Ermüdungsversagen ist eine der häufigsten Versagensarten mechanischer Komponenten. Statistische Daten zeigen, dass 50 bis 80 % aller Ausfälle mechanischer Teile auf Ermüdungsschäden zurückzuführen sind. Vor dem Ermüdungsbruch weisen Bauteile in der Regel keine offensichtlichen plastischen Verformungen oder Vorversagenserscheinungen auf. Dennoch kommt es abrupt und zerstörerisch zu Ermüdungsbrüchen, die oft zu schwerwiegenden Gerätestörungen und Sicherheitsunfällen führen. Ermüdungsschäden folgen bestimmten Entstehungs- und Ausbreitungsgesetzen und entwickeln sich schließlich zu einem vollständigen Ermüdungsbruch.
Definition von Müdigkeit: Unter Metallermüdung versteht man die kontinuierliche Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe unter wiederholter zyklischer Einwirkung wechselnder Beanspruchung oder Dehnung.
Definition von Ermüdungsbruch: Wenn metallische Materialien über einen längeren Zeitraum zyklischen Wechselspannungen und -dehnungen ausgesetzt werden, kommt es zu lokalen mikrostrukturellen Veränderungen und einer kontinuierlichen Ausbreitung interner Defekte, was zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften und schließlich zum vollständigen Bruch von Bauteilen führt. Dieser Versagensprozess wird als Ermüdungsbruch bezeichnet. Die Spannung, die einen Ermüdungsbruch auslöst, liegt im Allgemeinen weit unter der statischen Festigkeitsgrenze des Materials. Ermüdungsbrüche zeichnen sich durch plötzliches Auftreten, hohe Lokalität und hohe Empfindlichkeit gegenüber Oberflächen- und inneren Defekten aus.
1. Makroskopische Morphologieanalyse der Bruchoberfläche
Das Forschungsobjekt dieses Falles ist ein gebrochener Stehbolzen, der in Windkraftanlagen verwendet wird. Die makroskopischen morphologischen Eigenschaften der Bruchfläche werden wie folgt analysiert:
1. Die untere linke und rechte Seite der Bruchfläche weist unregelmäßige konkave und konvexe Morphologien auf. Die linke Seite zeigt eine bogenförmige konvexe Kerbe, während die rechte Seite mit mehreren winzigen gezackten Kerben versehen ist. Der untere Bogen der Fraktur bildet eine scharfe Schneidkante.
2. Ein großer zentraler Bereich des Bruchs dient als Rissausbreitungsbereich und ist mit deutlichen Strandmarkierungen bedeckt, die typische makroskopische Merkmale eines Ermüdungsbruchs sind.
3. Auf der Bruchfläche der Rissinitiierungszone und der Strandmarkierungsausbreitungszone werden Rostspuren beobachtet, die durch langfristige Einwirkung der äußeren Umgebung verursacht werden.
4. Die sofortige Bruchzone weist eine breite und feine Scherlippe mit einer glatten und hellen Bruchfläche ohne Rost auf. Dies weist darauf hin, dass der endgültige Bruch schnell erfolgte und zum duktilen Sofortbruch gehört.
5. Der untere Schaft des gebrochenen Bolzens weist eine glatte und helle Oberfläche mit deutlichen Reibungsspuren auf und bildet eine glatte Bogenoberfläche, die durch langandauernde, wiederholte Reibung erzeugt wird.
6. An der Frakturstelle ist keine offensichtliche Einschnürung oder Verformung zu erkennen, was die Möglichkeit einer Überlastungszugfraktur ausschließt.
2. Makroskopische Fehlermechanismusanalyse
1. Risse beginnen an der Unterseite desStehbolzen. Die glatte Schneidkante, die gezahnten Kerben und die bogenförmigen Lücken am unteren Schaft bilden Spannungskonzentrationsbereiche, die die ursprünglichen Quellen für die Rissbildung darstellen.
2. Die Strandmarkierungsmerkmale in der Rissausbreitungszone sind deutlich erkennbar. Im anfänglichen Ausbreitungsstadium ist der Abstand der Strandmarkierungen gering, was auf ein stabiles und langsames Risswachstum unter zyklischer Tangentialbeanspruchung hinweist. Im späteren Ausbreitungsstadium vergrößert sich der Abstand erheblich, was auf eine beschleunigte Rissausbreitung und ein erhöhtes Versagensrisiko hinweist.
3. Die breite, feine und helle Scherlippe in der Zone des sofortigen Bruchs zeigt typische duktile Brucheigenschaften und beweist, dass der Bolzen eine gut abgestimmte Festigkeit und Zähigkeit mit hervorragenden umfassenden mechanischen Eigenschaften besitzt.
4. Die glatte Bogenoberfläche auf der Bolzenseite ist eine typische Reibungsmorphologie. Dies weist darauf hin, dass der Bolzen einer langfristigen seitlichen Wechselbeanspruchung standhielt, sich während des Betriebs kontinuierlich hin- und herbewegte und wiederholte Reibung und Extrusion mit der Getriebelochwand erzeugte, wodurch schließlich eine polierte, glatte Oberfläche entstand.
Makroskopische Schlussfolgerung: Der Bolzenbruch ist ein typischer Biegeermüdungsbruch. Die Momentbruchzone weist günstige duktile Brucheigenschaften ohne spröde Bruchmerkmale auf.
3. Mikroskopische Morphologieanalyse
Um den Bruchmechanismus weiter zu klären, wurde an der Bruchprobe eine rasterelektronenmikroskopische Untersuchung (REM) durchgeführt, um die mikrostrukturellen Merkmale verschiedener Bruchbereiche zu beobachten.
