摘 要:某電廠調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)軸在開機(jī)調(diào)負(fù)荷過程中發(fā)生斷裂,對斷裂電機(jī)軸進(jìn)行了宏觀檢 驗、化學(xué)成分分析、硬度測試、金相檢驗和斷口分析,并對步進(jìn)電機(jī)軸材料進(jìn)行了切應(yīng)力校核.結(jié)果 表明:該調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)軸斷裂失效為低應(yīng)力高周旋轉(zhuǎn)/彎曲疲勞斷裂.電機(jī)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(yīng)力集中現(xiàn)象,從而促使步進(jìn)電機(jī)軸表面產(chǎn)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(qiáng)度,進(jìn)一步 造成應(yīng)力疊加,材料力學(xué)性能降低,加速疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展. 

關(guān)鍵詞:調(diào)速器;步進(jìn)電機(jī)軸;疲勞斷裂;應(yīng)力集中;夾雜物 

中圖分類號:TG１１５;TB３０ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７２５Ｇ０５

某電廠中調(diào)同意按負(fù) 荷 計 劃 開 啟 ３ 臺 機(jī) 組, １號機(jī)組并網(wǎng)后,現(xiàn)場運行人員隨即在上位機(jī)操作 增加機(jī)組功率,發(fā)現(xiàn)機(jī)組功率調(diào)節(jié)無反應(yīng).現(xiàn)場檢 查發(fā)現(xiàn),１號機(jī)組下位機(jī)遠(yuǎn)方增功繼電器動作正常, 調(diào)速器電調(diào)柜準(zhǔn)確收到增功指令,調(diào)速器機(jī)械柜步 進(jìn)電機(jī)正常動作,但機(jī)械柜內(nèi)的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換裝置 未動作,如圖１所示.１號機(jī)組因調(diào)速器機(jī)械柜位 移轉(zhuǎn)換裝置故障無法增加負(fù)荷,故申請停機(jī)處理,進(jìn) 而對１號機(jī)組調(diào)速器機(jī)械部分進(jìn)行檢查,拆開調(diào)速 器 步進(jìn)電機(jī)與機(jī)械位移轉(zhuǎn)換裝置連接螺栓,發(fā)現(xiàn)調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)軸發(fā)生斷裂,如圖２所示,調(diào)速器機(jī)械 位移轉(zhuǎn)換裝置動作靈活.

１號機(jī)組調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)采用日本SANYO 公 司 M５９B２３D型(雙軸伸)５相步進(jìn)電機(jī),最大靜止轉(zhuǎn) 矩２．２ N??m,轉(zhuǎn) 動 慣 量 １２００g??cm２,步 距 角 為 ０．７２°/步,電機(jī)軸直徑為９．５mm,電機(jī)軸材料、熱處 理狀態(tài)未知.步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性如圖３所示,可見 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速有關(guān),轉(zhuǎn)速在１００r??min－１以下時,基本 為恒轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)矩為２．５N??m;轉(zhuǎn)速在１００r??min－１以 上時,轉(zhuǎn)矩下降.

為查明該調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)軸斷裂原因,筆者對 其進(jìn)行了檢驗和分析,并提出了改進(jìn)建議. 

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀檢驗 

經(jīng)拆卸后觀察發(fā)現(xiàn),電機(jī)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(qū)域,如圖５所示.I區(qū) 為平滑微亮區(qū),呈“下殘月”形態(tài),該區(qū)域位于碟形曲面邊緣 部 位,相 對 緊 鄰 區(qū) 域 光 亮、平 滑、粗 糙 度 小;Ⅱ區(qū)為 暗 灰 色 細(xì) 晶 區(qū),該 區(qū) 域 呈 斜 弧 面 形 態(tài), 約占整個斷面面積的８０％;Ⅲ區(qū)為撕裂區(qū),該區(qū)域 整體呈剪切唇形態(tài),表面粗糙度大,位于I區(qū)對側(cè). 斷口呈 現(xiàn) 的 ３ 個 區(qū) 域 與 典 型 的 疲 勞 斷 口 特 征 區(qū) 域,即疲勞 源 區(qū)、疲 勞 擴(kuò) 展 區(qū) 和 瞬 斷 區(qū) 完 全 吻 合, 由此判斷 該 斷 口 為 典 型 的 低 應(yīng) 力 高 周 旋 轉(zhuǎn)/彎 曲 疲勞斷口[１].

