疲勞強度破壞實例

1、疲勞強度破壞實例疲勞破壞在局部應(yīng)力最高的部位發(fā)生，某些機械，常常由于設(shè)計、制造、裝 配和使用中的不合理，造成零部件過早地發(fā)生疲勞斷裂。鍛造用水壓機，特別是1600噸以下的三梁（上橫梁、活動橫梁及下橫梁） 四柱式結(jié)構(gòu)的小型水壓機（圖1.1），由于上、下橫梁與立柱形成的框架的剛度小， 在鍛造過程中搖晃厲害，這樣，常在立柱下端應(yīng)力集中處發(fā)生疲勞破壞。圖1.2 為1250噸鍛造水壓機的立柱，材料為45鋼經(jīng)正火處理，立柱兩端的錐臺分別與 上、下橫梁聯(lián)接，立柱有內(nèi)孔，通高壓液體。該水壓機投產(chǎn)后不到兩年，有一根 立柱疲勞斷裂，焊修后繼續(xù)使用。另一根立柱因超載運行斷裂，更換一舊立柱。 再過一年大修時，將兩根立

2、柱都換上40Cr的新立柱，三年后，一根立柱又產(chǎn)生 疲勞裂紋（圖1.2所示）。還有一臺1600噸水壓機投產(chǎn)后一年半，一根立柱在下 橫梁上螺母上部退刀槽處發(fā)生疲勞斷裂（圖1.3）。從上面的例子可以看出，水壓 機立柱的疲勞斷裂，大都發(fā)生在下橫梁上螺母（或錐臺）與立柱光滑區(qū)的過渡圓 角處，該處的應(yīng)力集中最大。圖1.1鍛造水壓機簡圖1-立柱螺帽2上橫梁3液壓缸4-立柱 5活動橫梁 6-上砧7-下砧8下橫梁圖1.2立柱在椎臺與下橫梁相聯(lián)接處斷裂-疲勞斷裂=：=：r圖1.3立柱在I、橫梁上螺 母上部退刀槽處斷裂1 一立柱2上螺母3下橫梁 4下螺母水壓機橫梁的疲勞破壞，可以分為兩種情況：下橫梁及活動橫梁的疲勞

3、破壞， 都發(fā)生在梁的中央部位。因為這種橫梁各截面的面積近似相等，中央截面上的彎 矩最大。例如，一臺1250噸水壓機投產(chǎn)后十年，在下橫梁中央部位產(chǎn)生疲勞裂 紋。另一臺1000噸水壓機投產(chǎn)一年后，于活動橫梁中央產(chǎn)生疲勞裂紋，修焊后 使用了兩年又開裂。對于梯形的上橫梁，最高的局部應(yīng)力不在中央截面上，而在 上橫梁與柱套交界的圓弧處。因此，疲勞破壞在交界圓弧處發(fā)生。軋機閉式機架用于初軋機、鋼坯軋機及板軋機等。對于以強度為主要要 求的軋機機架，其破壞形式是彎曲疲勞破壞。疲勞裂紋源常發(fā)生在壓下螺母孔的 過渡圓弧r處（圖1.4中的1處），該處的峰值應(yīng)力最高。但有些軋機（如1200 薄板迭軋機）工作十年后，發(fā)現(xiàn)

4、在上橫梁與立柱過渡圓角處有30mm長的裂紋（圖 1.4中的2處）。圖1.4軋機閉式機架運錠車用于將罩式加熱爐中的大鋼錠運到初軋機前的受料輥道上，它經(jīng) 受沖擊，熱錠溫度的周期變化與運送中車輛的振動。在一次操作后，發(fā)現(xiàn)機架的 圓角處有300mm長的裂紋（圖1.5），可看出發(fā)現(xiàn)裂紋時，裂紋已經(jīng)歷了一段擴 展時期。后來，在裂紋尖端鉆 16mm的止裂孔，從此裂紋沒有發(fā)展，設(shè)備一直 在使用中。圖1.5運錠車示意圖I 一朝斗2車輪3鋁機曲軸的強度，在很大程度上決定了發(fā)動機的可靠性和壽命。曲軸受彎曲 和扭轉(zhuǎn)循環(huán)變應(yīng)力的作用，疲勞是它的主要破壞形式。對于中，低速發(fā)動機的曲 軸，彎曲疲勞是主要的，但對于高速曲軸，

