摘 要:某電廠調速器步進電機軸在開機調負荷過程中發生斷裂,對斷裂電機軸進行了宏觀檢 驗、化學成分分析、硬度測試、金相檢驗和斷口分析,并對步進電機軸材料進行了切應力校核.結果 表明:該調速器步進電機軸斷裂失效為低應力高周旋轉/彎曲疲勞斷裂.電機軸斷裂失效的主要原 因一方面是因為變徑部位退刀槽位置容易造成應力集中現象,從而促使步進電機軸表面產生疲勞 裂紋;另一方面是因為硫化物、碳化物等夾雜物的存在會降低材料的塑性、韌性和疲勞強度,進一步 造成應力疊加,材料力學性能降低,加速疲勞裂紋的形成和擴展.
關鍵詞:調速器;步進電機軸;疲勞斷裂;應力集中;夾雜物
中圖分類號:TG１１５;TB３０ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７２５Ｇ０５
某電廠中調同意按負 荷 計 劃 開 啟 ３ 臺 機 組, １號機組并網后,現場運行人員隨即在上位機操作 增加機組功率,發現機組功率調節無反應.現場檢 查發現,１號機組下位機遠方增功繼電器動作正常, 調速器電調柜準確收到增功指令,調速器機械柜步 進電機正常動作,但機械柜內的機械位移轉換裝置 未動作,如圖１所示.１號機組因調速器機械柜位 移轉換裝置故障無法增加負荷,故申請停機處理,進 而對１號機組調速器機械部分進行檢查,拆開調速 器 步進電機與機械位移轉換裝置連接螺栓,發現調速器步進電機軸發生斷裂,如圖２所示,調速器機械 位移轉換裝置動作靈活.
１號機組調速器步進電機采用日本SANYO 公 司 M５９B２３D型(雙軸伸)５相步進電機,最大靜止轉 矩２．２ N??m,轉 動 慣 量 １２００g??cm２,步 距 角 為 ０．７２°/步,電機軸直徑為９．５mm,電機軸材料、熱處 理狀態未知.步進電機轉矩特性如圖３所示,可見 轉矩與轉速有關,轉速在１００r??min－１以下時,基本 為恒轉矩,轉矩為２．５N??m;轉速在１００r??min－１以 上時,轉矩下降.
為查明該調速器步進電機軸斷裂原因,筆者對 其進行了檢驗和分析,并提出了改進建議.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀檢驗
經拆卸后觀察發現,電機軸斷裂于軸變徑部位 退刀槽位置,如圖４所示.斷口處無明顯宏觀塑性 變形,邊緣有磨損痕跡;斷面方向基本與軸線垂直, 兩斷裂面吻合良好[１],斷口表面呈碟形曲面,顯示為 暗灰色;斷面明顯分為３個區域,如圖５所示.I區 為平滑微亮區,呈“下殘月”形態,該區域位于碟形曲面邊緣 部 位,相 對 緊 鄰 區 域 光 亮、平 滑、粗 糙 度 小;Ⅱ區為 暗 灰 色 細 晶 區,該 區 域 呈 斜 弧 面 形 態, 約占整個斷面面積的８０％;Ⅲ區為撕裂區,該區域 整體呈剪切唇形態,表面粗糙度大,位于I區對側. 斷口呈 現 的 ３ 個 區 域 與 典 型 的 疲 勞 斷 口 特 征 區 域,即疲勞 源 區、疲 勞 擴 展 區 和 瞬 斷 區 完 全 吻 合, 由此判斷 該 斷 口 為 典 型 的 低 應 力 高 周 旋 轉/彎 曲 疲勞斷口[１].
１．２ 化學成分分析
該步進電機軸材料未知,在電機軸斷面附近取 樣,采用Spectro定量光譜儀對其進行化學成分分 析,結果如表１所示.
由表１所示結果結合 GB/T２０８７８－２００７«不銹 鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分»分析可見,電機軸材 料化學成分與０Cr１８Ni９Cu２奧氏體不銹鋼成分技 術要求值最為接近,即日本標準中的 SUS３０４J３不 銹鋼工 業 規 格. 實 測 值 中 錳 含 量 (質 量 分 數 為 ２．２２％)高于標準要求(≤２．００％),錳元素在奧氏體 不銹鋼中的作用與鎳元素的相似,主要起到穩定奧 氏體、減少δ鐵素體含量的作用,因此錳含量不在標 準要求范圍內不是導致該步進電機軸斷裂的原因; 實測值中硫含量(質量分數為０．１９８％)高于標準要 求(≤０．０３０％),硫為鋼中的有害元素,容易使鋼產 生熱脆性,降低鋼材的延展性和韌性[２].
１．３ 硬度測試
對電機軸 切 面 取 樣 進 行 布 氏 硬 度 試 驗,結 果 如表 ２ 所 示,結 合 GB/T２０８７８－２００７ 和 GB/T １２２０－２００７«不銹 鋼 棒»技 術 要 求 可 知,電 機 軸 材 料硬度與０Cr１８Ni９Cu２不銹鋼固溶處理態的硬度 值相近.
１．４ 金相檢驗
在步進電機軸斷口處取樣進行金相檢驗,試樣 經磨制、拋光和氯化鐵鹽酸水溶液浸蝕后,在金相顯 微鏡下進行觀察.結果顯示步進電機軸顯微組織為 多邊形晶粒組成的單相奧氏體,如圖６所示.
