Hư hỏng do mỏi là một trong những chế độ hư hỏng phổ biến nhất của các bộ phận cơ khí. Dữ liệu thống kê cho thấy 50% đến 80% các hỏng hóc của bộ phận cơ khí là do hư hỏng do mỏi. Trước khi bị gãy do mỏi, các bộ phận thường không có biểu hiện biến dạng dẻo hoặc dấu hiệu tiền{4}}hư hỏng rõ ràng. Tuy nhiên, hiện tượng gãy do mỏi xảy ra đột ngột và có sức tàn phá lớn, thường dẫn đến sự cố nghiêm trọng về thiết bị và tai nạn an toàn. Thiệt hại do mỏi tuân theo các quy luật khởi đầu và lan truyền cụ thể và cuối cùng phát triển thành gãy mỏi hoàn toàn.
Định nghĩa mệt mỏi: Độ mỏi kim loại đề cập đến sự suy giảm liên tục các tính chất cơ học của vật liệu kim loại dưới tác động tuần hoàn lặp đi lặp lại của ứng suất hoặc biến dạng xen kẽ.
Định nghĩa gãy xương do mỏi: Khi vật liệu kim loại phải chịu ứng suất và biến dạng xen kẽ theo chu kỳ trong thời gian dài, các thay đổi cấu trúc vi mô cục bộ và sự lan truyền liên tục của các khuyết tật bên trong sẽ xảy ra, dẫn đến sự suy giảm các tính chất cơ học và cuối cùng là sự đứt gãy hoàn toàn của các bộ phận. Quá trình phá hủy này được định nghĩa là gãy xương do mỏi. Ứng suất gây ra đứt gãy do mỏi thường thấp hơn nhiều so với giới hạn độ bền tĩnh của vật liệu. Gãy xương do mỏi được đặc trưng bởi sự xuất hiện đột ngột, tính cục bộ cao và độ nhạy cao đối với các khuyết tật bề mặt và bên trong.
1. Phân tích hình thái vĩ mô của bề mặt vết nứt
Đối tượng nghiên cứu của trường hợp này là một bu lông trụ bị gãy sử dụng trong thiết bị tua bin gió. Các đặc điểm hình thái vĩ mô của bề mặt đứt gãy được phân tích như sau:
1. Mặt dưới bên trái và bên phải của bề mặt gãy có hình thái lõm và lồi không đều. Phía bên trái hiển thị một khía lồi lồi hình vòng cung, trong khi phía bên phải có nhiều khía răng cưa nhỏ. Vòng cung dưới cùng của vết nứt tạo thành một lưỡi cắt sắc nét.
2. Khu vực trung tâm rộng lớn của vết nứt đóng vai trò là vùng lan truyền vết nứt, được bao phủ bởi các vết bãi biển rõ rệt, là những đặc điểm vĩ mô điển hình của vết nứt do mỏi.
3. Quan sát thấy dấu vết rỉ sét trên bề mặt đứt gãy của vùng bắt đầu vết nứt và vùng lan truyền vết nứt do tiếp xúc lâu dài với môi trường bên ngoài.
4. Vùng gãy tức thời thể hiện một môi cắt rộng và mịn với bề mặt gãy mịn và sáng, không bị rỉ sét. Điều này cho thấy vết nứt cuối cùng xảy ra nhanh chóng và thuộc loại gãy tức thời dẻo.
5. Thân dưới của đinh tán bị gãy có bề mặt nhẵn và sáng với các dấu vết ma sát rõ ràng, tạo thành một bề mặt vòng cung nhẵn được tạo ra do ma sát lặp đi lặp lại trong thời gian dài.
