電機轉(zhuǎn)子撐塊螺栓斷裂分析

鄭吉偉，戚彩夢，葛光男，秦 斌，曲兆國

(1． 哈爾濱電氣動力裝備有限公司，哈爾濱 150066；2． 哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

0 引言

某軋鋼廠驅(qū)動電機運行中出現(xiàn)異響，停機檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子一撐塊螺栓斷裂甩出，導(dǎo)致電機發(fā)生掃膛事故。撐塊螺栓用于固定磁極間的撐塊，它通過螺紋與轉(zhuǎn)子連接，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 撐塊螺栓位置示意圖

螺栓材料為35CrMo，其斷裂位置見圖2，斷裂面是螺栓螺紋首螺紋所在面，該面基本與轉(zhuǎn)子螺紋孔端面持平。螺栓受力分析表明，斷裂螺紋根部是整個螺栓把合應(yīng)力和運行中彎曲應(yīng)力最大的位置。

圖2 斷裂螺栓實物

該種結(jié)構(gòu)電機撐塊螺栓斷裂后，會甩出并卡入定轉(zhuǎn)子間的氣隙中，造成電機掃膛的質(zhì)量事故，從而給鋼廠造成巨大的經(jīng)濟損失。因此需要從根本上杜絕此類事故發(fā)生。本文從材料斷口分析入手，輔以化學(xué)成分、力學(xué)性能檢驗手段，分析并確定材料斷裂性質(zhì)，并提出預(yù)防手段，為設(shè)計改進(jìn)提供技術(shù)支撐。

1 螺栓材料試驗

1．1 化學(xué)成分結(jié)果

螺栓化學(xué)分析試驗結(jié)果如表1所示，成分符合GB/T 3077—2015的要求。

表1 化學(xué)分析結(jié)果 單位：%

1．2 力學(xué)性能結(jié)果

取樣前，在螺栓六角頭側(cè)面進(jìn)行布氏硬度試驗，試驗方法按照GB/T 231．1—2018執(zhí)行。拉伸試驗采用φ10 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣，試驗方法按照GB/T 228.1—2010執(zhí)行。沖擊試驗按照GB/T 229—2020執(zhí)行。拉伸、硬度、沖擊試驗結(jié)果如表2所示。經(jīng)核實，滿足設(shè)計要求。

表2 力學(xué)性能結(jié)果

1．3 金相及夾雜物試驗結(jié)果

螺栓材料顯微組織如圖3所示，為馬氏體回火組織，500倍組織可以看到馬氏體板條束及回火屈氏體組織。表明螺栓材料經(jīng)過淬火+回火熱處理。

圖3 螺栓顯微組織×200

夾雜物檢測結(jié)果：夾雜物為D類(球狀氧化物)，粗系0.5級，細(xì)系2．0級。表明夾雜物細(xì)小，數(shù)量少。

綜上分析，表明斷裂螺栓材料的成分，組織及性能均滿足設(shè)計要求，斷裂不是由材料誤用或是材料質(zhì)量問題導(dǎo)致的。

2 斷口分析

斷裂且掃膛，螺栓無法獲得實物，不能進(jìn)行實物觀察，本次分析以斷裂未掃膛螺栓斷口為主進(jìn)行。該螺栓在第一螺紋根部斷裂，僅存螺牙處連接，手動折斷后的斷口如圖4所示。

圖4 斷口1照片

從照片可以看出，斷口平齊，無塑性變形，是典型的脆性斷口。斷口邊緣，即螺紋根部發(fā)生銹蝕。存在肉眼可見的貝紋線，但貝紋線較平直，該特征占整個斷口面積90%以上。宏觀觀察不能判斷裂紋源位置，無明顯的快速擴展區(qū)。該斷口特征與保留在轉(zhuǎn)子上的螺栓斷口特征相同，且整個斷口的貝紋線方向基本與轉(zhuǎn)子軸向保持一致。

利用掃描電鏡對斷口1進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)大量典型的疲勞輝紋特征，如圖5所示，證明了該斷口屬于疲勞斷口，與前面所述宏觀疲勞貝紋線特征相互印證。

圖5 斷口掃描電鏡照片

疲勞裂紋一般沿著垂直于貝紋線的方向擴展[1]，圖4中所示未斷裂部位是整個斷口最后斷裂的位置。在該位置的對面進(jìn)行100倍的光學(xué)顯微鏡檢查，在斷口邊緣接近螺紋根部的位置存在相對較大的疲勞輝紋特征。該位置是斷口的裂紋源，如圖6所示，裂紋源附近未見夾雜物及其他材料缺陷存在。該位置是螺栓承受彎曲應(yīng)力最大的位置，又由于螺紋根部缺口效應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)力集中，在電機運行時周期性彎曲應(yīng)力作用下，導(dǎo)致螺紋根部疲勞累積損傷，形成裂紋源。

圖6 斷口裂紋源照片×100

3 結(jié)論

通過螺栓斷口觀察及分析，以及材料各項檢測，可知螺栓材料指標(biāo)滿足設(shè)計要求。螺栓與轉(zhuǎn)子螺孔端面接近的螺紋是承受彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力最大的位置，同時螺紋根部應(yīng)力集中，在周期性的彎曲應(yīng)力作用下，該螺紋根部疲勞損傷生成裂紋源，裂紋沿電機周向由一側(cè)向另一側(cè)擴展，最終斷裂。

為避免螺栓斷裂問題的再次發(fā)生，建議采取以下改進(jìn)措施：

第一，螺紋缺口存在應(yīng)力集中效應(yīng)，建議更改結(jié)構(gòu)，使螺栓承受最大彎曲應(yīng)力位置處于光桿位置，避開螺紋位置。

第二，提高裝配精度，減小或消除螺栓所受的周期彎曲應(yīng)力。