１．２ 化學(xué)成分分析 

該步進(jìn)電機(jī)軸材料未知,在電機(jī)軸斷面附近取 樣,采用Spectro定量光譜儀對其進(jìn)行化學(xué)成分分 析,結(jié)果如表１所示.

由表１所示結(jié)果結(jié)合 GB/T２０８７８－２００７«不銹 鋼和耐熱鋼 牌號及化學(xué)成分»分析可見,電機(jī)軸材 料化學(xué)成分與０Cr１８Ni９Cu２奧氏體不銹鋼成分技 術(shù)要求值最為接近,即日本標(biāo)準(zhǔn)中的 SUS３０４J３不 銹鋼工 業(yè) 規(guī) 格. 實 測 值 中 錳 含 量 (質(zhì) 量 分 數(shù) 為 ２．２２％)高于標(biāo)準(zhǔn)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(wěn)定奧 氏體、減少δ鐵素體含量的作用,因此錳含量不在標(biāo) 準(zhǔn)要求范圍內(nèi)不是導(dǎo)致該步進(jìn)電機(jī)軸斷裂的原因; 實測值中硫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為０．１９８％)高于標(biāo)準(zhǔn)要 求(≤０．０３０％),硫為鋼中的有害元素,容易使鋼產(chǎn) 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(jī)軸 切 面 取 樣 進(jìn) 行 布 氏 硬 度 試 驗,結(jié) 果 如表 ２ 所 示,結(jié) 合 GB/T２０８７８－２００７ 和 GB/T １２２０－２００７«不銹 鋼 棒»技 術(shù) 要 求 可 知,電 機(jī) 軸 材 料硬度與０Cr１８Ni９Cu２不銹鋼固溶處理態(tài)的硬度 值相近. 

１．４ 金相檢驗 

在步進(jìn)電機(jī)軸斷口處取樣進(jìn)行金相檢驗,試樣 經(jīng)磨制、拋光和氯化鐵鹽酸水溶液浸蝕后,在金相顯 微鏡下進(jìn)行觀察.結(jié)果顯示步進(jìn)電機(jī)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(jìn) 電 機(jī) 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(xiàn),如 圖７a)和圖７b)所示;疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)為穿晶斷裂形 貌,裂紋穿過晶界,在晶內(nèi)擴(kuò)展,存在具有明顯方向 性的細(xì)小疲勞條紋,同時擴(kuò)展區(qū)伴隨有夾雜物的存 在,如圖７c)所示;瞬斷區(qū)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(jìn)電機(jī)軸斷口上的夾雜物進(jìn)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(qū)域測點;位置２為正常形貌區(qū)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(jié)果可見,位置１和２測點元素成 分相近,為步進(jìn)電機(jī)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(jīng)分析圓形物質(zhì)和條狀物質(zhì)為碳化物或硫化物組成 的非金屬夾雜物. 

２ 步進(jìn)電機(jī)軸用材料切應(yīng)力校核 

結(jié)合步進(jìn)電機(jī)軸的工況、斷裂形態(tài)及受力狀況 分析可知,電機(jī)軸垂直于軸線的截面上只有切應(yīng)力 作用,其斷裂失效主要是由剪切應(yīng)力導(dǎo)致的,因此考 慮對步進(jìn)電機(jī)軸用材料進(jìn)行切應(yīng)力校核,最大切應(yīng) 力小于許用切應(yīng)力為合格.采用與步進(jìn)電機(jī)軸成分 最接近的０Cr１８Ni９Cu２不銹鋼進(jìn)行校核. 

