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1、大型离心风机联轴器螺栓断裂失效分析【摘 要】本文介绍了某发电公司一次风机联轴器螺栓断裂情况，从风机运行方式工频与变频的不同、螺栓材质及力学特性和强度性能等方面对联轴器螺栓失效原因做了全面的分析，得出了螺栓断裂的失效的原因除了本身材质及热处理工艺等原因外，还与风机变频工况下的复杂受力情况有一定的关系，最后给出了预防螺栓断裂失效的有效措施。【关键词】断裂 热处理 疲劳 受力1 断裂情况简介某发电公司的一次风机采用的是沈阳鼓风机厂生产的型号为 G9-26N017F 的双吸单出式离心风机，采用右旋方式、叶片前弯式结构。风机与电机连接采用膜片式联轴器，如图1所示，用16条螺栓连接，每侧8条。联轴器螺栓材
2、质为45#钢，规格为 M30*170。图1 膜片联轴器示意图在2011年3月，发现一次风机联轴器防护罩下方遗落有3个螺栓螺母，检查确认系联轴器的螺栓的紧固螺母。就地观测轴承振动、温度、运行声音等运行参数均无异常。经停运风机之后，检查膜片联轴器两侧的螺栓分别断裂2只和1只。2 断裂原因分析2.1 风机运行方式及螺栓受力分析据了解，该风机从2009年开始投入变频工况运行，风机变频运行中，由于风机转速的频繁变化，无形中增加了对螺栓附加的剪切应力。同时，在实际的变频运行过程中，电机的轴向窜动量也明显增大，造成联轴器的轴向窜动量也增大，可能会造成螺栓轴向受力增加。如图2所示为螺栓受力分析示意图。图2 螺
3、栓受力分析示意图对于风机膜片联轴器而言，在运行工程中联轴器分别受到扭矩、轴线偏斜而引起的弯矩、螺栓与膜片质量不均而引起的离心力和膜片轴向位移引起的弹性推力等。扭矩使螺栓产生剪应力；弯矩使螺栓产生拉伸或压缩应力，且轴每转一周应力循环交变一次；离心力使螺栓产生剪切应力，且随转速而变化；弹性推力使螺栓产生拉伸或压缩应力，联轴器旋转时，连杆端部的周期性的轴向偏移会产生一种频率等于轴的旋转频率、振幅等于角位移乘以螺栓所处的半径的轴向振动应力。众多的使用实践也表明，膜片联轴器的主要失效方式是膜片和螺栓在交变循环和复合应力作用下的疲劳断裂。 同时，螺栓在安装时需要预先拧紧，因此都需要承受静拉伸载荷。除受到轴
4、向预紧拉伸载荷的作用外，通常还会在工作过程中受到附加的轴向拉伸（交变）载荷、横向剪切（交变）载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用，有时还受到冲击载荷的作用。通常情况下，附加的横向交变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂，而在环境介质的作用下轴向拉伸载荷则会引起螺栓的延迟断裂。而通常这种断裂容易在缺口集中部位如杆与头部的过度处或螺纹根部产生。2.2 金属检验分析2.2.1 断口宏观检验分析图2 螺栓断裂部位与断裂螺栓断口宏观形貌图图2所示为断裂螺栓的宏观断口形貌。从图中可以看出，螺栓断裂发生在螺栓光滑部分与螺纹部分的结合部位，断口平齐，断口边缘未发生明显塑性变形，呈现典型的脆性断
5、口特征。在裂纹扩展区可见从裂纹源区始发的放射线状撕裂棱线，断口面与螺栓轴线方向成小角度的倾斜，随着裂纹扩展，螺栓有效截面不断减小而形成最终瞬断区；螺栓外表面无明显氧化皮，表明运行温度不高；螺栓外表面无明显冲击痕迹，且测量时振动在合理范围内，表明并非冲击所致。综上可初步判断该螺栓断裂属于疲劳延迟断裂。2.2.2 化学成分及力学性能分析（一）化学成分分析项目 C Si Mn S P标准值 0.420.50 0.170.37 0.500.80 0.040 0.040试件 0.43 0.27 0.61 0.032 0.017结论 合格 合格 合格 合格 合格（二）力学性能分析项目 抗拉强度 b（MPa
