鄭吉偉，戚彩夢，葛光男，秦 斌，曲兆國

(1． 哈爾濱電氣動力裝備有限公司，哈爾濱 150066；2． 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

0 引言

某軋鋼廠驅動電機運行中出現(xiàn)異響，停機檢查發(fā)現(xiàn)轉子一撐塊螺栓斷裂甩出，導致電機發(fā)生掃膛事故。撐塊螺栓用于固定磁極間的撐塊，它通過螺紋與轉子連接，其結構示意圖見圖1。

圖1 撐塊螺栓位置示意圖

螺栓材料為35CrMo，其斷裂位置見圖2，斷裂面是螺栓螺紋首螺紋所在面，該面基本與轉子螺紋孔端面持平。螺栓受力分析表明，斷裂螺紋根部是整個螺栓把合應力和運行中彎曲應力最大的位置。

圖2 斷裂螺栓實物

該種結構電機撐塊螺栓斷裂后，會甩出并卡入定轉子間的氣隙中，造成電機掃膛的質量事故，從而給鋼廠造成巨大的經濟損失。因此需要從根本上杜絕此類事故發(fā)生。本文從材料斷口分析入手，輔以化學成分、力學性能檢驗手段，分析并確定材料斷裂性質，并提出預防手段，為設計改進提供技術支撐。

1 螺栓材料試驗

1．1 化學成分結果

螺栓化學分析試驗結果如表1所示，成分符合GB/T 3077—2015的要求。

表1 化學分析結果 單位：%

1．2 力學性能結果

取樣前，在螺栓六角頭側面進行布氏硬度試驗，試驗方法按照GB/T 231．1—2018執(zhí)行。拉伸試驗采用φ10 mm標準試樣，試驗方法按照GB/T 228.1—2010執(zhí)行。沖擊試驗按照GB/T 229—2020執(zhí)行。拉伸、硬度、沖擊試驗結果如表2所示。經核實，滿足設計要求。

表2 力學性能結果

1．3 金相及夾雜物試驗結果

螺栓材料顯微組織如圖3所示，為馬氏體回火組織，500倍組織可以看到馬氏體板條束及回火屈氏體組織。表明螺栓材料經過淬火+回火熱處理。

圖3 螺栓顯微組織×200

夾雜物檢測結果：夾雜物為D類(球狀氧化物)，粗系0.5級，細系2．0級。表明夾雜物細小，數(shù)量少。

綜上分析，表明斷裂螺栓材料的成分，組織及性能均滿足設計要求，斷裂不是由材料誤用或是材料質量問題導致的。

2 斷口分析

斷裂且掃膛，螺栓無法獲得實物，不能進行實物觀察，本次分析以斷裂未掃膛螺栓斷口為主進行。該螺栓在第一螺紋根部斷裂，僅存螺牙處連接，手動折斷后的斷口如圖4所示。

圖4 斷口1照片

從照片可以看出，斷口平齊，無塑性變形，是典型的脆性斷口。斷口邊緣，即螺紋根部發(fā)生銹蝕。存在肉眼可見的貝紋線，但貝紋線較平直，該特征占整個斷口面積90%以上。宏觀觀察不能判斷裂紋源位置，無明顯的快速擴展區(qū)。該斷口特征與保留在轉子上的螺栓斷口特征相同，且整個斷口的貝紋線方向基本與轉子軸向保持一致。

利用掃描電鏡對斷口1進行分析，發(fā)現(xiàn)大量典型的疲勞輝紋特征，如圖5所示，證明了該斷口屬于疲勞斷口，與前面所述宏觀疲勞貝紋線特征相互印證。

圖5 斷口掃描電鏡照片

疲勞裂紋一般沿著垂直于貝紋線的方向擴展[1]，圖4中所示未斷裂部位是整個斷口最后斷裂的位置。在該位置的對面進行100倍的光學顯微鏡檢查，在斷口邊緣接近螺紋根部的位置存在相對較大的疲勞輝紋特征。該位置是斷口的裂紋源，如圖6所示，裂紋源附近未見夾雜物及其他材料缺陷存在。該位置是螺栓承受彎曲應力最大的位置，又由于螺紋根部缺口效應產生應力集中，在電機運行時周期性彎曲應力作用下，導致螺紋根部疲勞累積損傷，形成裂紋源。

圖6 斷口裂紋源照片×100

3 結論

通過螺栓斷口觀察及分析，以及材料各項檢測，可知螺栓材料指標滿足設計要求。螺栓與轉子螺孔端面接近的螺紋是承受彎曲應力和拉伸應力最大的位置，同時螺紋根部應力集中，在周期性的彎曲應力作用下，該螺紋根部疲勞損傷生成裂紋源，裂紋沿電機周向由一側向另一側擴展，最終斷裂。

為避免螺栓斷裂問題的再次發(fā)生，建議采取以下改進措施：

第一，螺紋缺口存在應力集中效應，建議更改結構，使螺栓承受最大彎曲應力位置處于光桿位置，避開螺紋位置。

第二，提高裝配精度，減小或消除螺栓所受的周期彎曲應力。