軸類零件垂直截面上,其最外層的最大切應(yīng)力 τmax為

式中:Mn 為扭矩;Wp 為抗扭截面系數(shù);圓形截面的 Wp＝ πd３ １６ (d 為軸直徑);P 為功率;r 為轉(zhuǎn)速. 對于塑性材料(大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼和鋁合金),許用 應(yīng)力計算公式如下

式中:σs 為材料屈服強(qiáng)度;n 為安全系數(shù). 

對于塑性材料,許用切應(yīng)力計算公式如下 

由 步 進(jìn) 電 機(jī) 軸 轉(zhuǎn) 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(qiáng) 度σs ≥１７７ MPa,由 式 (４)可 得 [σ]＝７０．８~ １１８MPa,則[τ]＝３５．４~８２．６ MPa.可見步進(jìn)電機(jī) 軸用材料τmax＜[τ]即步進(jìn)電機(jī)軸選材符合要求. 

３ 綜合分析

由以上理化檢驗結(jié)果可知,斷裂失效的調(diào)速器 步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)軸的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),電機(jī)軸 斷裂發(fā)生于軸變徑部位退刀槽位置,該位置存在應(yīng) 力集中現(xiàn)象,容易誘發(fā)形成裂紋源.應(yīng)力集中降低 了構(gòu)件 的 承 載 能 力,是 導(dǎo) 致 構(gòu) 件 破 壞 的 主 要 因 素[３Ｇ６].結(jié)合電機(jī)軸斷口分析發(fā)現(xiàn),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(xué)成分與０Cr１８Ni９Cu２奧氏體不銹鋼成分技術(shù) 要 求 值 最 為 接 近,實 測 值 中 硫 的 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 ０．１９８％,高于標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)電機(jī)軸的硬度符合 ０Cr１８Ni９Cu２ 不銹 鋼固溶處理狀態(tài)的硬度值要求;電機(jī)軸斷口處顯微 組織為單相奧氏體,符合技術(shù)要求.EDS分析擴(kuò)展 區(qū)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(xué) 性能降低,特別是降低塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度,加速 疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展;碳化物的析出或偏聚也會 導(dǎo)致材料韌性大大降低;此外夾雜物的存在會進(jìn)一 步造成應(yīng)力疊加或應(yīng)力集中.對步進(jìn)電機(jī)軸用材料 進(jìn)行切應(yīng)力校核,其最大切應(yīng)力τmax小于許用切應(yīng) 力[τ],即步進(jìn)電機(jī)軸選材符合要求.

４ 結(jié)論及建議

(１)調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)軸斷裂失效模式為低應(yīng)力 高周旋轉(zhuǎn)/彎曲疲勞斷裂. 

(２)調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)軸疲勞斷裂失效原因主要 歸結(jié)為以下幾點.首先,步進(jìn)電機(jī)軸表面變徑部位 退刀槽位置存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象;其次,步進(jìn)電機(jī) 軸材料內(nèi)部存在非金屬夾雜物,會進(jìn)一步造成應(yīng)力 疊加或應(yīng)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(qiáng)度,造成材料力 學(xué)性能降低,加速疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展. 

(３)由于廠方未提供調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)軸具體材 料及熱處理狀態(tài),因此化學(xué)成分分析和硬度試驗結(jié) 果僅供參考. 

(４)為防止類似失效事故的再次發(fā)生,建議嚴(yán) 格落實調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)軸材料,把控電機(jī)軸產(chǎn)品質(zhì)量,保證電機(jī)軸的化學(xué)成分滿足技術(shù)要求;若有必要 建議對在役或新采購的步進(jìn)電機(jī)軸進(jìn)行材料復(fù)核和 強(qiáng)度復(fù)核;優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選用,嚴(yán)格控制步進(jìn) 電機(jī)軸變徑部位退刀槽位置的加工精度. 

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<文章來源  >材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 55卷 > 10期 (pp:725-729)>