피로 고장은 기계 부품의 가장 일반적인 고장 모드 중 하나입니다. 통계 데이터에 따르면 모든 기계 부품 고장의 50~80%가 피로 손상으로 인해 발생하는 것으로 나타났습니다. 피로 파괴 이전에 부품은 일반적으로 뚜렷한 소성 변형이나 사전 파손 징후를 나타내지 않습니다.- 그럼에도 불구하고 피로파괴는 갑작스럽고 파괴적으로 발생하여 심각한 장비고장 및 안전사고로 이어지는 경우가 많다. 피로 손상은 특정 개시 및 전파 법칙을 따르며 결국에는 완전한 피로 골절로 발전합니다.
피로의 정의: 금속피로란 교번응력이나 변형률이 반복적으로 작용하여 금속재료의 기계적 성질이 지속적으로 저하되는 현상을 말한다.
피로 골절의 정의: 금속 재료가 장기간 반복되는 교번 응력 및 변형을 받으면-국부적인 미세 구조 변화와 내부 결함의 지속적인 전파가 발생하여 기계적 특성이 저하되고 결국 부품이 완전히 파손됩니다. 이 실패 과정은 피로 파괴로 정의됩니다. 피로 파괴를 유발하는 응력은 일반적으로 재료의 정적 강도 한계보다 훨씬 낮습니다. 피로 파괴는 갑작스러운 발생, 높은 국지성, 표면 및 내부 결함에 대한 높은 민감성을 특징으로 합니다.
1. 파손 표면의 거시적 형태 분석
이번 사례의 연구 대상은 풍력 터빈 장비에 사용되는 파손된 스터드 볼트입니다. 파단면의 거시적인 형태학적 특성은 다음과 같이 분석된다.
1. 파단면의 왼쪽과 오른쪽 아래 부분은 불규칙한 오목형과 볼록형 형태를 나타냅니다. 왼쪽에는 원호- 모양의 볼록한 노치가 보이고 오른쪽에는 여러 개의 작은 톱니 모양 노치가 분포되어 있습니다. 골절의 아래쪽 호는 날카로운 절단 모서리를 형성합니다.
2. 균열의 큰 중앙 영역은 균열 전파 영역 역할을 하며 피로 균열의 전형적인 거시적 특징인 뚜렷한 해변 표시로 덮여 있습니다.
3. 외부 환경에 장기간 노출되어 균열 발생부와 비치마크 전파부의 파단면에 녹 흔적이-관찰된다.
4. 순간파괴부는 녹이 슬지 않고 매끄럽고 밝은 파단면을 가지며 넓고 미세한 전단립을 나타낸다. 이는 최종파괴가 빠르게 발생하여 연성순간파괴에 속함을 의미한다.
5. 파손된 스터드의 하부 생크는 마찰 흔적이 뚜렷한 매끄럽고 밝은 표면을 특징으로 하며 장기간 반복된 마찰로 인해 생성된 매끄러운 호 표면을 형성합니다.-
6. 파단 위치에서 뚜렷한 네킹이나 변형이 발견되지 않아 과부하 인장 파단의 가능성이 배제됩니다.
2. 거시적인 고장 메커니즘 분석
1. 균열은 하부에서 시작됩니다.스터드 볼트. 부드러운 절삭날, 톱니 모양의 노치 및 하단 생크의 호-형 틈은 원래 균열 시작 원인인 응력 집중 영역을 형성합니다.
2. 균열전파대의 비치마크 특징이 두드러진다. 초기 전파 단계에서는 해변 표시의 간격이 작아서 주기적 접선 응력 하에서 안정적이고 느린 균열 성장을 나타냅니다. 후기 전파 단계에서는 간격이 크게 증가하여 균열 전파가 가속화되고 파손 위험이 증가합니다.
3. 순간 파괴 영역의 넓고 미세하며 밝은 전단 립은 전형적인 연성 파괴 특성을 나타내며, 이는 스터드가 탁월한 종합 기계적 특성과 잘 일치하는 강도와 인성을 갖고 있음을 입증합니다.-
4. 스터드 측의 매끄러운 원호 표면은 전형적인 마찰 형태입니다. 이는 스터드가 장기간 측면 교번 응력을 견디고 작동 중에 지속적으로 왕복 운동하며 기어 구멍 벽과 반복적인 마찰 및 압출을 생성하여 최종적으로 연마된 매끄러운 표면을 형성함을 나타냅니다.
거시적 결론: Stud의 파손은 전형적인 굽힘 피로 파손이다. 순간 파괴 영역은 취성 파괴 특성 없이 양호한 연성 파괴 특성을 나타냅니다.
3. 현미경 형태 분석
파단 메커니즘을 더욱 명확히 하기 위해 파단 표본에 대해 주사전자현미경(SEM) 현미경 검출을 수행하여 다양한 파단 영역의 미세구조적 특징을 관찰했습니다.
