CC BY
75
УДК 621.87
В. В. Кунай, Н. Н. Панасенко*, В. В. Давидюк , Г. У. Азизова*
ООО «Астраханьгазпром»
Астраханский государственный технический университет
ФРАКТОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАЗРУШЕНИЯ ГРУППОВОГО ВИНТОВОГО СОЕДИНЕНИЯ КРАНА LIEBHERR LT-Ю80 РЕГ. № 37933
Во время эксплуатации механизма подъема груза (МПГ) крана ЫЕВНЕКЯ ЬТ-1080 грузоподъемностью 80 т рег. № 37933 1983 г. выпуска, дважды отработавшего нормативный срок службы, при подъеме груза массой 14 т, с длиной стрелы 21 м, на вылете 14 м произошло раскрытие фланца группового винтового соединения водила второй ступени планетарного редуктора с канатным барабаном МПГ (рис. 1). Соединение обеспечивалось двенадцатью винтами М16, по конструкции аналогичными отечественным винтам М16 X 60.88 ГОСТ 11738, изготовленным из стали 30 ГОСТ 1050. Раскрытие фланца сопровождалось разрушением одиннадцати винтов. При демонтаже лебёдки МПГ установлено, что один из винтов М16 самоотвинтился и остался неразрушенным.
Рис. 1. Демонтированная лебёдка МПГ (вид со стороны разрушенного винтового соединения)
Анализу были подвергнуты резьбовые концы одиннадцати винтов, которые разрушились при эксплуатации лебёдки МПГ - каждый на две части, и один самоотвинтившийся в процессе эксплуатации винт, оставшийся неразрушенным. Образцы пронумерованы от 1 до 12 (рис. 2).
Для установления причин раскрытия фланца и характера полученных разрушений применены следующие методы: макроскопическая и микроскопическая фрактография изломов винтов, размерный анализ об-
ломков резьбовых концов и разработка динамической модели разрушения винтового соединения. В предлагаемой статье представлены результаты макроскопической и микроскопической фрактографии.
Проведение макроскопической фракгографии - изучения поверхности излома при небольшом (до 10 х) увеличении — позволило установить характер разрушения; вид, направление, интенсивность разрушающих нагрузок; расположение очага разрушения; связь его с наличием дефектов металла; состояние металла во время разрушения (пластичное, хрупкое и т. д.) [1 — 3].
у 2
V 7 ^8
Рис. 2. Образцы, представленные для анализа
Образцы - резьбовые концы винтов - и, особенно тщательно, поверхность излома перед исследованием подвергали обработке [2] струёй воздуха и промывке в течение 30 мин в ацетоне. Затем производилось трёхкратное наложение поливинилацетатной плёнки, размягчённой в ацетоне, с последующим её удалением после высыхания.
Методика исследования была принята согласно [1-3]: 1) составление схемы разрушения; выявление первичного излома, очага излома; выявление наличия концентраторов напряжения и металлургических дефектов; 2) определение макроориентированности излома; 3) определение вида и степени макропластической деформации и её локализации; 4) характер разрушения в изломе; 5) определение на поверхности излома наличия резко разграниченных макроскопически различимых по строению зон; наличия различных макроскопических знаков - рубцов, ступенек, усталостных линий и т. д.; 6) выявление наличия на изломе продуктов коррозии, связь их с очагом; 7) выявление наличия трещин вблизи и вдали от излома, оценка их расположения; 8) соответствие химического состава и механических свойств материала винтов техническим условиям; 9) исследование макро- и микроструктуры зоны излома; 10) разработка заключения.
При макроскопической фрактографии применялось следующее оборудование: освещение - круговой рассеянный свет от четырёх люминесцентных ламп для устранения резких теней; основной свет - сверху справа от галогеновой лампы мощностью 100 Вт; фотоаппарат - установленная на штативе цифровая камера SONY DSC-P41 с разрешением 4.1 Megapixels; обработка фотографий - цифровая на РС в среде Microsoft Foto Editor.
в
Ниже приводятся результаты макроскопической фрактографии:
1. Во всех случаях разрушений концентратором напряжений является впадина резьбы. Очаг разрушения - первичный излом - находился на минимальном диаметре резьбы, что хорошо согласуется с анализом изменений напряжений во впадине первого рабочего витка [4].
2. Металлургические дефекты на изломах не выявлены.
3. Продукты коррозии на изломах не обнаружены.
4. Трещины вблизи и вдали от излома на представленных для исследования образцах не выявлены.
5. Примеры выполненных схем разрушения, очагов излома, макроориентированности излома, характера разрушения в изломах представлены на рис. 3.
6. Заключение по результатам макроскопической фрактографии. Характер и уровень напряжений, приводящих к разрушению, представлены в табл. 1.