6. Không tìm thấy hiện tượng thắt cổ hoặc biến dạng rõ ràng ở vị trí gãy, điều này loại trừ khả năng gãy do kéo quá tải.
2. Phân tích cơ chế sai sót vĩ mô
1. Vết nứt bắt đầu ở phía dưới củachốt đinh. Lưỡi cắt nhẵn, các rãnh răng cưa và các khoảng trống hình vòng cung-ở chuôi dưới tạo thành các vùng tập trung ứng suất, là nguồn gây ra vết nứt ban đầu.
2. Đặc điểm vết bãi biển trong vùng lan truyền vết nứt rất nổi bật. Trong giai đoạn lan truyền ban đầu, khoảng cách giữa các vết bãi biển nhỏ, cho thấy vết nứt phát triển ổn định và chậm dưới áp lực tiếp tuyến theo chu kỳ. Trong giai đoạn lan truyền sau này, khoảng cách tăng lên đáng kể, chứng tỏ vết nứt lan truyền nhanh hơn và nguy cơ hư hỏng tăng lên.
3. Môi cắt rộng, mịn và sáng trong vùng đứt gãy tức thời cho thấy các đặc điểm gãy dẻo điển hình, chứng tỏ rằng chốt có độ bền và độ dẻo dai-tương xứng với các đặc tính cơ học toàn diện tuyệt vời.
4. Bề mặt vòng cung nhẵn ở phía đinh tán là hình thái ma sát điển hình. Nó chỉ ra rằng đinh tán đã chịu đựng ứng suất ngang xen kẽ-trong thời gian dài, chuyển động qua lại liên tục trong quá trình vận hành và tạo ra ma sát và đùn nhiều lần với thành lỗ bánh răng, cuối cùng tạo thành một bề mặt nhẵn bóng.
Kết luận vĩ mô: Vết nứt của trụ là một vết nứt do mỏi uốn điển hình. Vùng gãy tức thời thể hiện các đặc tính gãy dẻo thuận lợi mà không có đặc điểm gãy giòn.
3. Phân tích hình thái kính hiển vi
Để làm rõ hơn cơ chế gãy xương, việc phát hiện bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) được thực hiện trên mẫu gãy để quan sát các đặc điểm cấu trúc vi mô của các vùng gãy khác nhau.
1. Quan sát SEM cho thấy các vết mỏi rõ ràng và đều đặn trong vùng lan truyền vết nứt, đây là đặc điểm vi mô cốt lõi của vết nứt do mỏi kim loại và tương ứng tốt với các dấu vết mỏi vĩ mô, xác nhận sự phá hủy do mỏi.
2. Quan sát thấy một số lượng lớn các vết lõm phân bố đồng đều trong ảnh SEM, đây là những biểu hiện vi mô điển hình của độ bền vật liệu tuyệt vời. Điều này phù hợp với môi cắt rộng trong vùng gãy vĩ mô và xác minh sự phối hợp hợp lý giữa độ bền và độ dẻo của đinh tán.
3. Không tìm thấy hình thái vết nứt có diện tích-lớn trên toàn bộ bề mặt vết nứt. Chỉ một lượng nhỏ các đặc điểm gần như phân tách xuất hiện ở các khu vực cục bộ, xen kẽ với các vết lõm. Điều này chỉ ra rằng vật liệu có độ giòn thấp và có độ bền và độ dẻo dai tối ưu.
Kết luận vi mô: Bề mặt ban đầu củađinh tángiữ lại các vết dụng cụ tiện có độ nhám bề mặt cao, hình thành các vùng tập trung ứng suất yếu. Trong quá trình vận hành thiết bị, đinh tán chịu ứng suất uốn tiếp tuyến xen kẽ liên tục và các vết dụng cụ trên bề mặt được đánh bóng thành bề mặt hồ quang nhẵn bằng ma sát lặp đi lặp lại. Trong trường hợp uốn cong, va chạm và ma sát chuyển động qua lại tần số cao-cao-trong thời gian dài, các vết nứt vi mô ưu tiên bắt đầu ở các khuyết tật bề mặt gồ ghề và hình thành các nguồn mỏi. Với tác động liên tục của các tải trọng xen kẽ, các vết nứt lan truyền dần dần và cuối cùng dẫn đến hiện tượng gãy mỏi do uốn theo chu kỳ cao-. Các đặc điểm hình thái vĩ mô và vi mô rất phù hợp, chứng tỏ vết nứt đột ngột là do tổn thương mỏi uốn tích lũy.
