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        某發(fā)動(dòng)機(jī)中間齒輪軸螺栓斷裂故障分析

        2022-09-27 12:03:46王志秀
        內(nèi)燃機(jī)與配件 2022年15期
        關(guān)鍵詞:塑性變形屈服螺紋

        0 引言

        螺栓作為最常用的零部件被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,但是如果選擇不合適或者擰緊工藝不合理,則會(huì)出現(xiàn)螺栓斷裂的風(fēng)險(xiǎn),一旦失效,可能造成機(jī)器失效,財(cái)產(chǎn)損失,甚至可能出現(xiàn)人員傷亡等嚴(yán)重后果

        。目前國(guó)內(nèi)對(duì)螺栓斷裂問(wèn)題主要研究方向?yàn)槠跀嗔?/p>

        、螺栓氫脆斷裂

        和原材料缺陷斷裂

        等幾個(gè)方面。但是對(duì)螺栓相對(duì)塑性變形的研究較少,本文借助VDI2230

        主要介紹了螺栓相對(duì)塑性變形的計(jì)算方法。VDI2230是德國(guó)工程師協(xié)會(huì)發(fā)布的螺栓評(píng)估指南,主要用來(lái)計(jì)算校核高強(qiáng)度螺栓連接的可靠性,此方法用于工程實(shí)踐已超過(guò)25年,并被廣泛認(rèn)可和引用。通過(guò)分析該螺栓的相對(duì)塑性變形,確定該螺栓的斷裂原因,可對(duì)后續(xù)螺栓的改進(jìn)和預(yù)防提供理論依據(jù),防止同類故障再次發(fā)生,從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性

        1 故障背景

        某大型發(fā)動(dòng)機(jī)在耐久試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生螺栓斷裂,斷裂位置為螺紋璇合的第一扣,拆檢后排查了螺栓材料、金相、加工工藝等,螺栓自身沒(méi)有質(zhì)量問(wèn)題。在分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)螺栓為非全螺紋和細(xì)腰螺栓,螺紋部分較短,同時(shí)注意到螺栓為轉(zhuǎn)角法擰緊至屈服,所以又從螺栓擰緊工藝著手分析

        ,螺栓擰緊至屈服后螺栓會(huì)發(fā)生塑性變形,塑性變形會(huì)發(fā)生在螺栓的薄弱區(qū)域,對(duì)于非細(xì)腰螺栓,即發(fā)生在未璇合的螺紋段,但是該螺栓的螺紋長(zhǎng)度比較短,擰至屈服后會(huì)存在相對(duì)塑性變形過(guò)大的問(wèn)題,后經(jīng)分析,該螺栓斷裂的主要原因就是擰緊后相對(duì)塑性變形大。下面詳細(xì)介紹故障的排查過(guò)程和螺栓相對(duì)塑性變形的評(píng)估方法。

        該發(fā)動(dòng)機(jī)中間齒輪軸及螺栓的連接結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為圖1所示結(jié)構(gòu),一顆螺栓穿過(guò)中間齒輪軸和齒輪室,擰緊至機(jī)體上。擰緊后中間齒輪軸與齒輪室和機(jī)體成為一個(gè)整體保持固定,中間齒輪繞中間齒輪軸旋轉(zhuǎn),螺栓主要作用是螺栓軸力產(chǎn)生摩擦力抵抗齒輪的徑向力。螺栓規(guī)格為M22×2.5 10.9級(jí),材料為42CrMo,彈性模量為208GPa,螺栓總長(zhǎng)度180mm,螺栓光桿長(zhǎng)度124mm,螺栓光桿直徑約為φ22mm,螺栓螺紋旋合長(zhǎng)度30mm,螺栓未璇合螺紋長(zhǎng)度26mm,螺栓頭部摩擦外徑φ39.8mm。中間齒輪軸材料為42CrMo,彈性模量為208GPa,螺栓孔直徑φ23mm,螺栓孔倒角C1mm,螺栓頭部摩擦內(nèi)徑φ25mm,螺栓頭部平均摩擦直徑φ32.4mm。齒輪室材料為HT250, 彈性模量為117GPa。機(jī)體材料RT450,彈性模量為144GPa。螺栓擰緊工藝為(200Nm±20Nm)+(180°±10°)。螺栓斷裂示意圖如圖2、圖3、圖4所示。