1. Die REM-Beobachtung zeigt deutliche und regelmäßige Ermüdungsstreifen in der Rissausbreitungszone, die die mikroskopischen Kernmerkmale von Metallermüdungsbrüchen darstellen und gut mit den makroskopischen Strandmarkierungen übereinstimmen, was ein Ermüdungsversagen bestätigt.
2. In REM-Bildern ist eine große Anzahl gleichmäßig verteilter Grübchen zu beobachten, die typische mikroskopische Manifestationen einer hervorragenden Materialzähigkeit sind. Dies entspricht der breiten Scherlippe in der makroskopischen Bruchzone und bestätigt die angemessene Abstimmung von Festigkeit und Plastizität des Bolzens.
3. Auf der gesamten Bruchoberfläche ist keine großflächige Spaltbruchmorphologie zu finden. In lokalen Bereichen treten nur wenige Quasi-{3}Spaltungsmerkmale auf, die sich mit Grübchen abwechseln. Dies weist darauf hin, dass das Material eine geringe Sprödigkeit aufweist und ein optimales Verhältnis von Festigkeit und Zähigkeit aufweist.
Mikroskopische Schlussfolgerung: Die ursprüngliche Oberfläche desZuchtBehält Drehwerkzeugspuren mit hoher Oberflächenrauheit bei und bildet Bereiche mit geringer Spannungskonzentration. Während des Gerätebetriebs unterliegt der Bolzen einer kontinuierlich wechselnden tangentialen Biegespannung, und die Werkzeugspuren auf der Oberfläche werden durch wiederholte Reibung zu einer glatten Bogenoberfläche poliert. Unter langfristiger hochfrequenter Biegung, Kollision und Reibung entstehen Mikrorisse vorzugsweise an rauen Oberflächendefekten und bilden Ermüdungsquellen. Unter der kontinuierlichen Einwirkung wechselnder Belastungen breiten sich die Risse allmählich aus und führen schließlich zu einem Ermüdungsbruch bei hoher Biegewechselzahl. Die makroskopischen und mikroskopischen morphologischen Merkmale sind sehr konsistent und beweisen, dass der plötzliche Bruch durch akkumulierte Biegeermüdungsschäden verursacht wurde.
4. Vor--Untersuchung und Analyse der Arbeitsbedingungen
Um den tatsächlichen Ausfallzustand wiederherzustellen, wurden zwei -Vor-Ort-Untersuchungen am Standort der Windkraftanlage durchgeführt. Zur Klärung der Fehlerbedingungen wurden relevante Informationen wie Betriebsdauer der Ausrüstung, Montageprozess, Installationsposition, Bruchmorphologie und Wartungsaufzeichnungen überprüft.
Mehr als dreißig 1,5-MW-Windenergieanlagen sind seit über drei Jahren in Betrieb, und nur ein Stehbolzen ist gebrochen, was einen individuellen Ausfallfall darstellt. Eine Inspektion vor Ort-zeigt, dass der gebrochene Bolzen mit einer Positionsabweichung installiert wurde. Eine Seite des Schafts passte eng und spaltfrei an die Stirnfläche des Getriebelochs, während die andere Seite einen großen Montagespielraum aufwies. Die Installationsabweichung führte dazu, dass sich der Bolzen während des Turbinenbetriebs kontinuierlich verbiegte und hin- und herbewegte, was zu langfristigen wechselnden seitlichen Belastungen führte und potenzielle Ermüdungsversagensrisiken mit sich brachte.
Die eng anliegende Seite des Bolzens war lückenlos und für Werkzeuge unzugänglich, was beweist, dass diese Position einer extrem hohen zyklischen Tangentialbeanspruchung ausgesetzt war und große Schwierigkeiten bei der späteren Demontage verursachte. Unter kontinuierlicher axialer vertikaler Wechselbeanspruchung erfuhr die Seite des Bolzens, die an der Lochwand anliegt, wiederholte Biegungen, Stöße und Reibung mit dem Getriebeloch. Die ursprünglichen Wendespuren waren vollständig abgenutzt und bildeten eine spiegelähnliche, glatte Bogenoberfläche mit deutlichen Reibungseigenschaften.
Die Windkraftanlage läuft 15 Stunden am Tag mit einer Drehzahl von 17 U/min und erzeugt täglich etwa 15.300 Zyklen. Die Gesamtbetriebszyklen erreichen innerhalb eines halben Jahres 2,8×10⁶ und innerhalb von dreieinhalb Jahren 2,0×10⁷. Der Bolzen schwingt innerhalb einer kleinen Amplitude von etwa 4 mm mit geringer Spannungsamplitude und niedrigem Gesamtspannungsniveau, was zu typischen Arbeitsbedingungen mit geringer Belastung und hoher Ermüdungshäufigkeit gehört. Der Bruch wird durch eine über einen langen Zeitraum akkumulierte Biegeermüdung unter wechselnden seitlichen Belastungen hervorgerufen, was ein typischer Fall eines Bolzenbiegeermüdungsbruchs ist.
5. Umfassende Zusammenfassung
1. Die Versagensart des Bolzens wird als Biegeermüdungsbruch und nicht als Überlastbruch, Sprödbruch oder Bruch aufgrund von Materialfehlern bestätigt.
2. Die Hauptursache des Fehlers ist ein unsachgemäßer Montageprozess. Die Lageabweichung führt zu einem einseitigen Festsitz des Bolzens an der Getriebebohrung und damit zu einer anhaltenden tangentialen Wechselbeanspruchung. Ermüdungsschäden häufen sich während des Hochzyklusbetriebes der Ausrüstung kontinuierlich an und führen schließlich zu Biegeermüdungsbrüchen.
