新疆西部明珠工程建設(shè)有限公司 劉順興 周勝利

燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷齒輪箱聯(lián)軸器裂紋分析

新疆西部明珠工程建設(shè)有限公司 劉順興 周勝利

筆者所在單位承接某電廠1臺(tái)MS6001B型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組大修工作。于2010年11月24日檢修工作結(jié)束，11月28日啟動(dòng)，燃機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)二瓦振速為7.8mm/s，比檢修前的2.79mm/s有明顯的增大，隨后進(jìn)行加減負(fù)荷調(diào)整，振速維持在7mm/s左右。2011年1月14日發(fā)現(xiàn)二瓦振速持續(xù)上升，后達(dá)到12.7mm/s,燃機(jī)停機(jī)檢查，檢查發(fā)現(xiàn)負(fù)荷齒輪箱聯(lián)軸器斷裂。負(fù)荷聯(lián)軸器的功能是把燃機(jī)透平產(chǎn)生的能量傳遞給負(fù)荷齒輪箱，去驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)做功。負(fù)荷聯(lián)軸器包含1個(gè)主轉(zhuǎn)矩空心管，1個(gè)電子鍍膜焊接隔板。裂紋產(chǎn)生在電子鍍膜焊接隔板上，呈螺旋狀。筆者對(duì)裂紋性質(zhì)分析后，咨詢GE公司技術(shù)服務(wù)部，按照新的設(shè)計(jì)方案對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行更換。本文，筆者針對(duì)該型燃?xì)廨啓C(jī)故障，作了材質(zhì)和機(jī)械性能分析、宏觀斷口分析，并提出了預(yù)防措施。

一、聯(lián)軸器材質(zhì)和機(jī)械性能分析

對(duì)聯(lián)軸器材質(zhì)進(jìn)行光譜分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 聯(lián)軸器材質(zhì)化學(xué)成分和40GrNi3Mo化學(xué)成分對(duì)照（%）

根據(jù)材料所含金屬元素含量，材料類似40GrNi3Mo。經(jīng)硬度檢測(cè)，實(shí)測(cè)硬度248~298HV，平均值273HV，換算為布氏硬度為269HB，符合40GrNi3Mo的性能（表2）。

表2 40GrNi3Mo機(jī)械性能

二、裂紋性質(zhì)初步判斷

材質(zhì)分析結(jié)果、材料硬度測(cè)量結(jié)果表明，對(duì)照材料供貨狀態(tài)機(jī)械性能，聯(lián)軸器機(jī)械性能沒(méi)有明顯的改變。根據(jù)聯(lián)軸器工作工況，結(jié)合此次大修后振動(dòng)較大，運(yùn)行40天后振動(dòng)持續(xù)增大的特點(diǎn)，初步推斷為受交變載荷、局部應(yīng)力集中狀態(tài)下發(fā)生的疲勞斷裂。

三、疲勞裂紋的基本特征

根據(jù)技術(shù)統(tǒng)計(jì)資料，在變應(yīng)力工作下的零件，疲勞斷裂是最主要的失效形式之一。零件的疲勞斷裂占零件斷裂的80%。

疲勞斷裂，材料在變應(yīng)力下發(fā)生斷裂時(shí)，不產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷裂是突然發(fā)生的。由于疲勞斷裂有裂紋的萌生、擴(kuò)展和斷裂3個(gè)階段，因此，疲勞破壞的宏觀斷口可分為疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)3部分（圖1）。對(duì)宏觀斷口進(jìn)行觀察，疲勞斷裂截面可觀察到表面光滑的疲勞發(fā)展區(qū)和粗糙的脆性斷裂區(qū)。

圖1 疲勞破壞的宏觀斷口分為3個(gè)區(qū)

一般疲勞斷口在宏觀上也可粗略地分為疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)3個(gè)區(qū)域，更粗略地可將其分為疲勞區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)2個(gè)部分。由于大多數(shù)工程構(gòu)件的疲勞斷裂斷口上一般可觀察到3個(gè)區(qū)域，因此，這個(gè)特征可以作為疲勞裂紋判定的一個(gè)主要依據(jù)。

四、裂紋性質(zhì)分析

試斷面宏觀觀察結(jié)果表明，在裂紋掉塊部分可以觀察到較為平滑的斷面，并有水波狀的花紋，花紋方向與裂紋發(fā)展方向有45°的夾角。結(jié)果符合疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)（疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)通常比較平整，具有表征間隙加載、應(yīng)力較大改變或裂紋擴(kuò)展受阻等使裂紋擴(kuò)展前沿相繼位置的休止線或海灘花樣）的特征。

在其他區(qū)域，可以觀察到斷面比較粗糙，呈顆粒狀，色澤亮白，有較為明顯的脆性斷裂特征，符合疲勞裂紋瞬時(shí)斷裂區(qū)（瞬斷區(qū)則具有靜載斷口的形貌，表面呈現(xiàn)較粗糙的顆粒狀）的特征。

五、結(jié)論

根據(jù)聯(lián)軸器工作工況，結(jié)合此次大修后運(yùn)行振動(dòng)較大，運(yùn)行40天后振動(dòng)持續(xù)增大的特點(diǎn)，分析斷裂面宏觀觀察以及起始部位可以看到磨損的痕跡、壓傷、微裂紋、掉塊及帶色的粉末，判斷為振動(dòng)疲勞斷裂。

為此，GE公司提出的新型聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)方案，防止負(fù)荷聯(lián)軸器出現(xiàn)裂紋損傷。這種設(shè)計(jì)可以有效地提高聯(lián)軸器的抗機(jī)械應(yīng)力，包括聯(lián)軸器內(nèi)部隔板的抗斷裂能力。所以，我們對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行了更換。