Рис. 3. Винт № 5: а - макрофрактограмма излома, 5х; б - схема излома; в - общий вид образца: 1 - очаг излома;
2 - зона 1 - сверхмедленного развития излома;
3 - зона 2 - медленного развития излома;
4 - зона 3 - быстрого развития излома; 5 - зона 4 - долома
Микроскопическая фрактография - изучение и анализ поверхности излома при большом (для оптического микроскопа 60х^600х) увеличении -проводилась с применением следующего оборудования: металлографиче-
ский инструментальный микроскоп МИМ-7, увеличение 90 х (увеличение до 300х производилось при цифровой обработке фотографий); фотоаппарат - цифровая камера SONY DSC-P41 с разрешением 4.1 Megapixels; обработка фотографий - цифровая на РС в среде Microsoft Foto Editor.
Таблица 1
Характер и уровень напряжений, приведших к разрушению винтов [5]
№ винта (рис. 2) Характер излома Характер нагрузок Уровень начальных напряжений
1 Малоцикловый усталостный Односторонний изгиб Высокий
2 Малоцикловый усталостный Односторонний изгиб Высокий
3 Малоцикловый усталостный Односторонний изгиб Высокий
4 Однократный (ударный) Односторонний изгиб Высокий
5 Многоцикловый усталостный Растяжение Низкий
6 начало излома Малоцикловый усталостный Односторонний изгиб Высокий
6 конец излома Однократный (ударный) Односторонний изгиб + растяжение Высокий
7 Многоцикловый усталостный Односторонний изгиб Низкий
8 Многоцикловый усталостный Растяжение Низкий
9 Многоцикловый усталостный Растяжение Высокий
10 Многоцикловый усталостный Растяжение Низкий
11 Многоцикловый усталостный Растяжение Высокий
Анализ снимков участков изломов с оптического микроскопа по методике [1, 2] при общем увеличении 300 х подтверждает выводы макроскопической фрактографии. В зоне 1 - сверхмедленного развития трещины с образованием наклепа поверхности - усталостные микрополосы остановки фронта развития трещины находятся вплотную друг к другу. В зоне 2 - медленного развития трещины - усталостные микрополосы расположены существенно дальше друг от друга, чем в зоне 1. В зоне 3 -быстрого развития трещины - усталостные микрополосы расположены на большом расстоянии друг от друга. В зоне 4 - зоне долома - присутствуют признаки как пластического (наличие ямок), так и хрупкого (наличие кристаллических фасеток) разрушения. Характер излома с преобладающим наличием микроямок присущ всем зонам долома после усталостного излома (болты № 1, 2, 3, 5, 7, 8, 9, 10, 11). Это свидетельствует о преимуще-
ственно пластическом доломе. Для однократного ударного излома характерно псевдохрупкое разрушение, где преобладающее наличие кристаллических фасеток свидетельствует о межзёренном разрушении, а зона плато с микроямками относительно невелика. Особенно явно это прослеживается для винта № 4, где практически вся поверхность излома представляет собой зону долома. Например, на микрофрактограмме излома винта № 5 (рис. 4) чётко видна граница между зонами 3 и 4, где быстрое усталостное разрушение переходит в зону долома.
Рис. 4. Микрофрактограмма излома винта № 5: четко видна граница между зонами 3 и 4, где быстрое усталостное разрушение переходит в зону долома
В заключение укажем, что винтовые соединения в системе МПГ кранов относятся к расчетным элементам механизмов, неконтролируемая деградация которых может привести к тяжелым авариям, что требует совершенствования как способов ведения экспертных работ, так и основ технической эксплуатации кранов, отработавших нормативный срок службы [4, 6].
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Гордеева Т. А., Жегина И. П. Анализ изломов при оценке надежности материалов. - М.: Машиностроение, 1978. - 554 с.
2. Фрактография и атлас фрактограмм: Справ.: Пер. с англ. / Под ред. Дж. Феллоуза. - М.: Металлургия, 1982. - 489 с.
3. Фридман Я. Б., Гордеева Т. А., Зайцев А. М. Строение и анализ изломов металлов. - М.: Машгиз, 1960. - 128 с.
4. Биргер И. А., Иосилевич Г. Б. Резьбовые соединения. Библиотека конструктора. - М.: Машиностроение 1973. - 256 с.
5. РД10-197-98. Инструкция по оценке технического состояния БиЗС г/п кранов.
6. РД-10-112-2-97. Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы. Ч. 2. Краны стреловые самоходные общего назначения. - М.: ВНИИСТРОЙДОРМАШ, 1997. - 91с.
Получено 29.12.05
FRACTOGRAPHICAL ANALYSIS OF DESTRUCTION OF CLUSTER SCREW COUPLING OF CRANE LIEBHERR LT-1080 РЕГ. № 37933
V. V. Kunay, N. N. Panasenko, V. V. Davidyuk, G. U. Azizova
The article describes the results of macro- and microscopic fractography of cracking screws of cluster screw coupling of II stage carrier in planetary drive unit with rope drum winch on hoisting mechanism LIEBHERR LT-1080 per. N 37933. The screws were destroyed while lifting weight 14 tons. Flange of cluster screw coupling opened though it was fastened by 12 screws M16 type. The nature of destruction; structure, direction, intensity of destructing loading; position of the focus of destruction and its connection with faults in metal; metal structure in time of destruction - all these features have been determined. Microscopic rfactography - study and analysis of the pictures of destructed area taken by optical microscope with magnification 300 + - proved the conclusion of macroscopic fractography.
