые «шевронными метками», очевидны. Фото 3 показывает хрупкое разрушение входного вала большого редуктора, который упал. «Шевронные метки» — это мелкая рябь на поверхности, которая все указывает налево от шпоночного паза.

Иногда часть машинного вала подвергается закалке для снижения скорости износа. (ПРИМЕЧАНИЕ. Упрочнение корпуса обычно выполняется исключительно в целях износостойкости.) На фото 4 показан закаленный шлицевый участок вала гидравлического насоса, включая его упрочненный корпус, кольцо по окружности с текстурой, отличающейся от текстуры большинства. вала и «шевронные метки», указывающие на источник повреждения.Исходя из того, как этот разрыв рос прямо на валу, причина могла быть связана с изгибом или растяжением. Однако его относительно однородная поверхность будет указывать на то, что этот разрыв имеет хрупкую природу — , что также означает, что он был вызван приложением единственной силы . Кроме того, поскольку невозможно создать значительное натяжение сплайна, аналитик может с уверенностью сказать, что одна изгибающая сила вызвала сбой.

Усталостные разрушения
Усталость вызвана циклическими напряжениями, а силы, вызывающие усталостные разрушения, существенно меньше, чем те, которые могут вызвать пластическую деформацию.Еще более запутывает ситуацию тот факт, что коррозия снижает усталостную прочность материала. Степень снижения зависит как от степени коррозии, так и от количества циклов напряжения.

Как только они видны невооруженным глазом, трещины всегда растут перпендикулярно плоскости максимального напряжения. На рисунке 2 показаны плоскости разрушения, вызванные четырьмя общими силами усталости. Поскольку свойства сечения будут меняться по мере роста трещины, для аналитика важно внимательно посмотреть на точку, где провал начинает определять направление сил.Например, хотя торсионные усталостные силы обычно инициируют разрушение, большая часть распространения трещины может быть натянута. Это потому, что вал был ослаблен и крутильная резонансная частота изменилась.

Состояние или шероховатость поверхности разрушения является одним из наиболее важных моментов, на которые следует обратить внимание при анализе отказа из-за разницы между отказами по перегрузке и усталостными отказами. С отказами по перегрузке — , потому что трещина движется с постоянной скоростью — поверхность является равномерно шероховатой.Однако трещины, вызванные усталостью, проходят через поверхность трещины с постоянно растущими скоростями. В результате типичная поверхность усталостного разрушения является относительно гладкой вблизи начала (ей) и заканчивается сравнительно грубым окончательным разрушением.

Типичное усталостное разрушение при изгибе на плоскости показано на рис. 3. Трещина началась в начале координат и медленно росла в зоне усталости (FZ). Когда она достигла границы Мгновенной зоны (ИЗ), скорость роста трещины сильно возросла, и трещина прошла через ИЗ со скоростью примерно 8000 фут / сек.В течение периода роста по всей FZ, могут быть изменения в нагрузке на валу, что приводит к изменениям на поверхности, которые отображаются в виде меток прогрессии.

Вращательные нагрузки или изгиб плоскости…
Для возникновения усталостного разрушения эти силы должны были прикладываться много раз. Есть сбои с низким циклом, но большинство промышленных усталостных отказов, которые мы видели, включают более 1 000 000 циклов нагрузки. Ценной особенностью интерпретации усталостного разрушения является то, что рост трещины, т.е.внешний вид поверхности говорит о том, как была применена нагрузка. Если трещина растет прямо через вал (как показано на рис. 3), сила, которая вызвала отказ, должна была быть изгибающей нагрузкой, действующей в одной плоскости.

Однако на рисунках 4 и 5 показаны примеры вращательного изгиба. Разница между этими двумя отказами состоит в том, что вал на рис. 4 имеет единственное начало, а трещина на рис. 5 имеет множественное происхождение. Глядя на два эскиза, мы видим ИЗ рис.4 является большим из двух — , что указывает на то, что нагрузка на вал, когда он вышел из строя, была больше, чем на рис. 5. Анализ также показывает, что, хотя рис. 5 был менее нагружен, он имел гораздо больше истоки разрушения — признак высокой концентрации напряжений, например, ступенька вала с очень маленьким радиусом. Метки с храповым механизмом представляют собой плоскости между соседними источниками трещин и растут перпендикулярно распространению трещин.