5、由于有扭振，扭轉(zhuǎn)疲勞可能成為主要 的破壞因素。圖1.6表示一種簡單曲軸的結(jié)構(gòu)，對于汽車，拖拉機及多缸內(nèi)燃機， 曲軸結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。曲軸在長期工作中，疲勞裂紋常發(fā)生在內(nèi)圓角及油眼處，是 這里有應(yīng)力集中的緣故。圖1.6曲軸1主軸頸2-曲柄3 曲柄餉4 一配重圖1.7表示汽車的半軸，其一端與車輪的凸緣部聯(lián)接，另一端與差速器半 軸齒輪以花鍵相聯(lián)接。由傳動軸來的扭矩，經(jīng)減速器、差速器后分配給左右半軸， 從而驅(qū)動車輪，所以半軸同時傳遞彎矩及扭矩。在運行過程中，經(jīng)常在半軸的凸 緣盤根部、半軸桿部和花鍵尾部附近斷裂，最常見的斷裂部位是在桿部的軸承圓 角處。圖1.7半軸1 一聯(lián)接車輪的凸緣2與差速器半軸齒輪相嚙合

6、的花鍵 3軸承圓角（產(chǎn)生裂紋處圖1.8渦輪機的工作葉片6.運行中的渦輪機葉片（圖1.8），其應(yīng)力狀態(tài)是很 復(fù)雜的，由氣流產(chǎn)生彎矩及扭矩，由離心力產(chǎn)生拉力，特 別是振動使葉片過早地發(fā)生疲勞斷裂。對于低壓級葉片， 由于葉片長，固有頻率低，由葉片振動引起斷裂更為常見。 葉片的疲勞裂紋源，大多在出汽邊的近根處，但也有的在 葉片根部的其他地方，這是因為葉片在工作中，除承受應(yīng) 力外，還有水汽腐蝕的影響。水輪機葉片產(chǎn)生的裂紋，也都在葉片的出水邊。7.有些機械的聯(lián)接螺栓，由于預(yù)緊力太小，而造成過早的疲勞破壞。圖1.9 表示鋼板連軋機后面的精切機組中的開卷機。其中，三輥夾頭機構(gòu)的支承架與主 機架用螺栓聯(lián)接，因為

7、機械振動，使螺帽松動，螺栓的預(yù)緊力降低。當(dāng)鋼板頭進 入三輥機構(gòu)時，螺栓承受沖擊拉應(yīng)力，導(dǎo)致沖擊疲勞破壞。斷裂發(fā)生在螺栓頭部 與光桿交界的過渡圓角處。圖1.9開卷機示意圖8.有內(nèi)部缺陷的零部件，運行中在缺陷處首先產(chǎn)生裂紋，從而加速疲勞斷 裂。例如，一臺大型四輥卷板機投產(chǎn)十多年后，在一次冷卷56mm厚的合金鋼板 時上輥折斷。上輥材料為34CrNi3Mo，最大直徑780mm，長達18m，重約53噸， 斷裂部位接近正中，斷口略有傾斜（圖1.10）。從斷口看出，光亮的疲勞裂紋擴展區(qū)很小，其余都是瞬斷區(qū)。疲勞擴展區(qū)離 斷面外表面最近的距離為40mm，裂紋源就在疲勞區(qū)內(nèi)。因為上輥承受彎矩和扭 矩，最大工作應(yīng)

8、力在輥的表面，只有當(dāng)在表層下存在初始缺陷時，裂紋源才不在 表面產(chǎn)生。由于超載，所以瞬斷區(qū)面積特別大。9.一臺新投產(chǎn)的120噸頂吹氧轉(zhuǎn)爐，煉了幾十爐鋼后，傾動裝置的減速機 主軸發(fā)生斷軸事故（圖1.11）,從斷口看，有面積很小的疲勞擴展區(qū)，主要由于 有內(nèi)部缺陷，才過早發(fā)生斷裂。圖1.11 120噸轉(zhuǎn)爐傾動裝置減速機主軸1裝雙列圓錐波子軸承10979/800（固定踹）2熱裝大齒輪 3裝 雙列圓錐浪子軸承10979/850（浮動軸承）4與擋圈動配合 5 裝齒聯(lián)軸節(jié)10.模鍛液壓機的液壓缸屬于壓力容器類型，但工作循環(huán)次數(shù)遠比一般壓力 容器為多。多數(shù)液壓缸的破壞屬于高周疲勞破壞，也有屬于低周疲勞破壞的。例 如，車輪輪箍廠的8000噸液壓機的主缸，最初用40鋼，后改用18MnMoNb合 金鋼，都發(fā)生疲勞破壞。每個缸的平均壽命約為30萬次（應(yīng)力循環(huán)數(shù)）。圖1.12a為模鍛液壓機的液壓缸，使用七年后出現(xiàn)了縱向疲勞裂紋（圖上的 網(wǎng)線部分）。圖1.12b所示的液壓缸是以缸底支承的，使用循環(huán)次數(shù)達350萬次 后，在缸壁上出現(xiàn)了縱向裂紋（圖上的網(wǎng)線部分）。圖1.12c所示的液壓缸使用 了三年后，在缸壁上出現(xiàn)了縱向裂紋（圖上的網(wǎng)線部分），隨后在凸緣和缸底的 過渡圓角處又出現(xiàn)了疲勞裂紋。其他液壓缸也有在凸緣和缸底的過渡圓角處產(chǎn)生 疲勞裂紋