分享：调速器步进电机轴断裂失效分析
摘 要:某电厂调速器步进电机轴在开机调负荷过程中发生断裂,对断裂电机轴进行了宏观检 验、化学成分分析、硬度测试、金相检验和断口分析,并对步进电机轴材料进行了切应力�：�.结果 表明:该调速器步进电机轴断裂失效为低应力高周旋转/弯曲疲劳断裂.电机轴断裂失效的主要原 因一方面是因为变径部位退刀槽位置容易造成应力集中现象,从而促使步进电机轴表面产生疲劳 裂纹;另一方面是因为硫化物、碳化物等夹杂物的存在会降低材料的塑性、韧性和疲劳强度,进一步 造成应力叠加,材料力学性能降低,加速疲劳裂纹的形成和扩展.
关键词:调速器;步进电机轴;疲劳断裂;应力集中;夹杂物
中图分类号:TG１１５;TB３０ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７２５Ｇ０５
某电厂中调同意按负 荷 计 划 开 启 ３ 台 机 组, １号机组并网后,现场运行人员随即在上位机操作 增加机组功率,发现机组功率调节无反应.现场检 查发现,１号机组下位机远方增功继电器动作正常, 调速器电调柜准确收到增功指令,调速器机械柜步 进电机正常动作,但机械柜内的机械位移转换装置 未动作,如图１所示.１号机组因调速器机械柜位 移转换装置故障无法增加负荷,故申请停机处理,进 而对１号机组调速器机械部分进行检查,拆开调速 器 步进电机与机械位移转换装置连接螺栓,发现调速器步进电机轴发生断裂,如图２所示,调速器机械 位移转换装置动作灵活.
１号机组调速器步进电机采用日本SANYO 公 司 M５９B２３D型(双轴伸)５相步进电机,最大静止转 矩２．２ N??m,转 动 惯 量 １２００g??cm２,步 距 角 为 ０．７２°/步,电机轴直径为９．５mm,电机轴材料、热处 理状态未知.步进电机转矩特性如图３所示,可见 转矩与转速有关,转速在１００r??min－１以下时,基本 为恒转矩,转矩为２．５N??m;转速在１００r??min－１以 上时,转矩下降.
为查明该调速器步进电机轴断裂原因,笔者对 其进行了检验和分析,并提出了改进建议.
１ 理化检验
１．１ 宏观检验
经拆卸后观察发现,电机轴断裂于轴变径部位 退刀槽位置,如图４所示.断口处无明显宏观塑性 变形,边缘有磨损痕迹;断面方向基本与轴线垂直, 两断裂面吻合良好[１],断口表面呈碟形曲面,显示为 暗灰色;断面明显分为３个区域,如图５所示.I区 为平滑微亮区,呈“下残月”形态,该区域位于碟形曲面边缘 部 位,相 对 紧 邻 区 域 光 亮、平 滑、粗 糙 度 小;Ⅱ区为 暗 灰 色 细 晶 区,该 区 域 呈 斜 弧 面 形 态, 约占整个断面面积的８０％;Ⅲ区为撕裂区,该区域 整体呈剪切唇形态,表面粗糙度大,位于I区对侧. 断口呈 现 的 ３ 个 区 域 与 典 型 的 疲 劳 断 口 特 征 区 域,即疲劳 源 区、疲 劳 扩 展 区 和 瞬 断 区 完 全 吻 合, 由此判断 该 断 口 为 典 型 的 低 应 力 高 周 旋 转/弯 曲 疲劳断口[１].
１．２ 化学成分分析
该步进电机轴材料未知,在电机轴断面附近取 样,采用Spectro定量光谱仪对其进行化学成分分 析,结果如表１所示.
由表１所示结果结合 GB/T２０８７８－２００７«不锈 钢和耐热钢 牌号及化学成分»分析可见,电机轴材 料化学成分与０Cr１８Ni９Cu２奥氏体不锈钢成分技 术要求值最为接近,即日本标准中的 SUS３０４J３不 锈钢工 业 规 格. 实 测 值 中 锰 含 量 (质 量 分 数 为 ２．２２％)高于标准要求(≤２．００％),锰元素在奥氏体 不锈钢中的作用与镍元素的相似,主要起到稳定奥 氏体、减少δ铁素体含量的作用,因此锰含量不在标 准要求范围内不是导致该步进电机轴断裂的原因; 实测值中硫含量(质量分数为０．１９８％)高于标准要 求(≤０．０３０％),硫为钢中的有害元素,容易使钢产 生热脆性,降低钢材的延展性和韧性[２].
１．３ 硬度测试
对电机轴 切 面 取 样 进 行 布 氏 硬 度 试 验,结 果 如表 ２ 所 示,结 合 GB/T２０８７８－２００７ 和 GB/T １２２０－２００７«不锈 钢 棒»技 术 要 求 可 知,电 机 轴 材 料硬度与０Cr１８Ni９Cu２不锈钢固溶处理态的硬度 值相近.
１．４ 金相检验
在步进电机轴断口处取样进行金相检验,试样 经磨制、抛光和氯化铁盐酸水溶液浸蚀后,在金相显 微镜下进行观察.结果显示步进电机轴显微组织为 多边形晶粒组成的单相奥氏体,如图６所示.