1. SEM 관찰은 균열 전파 영역에서 명확하고 규칙적인 피로 줄무늬를 보여줍니다. 이는 금속 피로 파괴의 핵심 미세 특징이며 거시적 해변 표시와 잘 일치하여 피로 파괴를 확인합니다.
2. 균일하게 분포된 다수의 딤플이 SEM 이미지에서 관찰되는데, 이는 우수한 재료 인성의 전형적인 미세한 발현입니다. 이는 거시적 파괴 영역의 넓은 전단 립과 일치하며 스터드의 강도와 가소성의 합리적인 조정을 확인합니다.
3. 전체 파괴 표면에서 큰-면적 벽개 파괴 형태는 발견되지 않습니다. 국부적인 영역에는 보조개와 교대로 나타나는 소량의 준-절개 특징만이 나타납니다. 이는 재료의 취성이 낮고 강도와 인성이 최적으로 일치함을 나타냅니다.
미세한 결론: 원래 표면마개높은 표면 거칠기로 선삭 공구 자국을 유지하여 약한 응력 집중 영역을 형성합니다. 장비 작동 중에 스터드는 연속적인 교번 접선 굽힘 응력을 견디고 표면 도구 표시는 반복적인 마찰에 의해 부드러운 원호 표면으로 연마됩니다. 장기간의-고주파- 왕복 굽힘, 충돌 및 마찰 하에서 미세균열은 우선적으로 거친 표면 결함에서 시작되어 피로 원인을 형성합니다. 교번 하중의 지속적인 작용으로 균열이 점진적으로 전파되어 최종적으로 고-사이클 굽힘 피로 파괴로 이어집니다. 거시적 및 미시적 형태적 특징은 매우 일관적이며, 이는 갑작스러운 파손이 누적된 굽힘 피로 손상에 의해 발생함을 입증합니다.
4.-현장조사 및 근로조건 분석
실제 고장난 작동 상태를 복원하기 위해 풍력 터빈 현장에서 두 차례의 현장 조사가{0}}수행되었습니다. 장비 작동 기간, 조립 과정, 설치 위치, 파손 형태, 유지 관리 기록 등 관련 정보를 검증하여 고장 조건을 명확히 했습니다.
3년 넘게 1.5MW급 풍력터빈 30여대가 가동됐는데, 스터드 볼트가 1개만 파손돼 개별 고장 사례다. 현장 조사에 따르면 파손된 스터드는 위치 편차가 있는 상태로 설치되었습니다. 생크의 한 쪽은 기어 구멍 단면에 틈 없이 밀착되었고, 다른 쪽은 조립 간격이 컸습니다. 설치 편차로 인해 스터드가 터빈 작동과 함께 지속적으로 구부러지고 왕복하게 되어 -장기간 교번 측면 하중이 발생하고 잠재적인 피로 파괴 위험이 발생했습니다.
스터드의 밀접하게 장착된 측면은 틈새가 없고 도구에 접근할 수 없었으며, 이는 이 위치가 극도로 높은 주기적 접선 응력을 견디고 나중에 분해할 때 큰 어려움을 초래한다는 것을 증명했습니다. 지속적인 축 수직 교번 응력 하에서 구멍 벽에 맞는 스터드 측면은 반복적인 굽힘, 충격 및 기어 구멍과의 마찰을 경험했습니다. 원래의 회전 표시는 완전히 닳아 없어져 마찰 특성이 뚜렷하고 거울과 같은 -매끄러운 호 표면을 형성했습니다.
풍력 터빈은 하루 15시간 동안 17r/min의 회전 속도로 작동하며 매일 약 15,300사이클을 생성합니다. 총 작동 주기는 반년 이내에 2.8×10⁶, 3년 반 이내에 2.0×107에 도달합니다. 스터드는 일반적인 낮은-응력 높은-사이클 피로 작업 조건에 속하는 낮은 응력 진폭과 낮은 전체 응력 수준으로 약 4mm의 작은 진폭 내에서 스윙합니다. 파단은 교번 측면 하중 하에서 장기간 누적된 굽힘 피로에 의해 발생하며, 이는 볼트 굽힘 피로 파단의 전형적인 경우입니다.
5. 종합 요약
1. 스터드의 파손 형태는 과부하 파손, 취성 파손, 재료 결함에 의한 파손이 아닌 굽힘 피로 파손으로 확인됩니다.
2. 고장의 근본 원인은 부적절한 조립 공정입니다. 위치 편차로 인해 스터드가 기어 구멍에 일방적으로 밀착되어 교번 접선 굽힘 응력이 지속됩니다. 피로 손상은 고-주기 장비 작동 중에 지속적으로 축적되어 결국 굽힘 피로 파괴를 유발합니다.