Некоторые примеры диагностики усталости плоскости и вращения при изгибе показаны на фотографиях 5 и 6 .

На фото 5 показан вал двигателя мощностью 200 л.с., 1180 об / мин, который вышел из строя менее чем за сутки. Отсутствие признаков прогрессии означает, что усталостная нагрузка была постоянной. Мгновенная зона относительно велика, что свидетельствует о большой нагрузке на вал. Трещины начались во многих местах вокруг вала, указывая на вращающийся изгиб в качестве причины. Так много меток трещотки, сконцентрированных в верхней и нижней части фотографии, заставляют нас подозревать, что вал может быть не прямымОсмотр, однако, показал бы, что основная причина была связана с ременной передачей.
Фактически, шкивы были изношены настолько сильно, что ремни катались по дну канавок. Эта ситуация примерно удвоила напряжение изгиба вала.

Приводной вал на Фото 6 находился на лифте сталелитейного завода. Поверхность самой гладкой поверхности у основания шпоночного паза становилась все более шероховатой по мере роста трещины на валу. Многочисленные следы прогрессирования, окружающие крошечный IZ, и изменение состояния поверхности на расстоянии около 40% пути по шахте от IZ указывают на то, что что-то изменилось во время роста трещины или что лифт не использовался в течение длительного периода.Эти особенности указывают на медленно растущий отказ — и тот факт, что фреттинг-коррозия, возможно, значительно снизила усталостную прочность.

Крутильные усталостные отказы…
До появления приводов с регулируемой скоростью (VSD), крутильные усталостные отказы были редки: дизайнеры оборудования могли предвидеть рабочие скорости и частоты возбуждения и инженеров вокруг них. Назначение VSD — разрешить работу на широком диапазоне скоростей.Это, к сожалению, привело к многочисленным поломкам двигателей и приводных валов из-за факторов усталости при кручении. В то время как наиболее распространенные крутильные усталостные трещины начинаются в остром углу (концентрация напряжений) в нижней части шпоночного паза, когда муфты плохо установлены, другой распространенный вид — это диагональная трещина вала (как показано на рисунке 2).

На фото 7 показан потрескавшийся конец вала двигателя с ужасной (слабой) посадкой муфты, которая позволяет втулке многократно толкать ключ к боковой поверхности шпоночного паза до появления усталостной трещины.(Нередко встречаются случаи, когда трещина полностью распространяется вокруг вала, оставляя на валу только заглушку.)

Фото 8 показывает обе половины усталостного разрушения вала вентилятора на установке, которая недавно была заменена на VSD. Угол в 45 ° к центральной оси — верный признак скручивающих напряжений, а изменение шероховатости поверхности поперек вала указывает на то, что причиной были усталостные силы.

Напряжение усталости при кручении часто остается незамеченным (пока не слишком поздно), потому что персонал не понимает, на что он смотрит.Например, оба вала насоса, показанные на Фото 9
, вышли из строя из-за усталости при кручении, усугубленной снижением прочности, вызванной коррозией. Кто-то может взглянуть на поверхность перелома вала справа и подумать, что это произошло из-за вращательного изгиба. Более тщательное изучение многих меток трещотки показывает, что они находятся под углом 45 ° к центральной линии вала — , что является положительным признаком усталостных напряжений при кручении с многочисленными источниками . (Обратите внимание, что метки храповика, показанные на фото 5, имеют прямые стороны, что указывает на то, что они были вызваны изгибающими силами.)

Предостережение о толковании улик
Хотя самая старая часть усталостного разрушения обычно имеет самую гладкую поверхность — , по крайней мере, 98% времени — по-прежнему крайне важно внимательно посмотреть на неисправную часть в области Происхождение: поверхность вала будет описывать силу.

Один из величайших выводов из этой статьи заключается в том, что трещина всегда растет перпендикулярно плоскости максимального напряжения. Много раз мы видели валы, в которых исходной силой было кручение с короткой угловой трещиной, но большая часть распространения трещин была в изгибе — инспекторы-обманщики думали, что изгиб был главной силой -го.Не позволяйте себе быть взятым таким образом. MT

Невилл Сакс — старший инженер-консультант подразделения Sachs Salvaterra & Associates компании Applied Technical Services, Inc., специализирующейся на услугах неразрушающего контроля и технической поддержки для повышения надежности оборудования и оборудования. Электронная почта: [email protected].

,