        2 螺栓材料及斷口分析

        針對(duì)該螺栓斷裂問(wèn)題,首先對(duì)螺栓的斷口和材料進(jìn)行了分析。將螺栓沿裂紋處打開,可見(jiàn)明顯貝紋線,為典型的疲勞斷裂特征,通過(guò)斷口分析該斷裂為疲勞斷裂,斷口的疲勞源位于螺牙牙槽處,螺栓斷口圖片如圖5所示。

        其次對(duì)螺栓的金相、硬度、工藝等進(jìn)行了分析。取斷口剖面進(jìn)行金相檢查,腐蝕后金相組織如圖6所示,螺栓未見(jiàn)夾雜物、原始裂紋等缺陷。螺栓材料為42CrMo,強(qiáng)度要求10.9級(jí),螺栓需調(diào)質(zhì)處理保證強(qiáng)度,調(diào)質(zhì)后螺栓金相組織應(yīng)為回火索氏體。從腐蝕后的結(jié)果看,螺栓金相組織均勻,金相組織為回火索氏體+極少量鐵素體,螺牙未見(jiàn)明顯氧化脫碳現(xiàn)象,螺栓材料本身無(wú)問(wèn)題。

        然后又對(duì)螺紋的成型工藝進(jìn)行了分析,機(jī)加工螺紋材料流線可能會(huì)被破壞,且刀痕易形成應(yīng)力集中

        ,所以機(jī)加工螺紋易產(chǎn)生疲勞源,材料相同的情況下機(jī)加工螺栓疲勞強(qiáng)度會(huì)低于非機(jī)加工螺紋的疲勞強(qiáng)度。對(duì)于高強(qiáng)度螺栓,螺紋通常要求為非機(jī)加工成型,通常采用滾絲或搓絲工藝。通過(guò)滾絲或搓絲等擠壓方式成型的螺栓,材料流線完整,且表面沒(méi)有刀痕,螺栓的疲勞強(qiáng)度優(yōu)于機(jī)加工螺紋的疲勞強(qiáng)度。通過(guò)觀察螺紋金相,牙頂及牙槽可見(jiàn)明顯的顯微流線。同時(shí)對(duì)螺栓廠家進(jìn)行工藝審查,確定該螺栓的成型工藝為滾絲成型。螺栓的主要加工工藝流程為:下料→墩頭→調(diào)質(zhì)→噴砂→探傷→滾絲→磷化→檢驗(yàn)→入庫(kù)。螺紋的成型工藝沒(méi)有問(wèn)題。

        社會(huì)治理系統(tǒng)由多元社會(huì)治理主體構(gòu)成,不同主體之間的相互聯(lián)系和相互作用構(gòu)成了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這表明,在系統(tǒng)治理模式中,多元主體中的多元不是孤立的而是互相關(guān)聯(lián)的。堅(jiān)持系統(tǒng)治理,就要從社會(huì)治理系統(tǒng)諸要素的關(guān)聯(lián)性出發(fā)去把握對(duì)象,且在目標(biāo)一致的合作共建、協(xié)同共治中,不斷提高社會(huì)治理的能力和水平。

        對(duì)螺栓強(qiáng)度進(jìn)行分析,螺栓芯部硬度約為36.0HRC,10.9級(jí)螺栓硬度要求(32~39)HRC,螺栓硬度滿足設(shè)計(jì)要求。螺栓硬度測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

        通過(guò)對(duì)螺栓的金相、成型工藝、強(qiáng)度等分析,確認(rèn)螺栓材料及成型工藝等無(wú)問(wèn)題,同時(shí)螺栓無(wú)原始缺陷。最終確認(rèn)該螺栓斷裂故障非螺栓質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致。

