大型离心风机联轴器螺栓断裂分析

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1、大型离心风机联轴器螺栓断裂失效分析【摘要】本文介绍了某发电公司一次风机联轴器螺栓断裂情况，从风机运行方式工频与变频的不同、螺栓材质及力学特性和强度性能等方面对联轴器螺栓失效原因做了全面的分析，得出了螺栓断裂的失效的原因除了本身材质及热处理工艺等原因外，还与风机变频工况下的复杂受力情况有一定的关系，最后给出了预防螺栓断裂失效的有效措施。【关键词】断裂热处理疲劳受力1断裂情况简介某发电公司的一次风机采用的是沈阳鼓风机厂生产的型号为G9-2×6N017F的双吸单出式离心风机，采用右旋方式、叶片前弯式结构。

2、风机与电机连接采用膜片式联轴器，如图1所示，用16条螺栓连接，每侧8条。联轴器螺栓材质为45#钢，规格为M30*170。图1膜片联轴器示意图在2011年3月，发现一次风机联轴器防护罩下方遗落有3个螺栓螺母，检查确认系联轴器的螺栓的紧固螺母。就地观测轴承振动、温度、运行声音等运行参数均无异常。经停运风机之后，检查膜片联轴器两侧的螺栓分别断裂2只和1只。2断裂原因分析2.1风机运行方式及螺栓受力分析据了解，该风机从2009年开始投入变频工况运行，风机变频运行中，由于风机转速的频繁变化，无形中增加了对螺栓

3、附加的剪切应力。同时，在实际的变频运行过程中，电机的轴向窜动量也明显增大，造成联轴器的轴向窜动量也增大，可能会造成螺栓轴向受力增加。如图2所示为螺栓受力分析示意图。图2螺栓受力分析示意图对于风机膜片联轴器而言，在运行工程中联轴器分别受到扭矩、轴线偏斜而引起的弯矩、螺栓与膜片质量不均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

4、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。众多的使用实践也表明，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。同时，螺栓在安装时需要预先拧紧，因此都需要承受静拉伸载荷。除受到轴向预紧拉伸载荷的作用外，通常还会在工作过程中受到附加的轴向拉伸（交变）载荷、横向剪切（交变）载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用，有时还受到冲击载荷的作用。通常情况下，附加的横向交变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂，而在

5、环境介质的作用下轴向拉伸载荷则会引起螺栓的延迟断裂。而通常这种断裂容易在缺口集中部位如杆与头部的过度处或螺纹根部产生。2.2金属检验分析2.2.1断口宏观检验分析图2螺栓断裂部位与断裂螺栓断口宏观形貌图图2所示为断裂螺栓的宏观断口形貌。从图中可以看出，螺栓断裂发生在螺栓光滑部分与螺纹部分的结合部位，断口平齐，断口边缘未发生明显塑性变形，呈现典型的脆性断口特征。在裂纹扩展区可见从裂纹源区始发的放射线状撕裂棱线，断口面与螺栓轴线方向成小角度的倾斜，随着裂纹扩展，螺栓有效截面不断减小而形成最终瞬断区；螺栓

6、外表面无明显氧化皮，表明运行温度不高；螺栓外表面无明显冲击痕迹，且测量时振动在合理范围内，表明并非冲击所致。综上可初步判断该螺栓断裂属于疲劳延迟断裂。2.2.2化学成分及力学性能分析（一）化学成分分析项目CSiMnSP标准值0.42～0.500.17～0.370.50～0.80≤0.040≤0.040试件0.430.270.610.0320.017结论合格合格合格合格合格（二）力学性能分析项目抗拉强度σb（MPa）伸长率δ5%标准值63717试件68514结论合格不合格（三）硬度分析项目HB标准（正

7、火态）标准（调质态）试件171187～229220～256结论不合格从上述的材质化学成分分析、力学性能分析和硬度分析的结果来看，我们能得出如下几个结论：（1）该螺栓经化学成份分析为45#钢，与实际相符。（2）该螺栓的抗拉强度符合45#钢的抗拉强度标准，说明该螺栓强度合格，（3）该螺栓的断口伸长率小于标准值，说明该螺栓塑性较差。（4）该螺栓的材质硬度低于标准值，说明该螺栓硬度不够。2.2.3金相组织分析通过低倍组织100倍和断裂金相组织100倍微观检查，发现组织内存在有大量的夹杂物，说明材料原始加工存

8、在原始缺陷。从图3可以看到，内壁裂纹内充满氧化物，裂纹尖端沿晶扩展。靠近内壁组织为铁素体＋碳化物，珠光体形态完全消失，近内壁位置碳化物在晶界聚集长大，呈链状分布，局部形成双境界，可见蠕变孔洞和裂纹，内壁氧化晶界超过5个晶粒，这种不良组织状态是造成零件断裂的根本原因。从上述的金相组织分析中，我们可以看出：螺栓断裂处金相组织为铁素体＋珠光体+少量魏氏组织+到处可见的夹杂物，且硬度低于标准值，说明该螺栓只是在中扎状态下直接加工而成，未进行正规的正火处理，更未进行调质处理，说