4.-Điều tra tại chỗ và Phân tích điều kiện làm việc
Để khôi phục tình trạng hoạt động của sự cố thực tế, hai-cuộc điều tra tại chỗ đã được tiến hành tại địa điểm tuabin gió. Thông tin liên quan bao gồm thời gian vận hành thiết bị, quy trình lắp ráp, vị trí lắp đặt, hình thái vết nứt và hồ sơ bảo trì đã được xác minh để làm rõ các điều kiện hư hỏng.
Hơn ba mươi tuabin gió 1,5 MW đã hoạt động được hơn ba năm và chỉ có một bu-lông trụ bị gãy, đây là trường hợp hỏng hóc riêng lẻ. -Kiểm tra tại chỗ cho thấy đinh tán bị gãy đã được lắp đặt với độ lệch vị trí. Một bên chuôi vừa khít với mặt đầu lỗ bánh răng không có khe hở, trong khi bên còn lại có khe hở lắp ráp lớn. Độ lệch lắp đặt khiến cho trụ bị uốn cong và chuyển động qua lại liên tục khi tuabin hoạt động, tạo ra-tải trọng ngang xen kẽ trong thời gian dài và gây ra nguy cơ hỏng hóc do mỏi tiềm ẩn.
Mặt được gắn chặt của đinh tán không có khe hở và các dụng cụ không thể tiếp cận được, chứng tỏ rằng vị trí này chịu ứng suất tiếp tuyến theo chu kỳ cực kỳ cao và gây khó khăn lớn cho việc tháo gỡ sau này. Dưới ứng suất xen kẽ dọc trục liên tục, mặt của chốt lắp vào thành lỗ bị uốn, va đập và ma sát lặp đi lặp lại với lỗ bánh răng. Các vết rẽ ban đầu đã bị mòn hoàn toàn, tạo thành một bề mặt hình vòng cung nhẵn như gương-với đặc điểm ma sát rõ ràng.
Tua bin gió hoạt động ở tốc độ quay 17 vòng/phút trong 15 giờ mỗi ngày, tạo ra khoảng 15.300 chu kỳ mỗi ngày. Tổng chu kỳ hoạt động đạt 2,8×10⁶ trong vòng nửa năm và 2,0×10⁷ trong vòng ba năm rưỡi. Đinh tán dao động trong một biên độ nhỏ khoảng 4 mm với biên độ ứng suất thấp và mức ứng suất tổng thể thấp, thuộc các điều kiện làm việc chu kỳ mỏi{11}}căng suất cao{12}}thấp điển hình. Vết nứt xảy ra do mỏi do uốn tích lũy lâu dài-dưới tác dụng của tải trọng ngang xen kẽ, đây là trường hợp điển hình của vết nứt do mỏi do uốn bu lông.
5. Tóm tắt toàn diện
1. Chế độ hư hỏng của đinh tán được xác nhận là gãy do mỏi do uốn, chứ không phải là gãy do quá tải, gãy giòn hoặc gãy do khuyết tật vật liệu.
2. Nguyên nhân cốt lõi của sự cố là do quá trình lắp ráp không đúng cách. Độ lệch vị trí dẫn đến sự khớp chặt một bên của chốt với lỗ bánh răng, dẫn đến ứng suất uốn tiếp tuyến xen kẽ kéo dài. Thiệt hại do mỏi tích lũy liên tục trong quá trình vận hành thiết bị có chu kỳ-cao và cuối cùng gây ra hiện tượng gãy do mỏi do uốn.