        3 螺栓塑性變形分析

        材料及斷口分析完成后,又從螺栓的擰緊工藝角度出發(fā)分析,該螺栓的擰緊工藝為轉(zhuǎn)角法擰至屈服,擰至屈服意味著螺栓局部發(fā)生了塑性變形。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)螺栓螺紋較短,光桿部分較長(zhǎng),螺紋除去璇合部分,剩余未璇合部分較小,擰至屈服后,螺栓的塑性變形發(fā)生在未璇合螺紋處,懷疑該故障為螺栓擰緊后相對(duì)塑性變形太大造成的。因此對(duì)螺栓的相對(duì)塑性變形展開分析和計(jì)算。

        對(duì)于10.9級(jí)的螺栓。屈服強(qiáng)度Rp

        大約為940MPa-1070MPa,接觸面的摩擦系數(shù)μ按照0.08-0.14計(jì)算,螺栓計(jì)算相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

        針對(duì)該問(wèn)題,為了考慮全面,分別計(jì)算最大的塑性變形量和最小的塑性變形量。

        最大塑性變形量出現(xiàn)在當(dāng)螺栓屈服強(qiáng)度Rp

        為940MPa時(shí),并且摩擦系數(shù)最小為0.08,第一步擰緊時(shí)擰到220Nm,第二步擰緊到190°。此時(shí)螺栓出現(xiàn)最大塑性變形。

        最小塑性變形量出現(xiàn)在當(dāng)螺栓屈服強(qiáng)度Rp

        為1070MPa時(shí),并且摩擦系數(shù)最大為0.14,第一步擰緊時(shí)擰到180Nm,第二步擰緊到170°。此時(shí)螺栓出現(xiàn)最小塑性變形。

        螺栓擰至屈服時(shí),螺栓可以達(dá)到的最大等效應(yīng)力約為1.05倍的屈服強(qiáng)度。

        土壤生態(tài)環(huán)境也具一定抗風(fēng)險(xiǎn)能力。其土壤微生物可促進(jìn)Bt蛋白的降解。從轉(zhuǎn)Cry1Ac基因水稻種植田土壤中得到降解Cry1Ac蛋白的細(xì)菌FJSB3,為寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonas sp.),4 d內(nèi)水稻秸稈中Cry1Ac蛋白降解率達(dá)到92. 86%[5-6]。新疆阿克蘇鹽堿地土壤細(xì)菌資源豐富,已分離培養(yǎng)鹽堿地土壤中的細(xì)菌103株[7],但目前新疆棉田Cry1Ac蛋白的降解研究鮮有報(bào)導(dǎo)。因此對(duì)Cry1Ac毒蛋白的降解細(xì)菌進(jìn)行篩選和鑒定將可對(duì)長(zhǎng)期種植轉(zhuǎn)Bt棉田土壤的生態(tài)治理提供參考。

        計(jì)算過(guò)程需要用到螺栓及被連接件的剛度,螺栓剛度等于柔度的倒數(shù),螺栓柔度可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式分段求出然后求和得到:

        螺栓頭部柔度:

        螺栓光桿部分柔度:

        螺栓未旋合螺紋柔度:

        螺栓旋合螺紋柔度:

        2型糖尿病是糖尿病最常見(jiàn)的一種類型,以血糖升高為主要特點(diǎn),據(jù)一項(xiàng)報(bào)道顯示,目前全球約有4億人患有糖尿病,而我國(guó)糖尿病患者居于世界之首[1] 。2型糖尿病多發(fā)生于中老年人群,而隨著我國(guó)人口老齡化的趨勢(shì),老年2型糖尿病的患者數(shù)較以往明顯增多,需要積極治療[2] 。近年來(lái)筆者將護(hù)理干預(yù)應(yīng)用于社區(qū)老年2型糖尿病患者之中,取得了理想的效果,現(xiàn)報(bào)道如下。

        根據(jù)VDI 2330可得:

        E為螺栓彈性模量,MPa

        L

        為未旋合螺紋長(zhǎng)度,mm

        網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)采用二進(jìn)制編碼更適合,遺傳算法中染色體中的基因位用0和1表示,每個(gè)開關(guān)占據(jù)一個(gè)基因位,一條染色體則對(duì)應(yīng)一種開關(guān)組合狀態(tài)。

        d為螺栓大徑,mm

        A

        為螺栓大徑對(duì)應(yīng)的截面積,mm

        L

        為光桿長(zhǎng)度,mm

        A

        為光桿對(duì)應(yīng)截面積,mm

        E

        為內(nèi)螺紋的彈性模量,MPa

        A

        為螺栓小徑對(duì)應(yīng)截面積,mm

        通過(guò)計(jì)算可得螺栓柔度為:

        從機(jī)身卡口上拆下鏡頭,在相機(jī)前旋轉(zhuǎn)并前后調(diào)整位置(50mm鏡頭屢試不爽)。使用M擋,手動(dòng)對(duì)焦和實(shí)時(shí)取景。

        對(duì)于被連接件的剛度,由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要借助有限元進(jìn)行計(jì)算,在中間齒輪軸端面,與螺栓法蘭面相等的區(qū)域內(nèi),施加3000N的軸力,然后計(jì)算中間齒輪軸的變形量,有限元計(jì)算結(jié)果如圖8所示。在軸向方向的變形量為9.61×10

        mm,根據(jù)力和變形量,計(jì)算得到軸及齒輪等總體剛度為:

        最大塑性變形量出現(xiàn)在當(dāng)螺栓屈服強(qiáng)度Rp

        為940MPa時(shí),并且摩擦系數(shù)最小為0.08,第一步擰緊時(shí)擰到220Nm,第二步擰緊到190°。此時(shí)螺栓出現(xiàn)最大塑性變形。

        在已知擰緊力矩M的情況下,計(jì)算軸力:

        其中:

        M為擰緊力矩/Nm

        熔化燃燒系統(tǒng)設(shè)備包括豎爐、保溫爐、上下溜槽、撇渣槽及中間包(如圖1)。SCR4500連鑄連軋生產(chǎn)線熔化燃燒系統(tǒng)是以天然氣為燃料,采用預(yù)混型燃燒系統(tǒng),由鼓風(fēng)機(jī)向此系統(tǒng)輸送助燃空氣,混合成適當(dāng)比例的空氣與燃料,通過(guò)系統(tǒng)各設(shè)備上燃燒噴槍噴入,實(shí)現(xiàn)銅原料的熔化處理及保溫作用,使銅液達(dá)到澆鑄要求。其系統(tǒng)由燃料及助燃空氣系統(tǒng)、混合燃燒系統(tǒng)、CO 分析儀系統(tǒng)、PLC可編程控制器系統(tǒng)組成。

        P為螺距/mm

        對(duì)巡檢的行走路徑進(jìn)行管理,既可以考核設(shè)備主人巡線過(guò)程的到位情況、巡線時(shí)間、巡線速度、巡檢信息采集,也可以將多次的軌跡進(jìn)行管理,制定山區(qū)桿塔的導(dǎo)航路徑,為不熟悉桿塔路徑的其他人員,提供數(shù)據(jù)支撐。

        μ為摩擦系數(shù)

        δ=δ

        =2.47×10

        mm/N

        d

        為螺栓中徑/mm

        明治時(shí)期是日本從封建社會(huì)步入近代社會(huì)的開端,更是國(guó)家在科學(xué)技術(shù)、社會(huì)文化、思想意識(shí)等經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和上層建筑兩方面獲得急速發(fā)展的時(shí)期,對(duì)明治文學(xué)的研究,不但可以使我們進(jìn)一步明晰明治文學(xué)的本質(zhì),通過(guò)文學(xué)進(jìn)一步了解日本近代政治思想體系和歷史文化變遷乃至近代國(guó)家的發(fā)展脈絡(luò)。對(duì)明治的借鑒可以使我們從多角度思考本國(guó)乃至世界文化的發(fā)展,為人類共同體的構(gòu)建提供可行的思路。因此,明治文學(xué)研究很有必要。