6、） 伸长率 5 %标准值 637 17试件 685 14结论 合格 不合格（三）硬度分析项目 HB 标准（正火态） 标准（调质态）试件 171 187229 220256结论 不合格 从上述的材质化学成分分析、力学性能分析和硬度分析的结果来看，我们能得出如下几个结论：（1）该螺栓经化学成份分析为45#钢，与实际相符。（2）该螺栓的抗拉强度符合45#钢的抗拉强度标准，说明该螺栓强度合格，（3）该螺栓的断口伸长率小于标准值，说明该螺栓塑性较差。（4）该螺栓的材质硬度低于标准值，说明该螺栓硬度不够。2.2.3 金相组织分析通过低倍组织100倍和断裂金相组织100倍微观检查，发现组织内存在有大量的夹杂
7、物，说明材料原始加工存在原始缺陷。从图3可以看到，内壁裂纹内充满氧化物，裂纹尖端沿晶扩展。靠近内壁组织为铁素体碳化物，珠光体形态完全消失，近内壁位置碳化物在晶界聚集长大，呈链状分布，局部形成双境界，可见蠕变孔洞和裂纹，内壁氧化晶界超过5个晶粒，这种不良组织状态是造成零件断裂的根本原因。从上述的金相组织分析中，我们可以看出：螺栓断裂处金相组织为铁素体珠光体+少量魏氏组织+到处可见的夹杂物，且硬度低于标准值，说明该螺栓只是在中扎状态下直接加工而成，未进行正规的正火处理，更未进行调质处理，说明螺栓本身就存在明显的原始加工制造缺陷。图3 螺栓断面金相组织分析A）低倍组织-金相组织：夹杂物（放大倍数10
8、0） ；B）断裂处金相组织-金相组织：铁素体+珠光体+少量魏氏组织+夹杂物（放大倍数200） ；C）断裂处金相组织-金相组织：铁素体+珠光体+少量魏氏组织+夹杂物（放大倍数400） ；D）断裂处金相组织-金相组织：到处可见的明显夹杂物（放大倍数100） 。3 结论通过上述的运行方式及螺栓受力分析、金属检验分析等两个方面的分析，我们可以得出如下的结论：（1）螺栓金属材料的原始缺陷是造成螺栓断裂的根本原因：从分析可知，该螺栓是未经过正规正火处理的45号钢，并且组织内部有许多夹杂物，钢的抗拉强度符合标准，但韧性、塑性较差，抗疲劳性能差，不适合用做联轴器螺栓。同时，螺栓材料金属组织内部存在有大量的夹杂
9、物，这更加剧了螺栓的断裂可能。（2）虽然螺栓外表面无明显氧化皮，无明显外伤痕迹，表明该螺栓运行温度、振动在正常范围内。但是由于螺栓在长期运行过程中，受到来自扭矩、剪切、拉伸、压缩、振动、弯曲等等各种各样的复杂的力的交互作用。在这些交变应力的作用下，加速了螺栓金属组织内部的夹杂物演变为裂纹源，并逐渐扩展，最终导致断裂。（3）从上述对螺栓的受力分析和金相分析，建议在选择螺栓特别是联轴器螺栓时应特别重视材料的综合力学性能，在追求高的强度值和硬度值的同时也要求具有良好的塑性和断裂特性。（4）从分析中可以看出，该风机联轴器原来采用的45#钢螺栓已经不能满足现场使用的需要，建议将离心风机的膜片联轴器螺栓更
10、换为高强螺栓或者抗疲劳性能等级较强的螺栓，如40Cr、25Cr2Mo1V（调质处理）等。（5）对螺栓的金相分析和力学特性分析是需要的，故建议对每一批次的螺栓进行认真深入的检验，必要时进行分批次的抽样进行金属金相分析和力学特性检测，从源头把好关。（6）从分析看，螺栓的断裂不是短时间内发生的，而是逐步积累的疲劳断裂，这就要求在实践中不断摸清联轴器螺栓断裂的周期、掌握劣化规律，以便在发生断裂之前及时进行预防性处理。参考文献：1 束德林. 金属力学性能M. 北京：机械工业出版社，1986：63.2 周海波，朱晓勇等. 45钢螺栓断裂失效分析J. 金属热处理，2009年12月,第34卷第12期：107-109.3 邵万珍，吴国奇. 叠层膜片联轴器螺栓断裂原因分析J. 理化检验-物理分册，2007年第43卷：414-418.4 高岩，李林等. 螺栓断裂失效原因分析J. 金属热处理，1998年第2期：34-35.
