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叠层膜片联轴器螺栓断裂原因分析

2021-03-16 09:13:47

叠层膜片联轴器螺栓断裂原因分析

   采用化学成分分析、显微组织检验、硬度测定、断口宏观和微观观察及能谱分析等方法对叠层膜片联轴器断裂螺栓进行了分析。结果表明,螺栓根部的退刀槽因加工质量差造成应力集中,加上材料内部有夹杂物,同时在叠层膜片联轴器安装上有问题及机组中其他部件(如风机叶片和齿轮箱)也有损坏等各种因素的存在,该叠层膜片联轴器螺栓组使用于频繁起动的大载荷工作状态,一旦有超过该螺栓所能承受的工作应力就会引起疲劳而发生断裂,较终导致叠层膜片联轴器损坏。给出了正确设计、制造、安装和使用叠层膜片联轴器的建议。


叠层膜片联轴器由两个半联轴节、螺栓和膜片叠集而成。它具有良好的补偿轴向、径向和角向位移的能力,而且承载能力好,有吸振和减振的作用。特别适用于高速或重载场合,且具有耐酸和耐热的特点,广泛应用于航空、石油、化工和机械制造等行业。

叠层膜片联轴器工作时,分别受到扭矩、轴线偏斜而引起的弯矩、螺栓与膜片质量而引起的离心力和膜片轴向位移引起的弹性推力等。扭矩使螺栓产生剪应力;弯矩使螺栓产生拉伸或压缩应力,且轴每转一周应力循环交变一次;离心力使螺栓产生剪切应力,且随转速而变化;弹性推力使螺栓产生拉伸或压缩应力,联轴器旋转时,连杆端部的周期性的轴向偏移会产生一种频率等于轴的旋转频率、振幅等于角位移乘以螺栓所处的半径的轴向振动应力。使用实践表明,叠层膜片联轴器的主要失效方式是膜片和螺栓在交变循环和复合应力作用下的疲劳断裂。安装时螺栓应控制合理的预紧力,可以使叠层膜片联轴器连杆的危险应力点内移,从而可降低交变弯曲应力。如果螺栓预紧力过小,会使膜片间产生相对滑动,不仅降低了传递扭矩的作用,而且对螺栓产生振动剪切和弯曲,并伴有危害及大的振动磨损。一般按螺栓应变的0.2来决定螺栓的预紧力;叠层膜片联轴器的轴向刚度;消 除组装好的叠层膜片联轴器的轴向自由移动等。


损坏原因分析根据所提供的3个螺栓试样分析结果,认为它们的断裂是试样1螺栓首先发生高应力低周期疲劳断裂,导致了其他螺栓的过载断裂。分析产生疲劳断裂的原因:①由于螺栓根部的环形退刀槽机加工质量差,其尖槽处产生高的应力集中,诱发螺栓萌生疲劳裂纹;②材料内部的夹杂物尺寸较大,且距表面很近(约0.1mm),及易成为应力集中源并使疲劳裂纹萌生和扩展;③夹杂物尖锐状也成为应力集中源;④机组中其他部件(如风机叶片和齿轮箱)的损坏;⑤联轴器安装有问题,如预紧力不合理、电机与工作机轴向偏移太大、不工作时膜片不在自由状态或已受拉或受压等。

螺栓根部的退刀槽加工质量差造成高的应力集中、材料内部有夹杂物等冶金缺陷、叠层膜片联轴器安装有问题、机组中其他部件(如风机叶片和齿轮箱)的损坏等,这些因素存在的情况下,当叠层膜片联轴器螺栓组频繁受较大的工作载荷时造成螺栓根部承受工作应力过大而产生疲劳断裂,较终导致叠层膜片联轴器损坏。

建议(1)联轴器设计时,要对螺栓退刀槽的加工质量给予足够的重视,严格控制螺栓材料的冶金质量及热处理工艺,以提高螺栓的疲劳强度。(2)安装要严格控制安装精度,减小两半联轴节之间的角偏差、径向偏差和轴向压缩或拉伸,严格控制联轴器的动平衡精度,减小振动,从而减小螺栓组所受的交变循环复合应力;要控制安装螺栓的预紧力在规定的范围内。联轴器制造厂应在使用说明中对上述指标给予规定。(3)在联轴器工作现场,要安装振动监测装置,出现异常及时报警,避免产生短期过载,防止危害进一步扩大。中间部位,也就是断裂部位,实际上相当于热轧辊,在高温环境下承受相当大的交变接触疲劳应力,再加上芯轴制造质量存在缺陷,在综合作用下很容易萌生热疲劳裂纹。热疲劳裂纹一旦形成,就会以热疲劳裂纹为断裂源,在工作应力作用下扩展至断裂芯轴中存在的明显的树枝晶、带状组织和成分偏析等显微组织缺陷,以及所用材料的耐热性能较差,是导致芯轴发生早期断裂主要原因。建议将芯轴的材料改用耐热性能较好的材料,如热作模具钢等。