        為使軟件系統(tǒng)更加完善,需要強(qiáng)化系統(tǒng)試運(yùn)行期間的測(cè)試工作,以讓操作者得到更滿意的體驗(yàn)感受,在得到用戶比較認(rèn)可的方案后,還需要根據(jù)用戶的操作感受及時(shí)反饋進(jìn)行修改完善。

        D

        為螺栓頭部摩擦直徑/mm

        前段時(shí)間,全國(guó)多地遭遇歷史罕見(jiàn)高溫悶熱天氣。就在大家想辦法避暑時(shí),中農(nóng)控股有這樣一群人,頭頂烈日,在海拔將近3000米的鉀肥生產(chǎn)基地,揮汗如雨,默默付出。

        計(jì)算螺栓擰緊220Nm時(shí)產(chǎn)生的變形。

        螺栓產(chǎn)生的軸力為:

        計(jì)算螺栓旋轉(zhuǎn)190°時(shí)產(chǎn)生的變形。

        第一步的時(shí)候螺栓仍處于彈性階段,第一步螺栓產(chǎn)生的變形為:

        目前,城市軌道交通應(yīng)急疏散系統(tǒng)的指揮引導(dǎo),主要依賴指示標(biāo)志與標(biāo)志燈來(lái)實(shí)施。但該系統(tǒng)存在技術(shù)缺陷和條件限制,因此亟需采用更好的技術(shù)手段來(lái)進(jìn)行突發(fā)事件時(shí)的應(yīng)急疏散指揮與引導(dǎo),以盡可能減少事件發(fā)生時(shí)造成的人員傷害。大功率參量陣定向揚(yáng)聲器的技術(shù)較為成熟,為解決上述問(wèn)題提供了有效的技術(shù)手段。

        由于螺栓不是單純的受拉伸,擰緊力矩作用下,螺栓擰緊后有切應(yīng)力的存在。

        83287.7N

        螺栓最終的等效正應(yīng)力大約為:

        σ

        ≈1.05×Rp

        .2=1.05×940=987MPa

        12T-103菌株菌落的形態(tài)特征為菌淡黃色,不透明,邊緣有一圈不規(guī)則裂紋,中央凸起(見(jiàn)圖4),菌體特征為桿狀,產(chǎn)生內(nèi)生芽孢(見(jiàn)圖4)。革蘭氏染色為陽(yáng)性,接觸酶反應(yīng)為陽(yáng)性(見(jiàn)表1)。這表明12T-103菌株屬于芽孢桿菌屬(Bacillus)。此外,利用細(xì)菌16S rDNA通用引物擴(kuò)增12T-103菌株總DNA,擴(kuò)增產(chǎn)物長(zhǎng)度約1. 5 kb,將測(cè)序結(jié)果與NCBI進(jìn)行同源比較得出12T-103菌株與Bacillus subtilis(登錄號(hào)KC441788.1)同源性為100%。由此鑒定12T-103菌株為枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)。

        其中:

        Comparison between the situations of climate change in the Arctic stratosphere during December and

        其中d

        為應(yīng)力截面直徑(非細(xì)腰螺栓中,若是細(xì)腰螺栓,且光桿直徑小于應(yīng)力截面直徑,則d

        為最細(xì)桿部直徑)

        根據(jù)第四強(qiáng)度理論:

        可以解得:

        τ

        =190.18MPa

        σ

        =930.41MPa

        所以螺栓最終的軸力為:

        第二步螺栓和被連接件(軸和齒輪室)總的變形為:

        由于此時(shí)螺栓已進(jìn)入屈服階段,所以不能用螺栓的剛度計(jì)算螺栓的變形,但是被連接件還未達(dá)到屈服,可以先計(jì)算被連接件(軸和齒輪室)的變形。

        Δs

        =Δs

        -Δs

        =1.256mm

        螺栓產(chǎn)生的總變形為:

        Δs

        =Δs

        +Δs

        =1.462mm

        計(jì)算螺栓可以發(fā)生的總的彈性變形量。

        當(dāng)螺栓正應(yīng)力為940MPa時(shí),螺栓達(dá)到最大的彈性變形量,所以螺栓可以產(chǎn)生最大彈性變形量為:

        計(jì)算螺栓塑性變形量及相對(duì)塑性變形率。

        Δs

        =Δs

        -Δs

        =1.462-0.705=0.757mm

        由于桿部直徑大于應(yīng)力截面直徑,所以該螺栓的塑性變形發(fā)生在未旋合的螺紋處,該螺栓未旋合部分螺紋長(zhǎng)度為26mm。則相對(duì)塑性變形量為:

        通過(guò)上述計(jì)算分析,螺栓最大的相對(duì)塑性變形量為2.91%。按照同樣的方法,可以計(jì)算出螺栓的最小相對(duì)塑性變形量為1.532%。平均相對(duì)塑性變形量為2.221%,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),螺栓的相對(duì)塑性變形量應(yīng)控制在0.6%以下,0.6%是相對(duì)安全的使用范圍,目前平均相對(duì)塑性變形量為2.221%,存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)相對(duì)塑性變形量大的問(wèn)題,改進(jìn)方案為將螺栓改為全螺紋結(jié)構(gòu),這樣可以有效加長(zhǎng)可以發(fā)生塑性變形的長(zhǎng)度,降低相對(duì)塑性變形量。改進(jìn)后螺紋總長(zhǎng)度為180mm,璇合長(zhǎng)度為30mm,未璇合的螺紋長(zhǎng)度為150mm,塑性變形可以發(fā)生在150mm的螺紋上,較之前26mm有大幅度提高,改進(jìn)后最大相對(duì)塑性變形約為0.5%(未重新計(jì)算剛度,根據(jù)之前塑性變形量估算),改進(jìn)后該問(wèn)題得到有效解決。

        4 總結(jié)

        對(duì)于未使用到屈服的螺栓,不存在屈服的區(qū)域,所以不用考慮相對(duì)塑性變形量對(duì)螺栓可靠性的影響,設(shè)計(jì)時(shí)也無(wú)需采用全螺紋或細(xì)腰螺栓來(lái)降低相對(duì)塑性變形量。

        對(duì)于需要用到屈服的螺栓,螺栓薄弱區(qū)域會(huì)進(jìn)入屈服狀態(tài),如果薄弱區(qū)域長(zhǎng)度較小,可以發(fā)生塑性變形的區(qū)域就會(huì)較小,這樣相對(duì)塑性變形量就會(huì)較大,相對(duì)塑性變形量大螺栓斷裂風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)較大。因此我們應(yīng)該減小螺栓的相對(duì)塑性變形量,要加長(zhǎng)發(fā)生塑性變形的區(qū)域,常用措施為全螺紋螺栓或者細(xì)腰螺栓,全螺紋螺栓整個(gè)桿部剛度相同,當(dāng)擰緊至屈服時(shí),螺栓的塑性變形會(huì)發(fā)生在未璇合的螺紋處,這樣可以有效降低相對(duì)塑性變形量。另一措施是采用細(xì)腰螺栓,細(xì)腰處直徑要小于螺栓螺紋的等效應(yīng)力截面直徑,這樣螺栓首先在細(xì)腰處發(fā)生塑性變形,這樣也可以有效降低螺栓的相對(duì)塑性變形量。全螺紋在加工時(shí)相對(duì)容易,而且全螺紋螺栓可以達(dá)到的軸力比細(xì)腰螺栓可以達(dá)到的軸力大,綜合考慮,在螺栓需要擰至屈服的情況下,通常建議直接采用全螺紋螺栓,可以有效提高螺紋連接的可靠性。通過(guò)對(duì)該故障的分析,已認(rèn)識(shí)到相對(duì)塑性變形量對(duì)螺栓可靠性的影響,在工程應(yīng)用時(shí)建議通過(guò)調(diào)整塑性變形區(qū)域的長(zhǎng)度,將螺栓的相對(duì)塑性變形量應(yīng)盡量控制到0.6%以下,避免螺栓因?yàn)樗苄宰冃问А?/p>

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