１．５ 断口分析
由图 ７ 所 示 的 步 进 电 机 轴 断 口 扫 描 电 镜 (SEM)形貌可见,疲劳始于轴的表面,存在明显的 疲劳台阶,同时在疲劳台阶附近伴随有毛刺出现,如 图７a)和图７b)所示;疲劳裂纹扩展区为穿晶断裂形 貌,裂纹穿过晶界,在晶内扩展,存在具有明显方向 性的细小疲劳条纹,同时扩展区伴随有夹杂物的存 在,如图７c)所示;瞬断区呈明显的撕裂状特征,并 伴生有韧窝和裂纹,如图７d)所示.
对步进电机轴断口上的夹杂物进行能谱(EDS) 分析,能谱分析位置如图８所示,其中位置１为摩擦 区域测点;位置２为正常形貌区域测点;位置３为圆 形夹杂物测点;位置４为条状夹杂物测点.由表３ 所示的能谱分析结果可见,位置１和２测点元素成 分相近,为步进电机轴材料成分正常值;位置３和４ 测点主要元素成分中碳和硫含量明显高于正常值, 经分析圆形物质和条状物质为碳化物或硫化物组成 的非金属夹杂物.
２ 步进电机轴用材料切应力�：�
结合步进电机轴的工况、断裂形态及受力状况 分析可知,电机轴垂直于轴线的截面上只有切应力 作用,其断裂失效主要是由剪切应力导致的,因此考 虑对步进电机轴用材料进行切应力�：�,最大切应 力小于许用切应力为合格.采用与步进电机轴成分 最接近的０Cr１８Ni９Cu２不锈钢进行�：�.
轴类零件垂直截面上,其最外层的最大切应力 τmax为
式中:Mn 为扭矩;Wp 为抗扭截面系数;圆形截面的 Wp＝ πd３ １６ (d 为轴直径);P 为功率;r 为转速. 对于塑性材料(大多数结构钢和铝合金),许用 应力计算公式如下
式中:σs 为材料屈服强度;n 为安全系数.
对于塑性材料,许用切应力计算公式如下
由 步 进 电 机 轴 转 矩 特 性 曲 线 可 知 Mn,max ＝ ２．５N??m,Wp＝１６８．２６mm３(d＝９．５mm),由式(１)可得τmax＝１３．０７MPa;０Cr１８Ni９Cu２不锈钢屈服强 度σs ≥１７７ MPa,由 式 (４)可 得 [σ]＝７０．８~ １１８MPa,则[τ]＝３５．４~８２．６ MPa.可见步进电机 轴用材料τmax＜[τ]即步进电机轴选材符合要求.
３ 综合分析
由以上理化检验结果可知,断裂失效的调速器 步进电机轴具有以下特点,断口具有明显的疲劳断 裂宏观特征,从步进电机轴的结构分析发现,电机轴 断裂发生于轴变径部位退刀槽位置,该位置存在应 力集中现象,容易诱发形成裂纹源.应力集中降低 了构件 的 承 载 能 力,是 导 致 构 件 破 坏 的 主 要 因 素[３Ｇ６].结合电机轴断口分析发现,断口具有疲劳断 裂的微观特征,即疲劳台阶及疲劳辉纹.断口试样 化学成分与０Cr１８Ni９Cu２奥氏体不锈钢成分技术 要 求 值 最 为 接 近,实 测 值 中 硫 的 质 量 分 数 为 ０．１９８％,高于标准要求值(≤０．０３０％).硫为钢中 的有害元素,会造成钢的热脆性,使其延展性和韧性 降低.步进电机轴的硬度符合 ０Cr１８Ni９Cu２ 不锈 钢固溶处理状态的硬度值要求;电机轴断口处显微 组织为单相奥氏体,符合技术要求.EDS分析扩展 区条状和圆形夹杂物为碳化物或硫化物组成的非金 属夹杂物,硫化物具有较大的脆性,会造成材料力学 性能降低,特别是降低塑性、韧性和疲劳强度,加速 疲劳裂纹的形成和扩展;碳化物的析出或偏聚也会 导致材料韧性大大降低;此外夹杂物的存在会进一 步造成应力叠加或应力集中.对步进电机轴用材料 进行切应力�：�,其最大切应力τmax小于许用切应 力[τ],即步进电机轴选材符合要求.
４ 结论及建议
(１)调速器步进电机轴断裂失效模式为低应力 高周旋转/弯曲疲劳断裂.
(２)调速器步进电机轴疲劳断裂失效原因主要 归结为以下几点.首先,步进电机轴表面变径部位 退刀槽位置存在明显应力集中现象;其次,步进电机 轴材料内部存在非金属夹杂物,会进一步造成应力 叠加或应力集中;最后,硫化物、碳化物等夹杂物的 存在会降低材料塑性、韧性和疲劳强度,造成材料力 学性能降低,加速疲劳裂纹的形成和扩展.
(３)由于厂方未提供调速器步进电机轴具体材 料及热处理状态,因此化学成分分析和硬度试验结 果仅供参考.
(４)为防止类似失效事故的再次发生,建议严 格落实调速器步进电机轴材料,把控电机轴产品质量,保证电机轴的化学成分满足技术要求;若有必要 建议对在役或新采购的步进电机轴进行材料复核和 强度复核;优化结构设计和材料选用,严格控制步进 电机轴变径部位退刀槽位置的加工精度.
参考文献:
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