疊層膜片聯軸器螺栓斷裂原因分析

   采用化學成分分析、顯微組織檢驗、硬度測定、斷口宏觀和微觀觀察及能譜分析等方法對疊層膜片聯軸器斷裂螺栓進行了分析。結果表明,螺栓根部的退刀槽因加工質量差造成應力集中,加上材料內部有夾雜物,同時在疊層膜片聯軸器安裝上有問題及機組中其他部件(如風機葉片和齒輪箱)也有損壞等各種因素的存在,該疊層膜片聯軸器螺栓組使用于頻繁起動的大載荷工作狀態,一旦有超過該螺栓所能承受的工作應力就會引起疲勞而發生斷裂,較終導致疊層膜片聯軸器損壞。給出了正確設計、制造、安裝和使用疊層膜片聯軸器的建議。

疊層膜片聯軸器由兩個半聯軸節、螺栓和膜片疊集而成。它具有良好的補償軸向、徑向和角向位移的能力,而且承載能力好,有吸振和減振的作用。特別適用于高速或重載場合,且具有耐酸和耐熱的特點,廣泛應用于航空、石油、化工和機械制造等行業。

疊層膜片聯軸器工作時,分別受到扭矩、軸線偏斜而引起的彎矩、螺栓與膜片質量而引起的離心力和膜片軸向位移引起的彈性推力等。扭矩使螺栓產生剪應力;彎矩使螺栓產生拉伸或壓縮應力,且軸每轉一周應力循環交變一次;離心力使螺栓產生剪切應力,且隨轉速而變化;彈性推力使螺栓產生拉伸或壓縮應力,聯軸器旋轉時,連桿端部的周期性的軸向偏移會產生一種頻率等于軸的旋轉頻率、振幅等于角位移乘以螺栓所處的半徑的軸向振動應力。使用實踐表明,疊層膜片聯軸器的主要失效方式是膜片和螺栓在交變循環和復合應力作用下的疲勞斷裂。安裝時螺栓應控制合理的預緊力,可以使疊層膜片聯軸器連桿的危險應力點內移,從而可降低交變彎曲應力。如果螺栓預緊力過小,會使膜片間產生相對滑動,不僅降低了傳遞扭矩的作用,而且對螺栓產生振動剪切和彎曲,并伴有危害及大的振動磨損。一般按螺栓應變的0.2來決定螺栓的預緊力;疊層膜片聯軸器的軸向剛度;消 除組裝好的疊層膜片聯軸器的軸向自由移動等。

損壞原因分析根據所提供的3個螺栓試樣分析結果,認為它們的斷裂是試樣1螺栓首先發生高應力低周期疲勞斷裂,導致了其他螺栓的過載斷裂。分析產生疲勞斷裂的原因:①由于螺栓根部的環形退刀槽機加工質量差,其尖槽處產生高的應力集中,誘發螺栓萌生疲勞裂紋;②材料內部的夾雜物尺寸較大,且距表面很近(約0.1mm),及易成為應力集中源并使疲勞裂紋萌生和擴展;③夾雜物尖銳狀也成為應力集中源;④機組中其他部件(如風機葉片和齒輪箱)的損壞;⑤聯軸器安裝有問題,如預緊力不合理、電機與工作機軸向偏移太大、不工作時膜片不在自由狀態或已受拉或受壓等。

螺栓根部的退刀槽加工質量差造成高的應力集中、材料內部有夾雜物等冶金缺陷、疊層膜片聯軸器安裝有問題、機組中其他部件(如風機葉片和齒輪箱)的損壞等,這些因素存在的情況下,當疊層膜片聯軸器螺栓組頻繁受較大的工作載荷時造成螺栓根部承受工作應力過大而產生疲勞斷裂,較終導致疊層膜片聯軸器損壞。

建議(1)聯軸器設計時,要對螺栓退刀槽的加工質量給予足夠的重視,嚴格控制螺栓材料的冶金質量及熱處理工藝,以提高螺栓的疲勞強度。(2)安裝要嚴格控制安裝精度,減小兩半聯軸節之間的角偏差、徑向偏差和軸向壓縮或拉伸,嚴格控制聯軸器的動平衡精度,減小振動,從而減小螺栓組所受的交變循環復合應力;要控制安裝螺栓的預緊力在規定的范圍內。聯軸器制造廠應在使用說明中對上述指標給予規定。(3)在聯軸器工作現場,要安裝振動監測裝置,出現異常及時報警,避免產生短期過載,防止危害進一步擴大。中間部位,也就是斷裂部位,實際上相當于熱軋輥,在高溫環境下承受相當大的交變接觸疲勞應力,再加上芯軸制造質量存在缺陷,在綜合作用下很容易萌生熱疲勞裂紋。熱疲勞裂紋一旦形成,就會以熱疲勞裂紋為斷裂源,在工作應力作用下擴展至斷裂芯軸中存在的明顯的樹枝晶、帶狀組織和成分偏析等顯微組織缺陷,以及所用材料的耐熱性能較差,是導致芯軸發生早期斷裂主要原因。建議將芯軸的材料改用耐熱性能較好的材料,如熱作模具鋼等。