１．５ 斷口分析
由圖 ７ 所 示 的 步 進 電 機 軸 斷 口 掃 描 電 鏡 (SEM)形貌可見,疲勞始于軸的表面,存在明顯的 疲勞臺階,同時在疲勞臺階附近伴隨有毛刺出現,如 圖７a)和圖７b)所示;疲勞裂紋擴展區為穿晶斷裂形 貌,裂紋穿過晶界,在晶內擴展,存在具有明顯方向 性的細小疲勞條紋,同時擴展區伴隨有夾雜物的存 在,如圖７c)所示;瞬斷區呈明顯的撕裂狀特征,并 伴生有韌窩和裂紋,如圖７d)所示.
對步進電機軸斷口上的夾雜物進行能譜(EDS) 分析,能譜分析位置如圖８所示,其中位置１為摩擦 區域測點;位置２為正常形貌區域測點;位置３為圓 形夾雜物測點;位置４為條狀夾雜物測點.由表３ 所示的能譜分析結果可見,位置１和２測點元素成 分相近,為步進電機軸材料成分正常值;位置３和４ 測點主要元素成分中碳和硫含量明顯高于正常值, 經分析圓形物質和條狀物質為碳化物或硫化物組成 的非金屬夾雜物.
２ 步進電機軸用材料切應力校核
結合步進電機軸的工況、斷裂形態及受力狀況 分析可知,電機軸垂直于軸線的截面上只有切應力 作用,其斷裂失效主要是由剪切應力導致的,因此考 慮對步進電機軸用材料進行切應力校核,最大切應 力小于許用切應力為合格.采用與步進電機軸成分 最接近的０Cr１８Ni９Cu２不銹鋼進行校核.
軸類零件垂直截面上,其最外層的最大切應力 τmax為
式中:Mn 為扭矩;Wp 為抗扭截面系數;圓形截面的 Wp＝ πd３ １６ (d 為軸直徑);P 為功率;r 為轉速. 對于塑性材料(大多數結構鋼和鋁合金),許用 應力計算公式如下
式中:σs 為材料屈服強度;n 為安全系數.
對于塑性材料,許用切應力計算公式如下
由 步 進 電 機 軸 轉 矩 特 性 曲 線 可 知 Mn,max ＝ ２．５N??m,Wp＝１６８．２６mm３(d＝９．５mm),由式(１)可得τmax＝１３．０７MPa;０Cr１８Ni９Cu２不銹鋼屈服強 度σs ≥１７７ MPa,由 式 (４)可 得 [σ]＝７０．８~ １１８MPa,則[τ]＝３５．４~８２．６ MPa.可見步進電機 軸用材料τmax＜[τ]即步進電機軸選材符合要求.
３ 綜合分析
由以上理化檢驗結果可知,斷裂失效的調速器 步進電機軸具有以下特點,斷口具有明顯的疲勞斷 裂宏觀特征,從步進電機軸的結構分析發現,電機軸 斷裂發生于軸變徑部位退刀槽位置,該位置存在應 力集中現象,容易誘發形成裂紋源.應力集中降低 了構件 的 承 載 能 力,是 導 致 構 件 破 壞 的 主 要 因 素[３Ｇ６].結合電機軸斷口分析發現,斷口具有疲勞斷 裂的微觀特征,即疲勞臺階及疲勞輝紋.斷口試樣 化學成分與０Cr１８Ni９Cu２奧氏體不銹鋼成分技術 要 求 值 最 為 接 近,實 測 值 中 硫 的 質 量 分 數 為 ０．１９８％,高于標準要求值(≤０．０３０％).硫為鋼中 的有害元素,會造成鋼的熱脆性,使其延展性和韌性 降低.步進電機軸的硬度符合 ０Cr１８Ni９Cu２ 不銹 鋼固溶處理狀態的硬度值要求;電機軸斷口處顯微 組織為單相奧氏體,符合技術要求.EDS分析擴展 區條狀和圓形夾雜物為碳化物或硫化物組成的非金 屬夾雜物,硫化物具有較大的脆性,會造成材料力學 性能降低,特別是降低塑性、韌性和疲勞強度,加速 疲勞裂紋的形成和擴展;碳化物的析出或偏聚也會 導致材料韌性大大降低;此外夾雜物的存在會進一步造成應力疊加或應力集中.對步進電機軸用材料 進行切應力校核,其最大切應力τmax小于許用切應 力[τ],即步進電機軸選材符合要求.
４ 結論及建議
(１)調速器步進電機軸斷裂失效模式為低應力 高周旋轉/彎曲疲勞斷裂.
(２)調速器步進電機軸疲勞斷裂失效原因主要 歸結為以下幾點.首先,步進電機軸表面變徑部位 退刀槽位置存在明顯應力集中現象;其次,步進電機 軸材料內部存在非金屬夾雜物,會進一步造成應力 疊加或應力集中;最后,硫化物、碳化物等夾雜物的 存在會降低材料塑性、韌性和疲勞強度,造成材料力 學性能降低,加速疲勞裂紋的形成和擴展.
(３)由于廠方未提供調速器步進電機軸具體材 料及熱處理狀態,因此化學成分分析和硬度試驗結 果僅供參考.
(４)為防止類似失效事故的再次發生,建議嚴 格落實調速器步進電機軸材料,把控電機軸產品質量,保證電機軸的化學成分滿足技術要求;若有必要 建議對在役或新采購的步進電機軸進行材料復核和 強度復核;優化結構設計和材料選用,嚴格控制步進 電機軸變徑部位退刀槽位置的加工精度.
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