Bronisław DRAK* WPŁYW ZMĘCZENIA MATERIAŁÓW NA SKUTKI

Bronisław DRAK* WPŁYW ZMĘCZENIA MATERIAŁÓW NA SKUTKI

Nr 49
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Studia i Materiały
Nr 21
Nr 49
2000
elektrotechnika,
maszyny elektryczne, silniki i generatory,
zmęczenie materiałów i jego skutki
Bronisław DRAK*
WPŁYW ZMĘCZENIA MATERIAŁÓW
NA SKUTKI AWARII W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH
Zjawisko zmęczenia materiałów ma bardzo ważne znaczenie techniczne, gdyż szacuje się, że
około 80% elementów maszyn, pracujących w warunkach zmiennych obciążeń, ulega zniszczeniu
w wyniku zmęczenia. Przedstawiono zjawisko zmęczenia materiału występujące w elementach
maszyn pracujących w warunkach zmiennych obciążeń. Omówiono proces zarodkowania pęknięć
zmęczeniowych oraz kinetykę ich rozwoju. Zaprezentowano przykłady zmęczenia materiałów
mającego wpływ na zakres uszkodzeń silników elektrycznych dużej mocy i turbogeneratorów. Podano
zakres niezbędnych badań diagnostycznych prowadzących do zmniejszenia awaryjności maszyn
elektrycznych wywołanych zmęczeniem materiałów.
1. ZARODKOWANIE I ROZWÓJ PĘKNIĘĆ ZMĘCZENIOWYCH
Zjawisko zmęczenia materiału występuje wówczas, gdy pole odkształcenia w
przekroju elementu konstrukcyjnego ulega cyklicznym zmianom. Przy wzroście odkształceń
do pewnej wielkości, następuje proces osłabiania i niszczenia wiązań międzyatomowych.
Po pewnej liczbie cykli zmian odkształceń mogą tworzyć się zarodki mikropęknięć
zmęczeniowych, a następnie ich rozwój, aż do całkowitego pęknięcia elementu
konstrukcyjnego. Do najbardziej typowych należą odkształcenia wywołane zmiennymi
polami siłowymi, które występują zwykle w konstrukcjach ruchomych (np. pojazdy) lub
obrotowych (np. wały silników elektrycznych i turbogeneratorów). Ważnym źródłem
zmiennych odkształceń elementów konstrukcji są drgania. Poznanie zjawiska zmęczenia
materiałów oraz prowadzenie odpowiedniej diagnostyki zmniejsza awaryjność maszyn i
urządzeń.
Mikropęknięcia zmęczeniowe powstają zwykle na powierzchni elementu lub w
warstwie przypowierzchniowej. W nielicznych tylko przypadkach, np. w elementach
ulepszanych powierzchniowo, mikropęknięcie może rozwijać się na granicy rdzenia i
warstwy umocnionej. Podobnie w elementach z powłokami galwanicznymi istnieje
możliwość inicjacji pęknięć na granicy podłoża i powłoki. Źródłem mikropęknięć są
________
* Katedra Maszyn i Urządzeń Elektrycznych Politechniki Śląskiej w Gliwicach.
86
również wtrącenia niemetaliczne oraz wady powierzchniowe pochodzenia
technologicznego.
Zarodkowanie pęknięcia zmęczeniowego następuje w wierzchołku mikropęknięć.
Rozwija się początkowo w płaszczyźnie, w której działają największe naprężenia styczne.
W każdym cyklu obciążenia, przed wierzchołkiem pęknięcia powstaje strefa odkształcenia
plastycznego, która poprzedza przyrost pęknięcia. Stąd przełom zmęczeniowy ma prążki
(widoczne pod mikroskopem) układające się prawie równolegle do kierunku rozwoju pękania
(rys. 1).
Rys. 1. Powierzchnia przełomu zmęczeniowego stali manganowej z charakterystycznymi
prążkami zmęczeniowymi [1]
Fig. 1. Surface of fatigue fracture of magnetic steel with characteristic fatigue lines [1]
Naprężenia niezbędne dla rozwoju pęknięcia zależą nie tylko od rodzaju materiału,
lecz także od kształtu konstrukcji, który decyduje o geometrii pęknięć i rozkładzie naprężeń
w ich otoczeniu.
Odporność materiału na pękanie jest określona przez współczynnik intensywności
naprężeń K. Jest on wyznaczany na próbkach z konkretnego materiału według zależności
K = σ (π a )1 / 2 [ MPa ⋅ m 1/2 ]
(1)
gdzie σ – naprężenie normalne w strefie pękania, a – długość pęknięcia.
Dla naprężeń zmiennych w zakresie σmax i σmin można z zależności (1) obliczyć zakres
zmienności współczynnika intensywności naprężeń
∆K = K max − K min = ∆σ (π a )1 / 2 = 2σ a (π a)1 / 2
σ max − σ min
(2)
.
2
W badaniach zmęczeniowych wyznacza się wykresy kinetyki pękania zmęczeniowego, przedstawiające zależność prędkości propagacji pęknięcia zmęczeniowego od
zakresu zmienności współczynnika intensywności naprężeń ∆Κ (rys. 2).
Zakres zmiany współczynnika K jest od lewej strony krzywej ograniczony wartością
progową Kfh, poniżej której pęknięcie nie rozwija się. Prawa strona krzywej jest ograniczona
gdzie amplituda cyklu naprężeń σ a =
87
wartością Ktc, odpowiadającą krytycznej wartości, powyżej której zaczyna się niekontrolowany
rozwój pęknięcia – następuje dołamanie elementu konstrukcyjnego.
Na wykresie kinetyki pękania zmęczeniowego (rys. 2) wyodrębnia się trzy zakresy:
małoamplitudowy – I, średnioamplitudowy – II i wielkoamplitudowy – III.
Dla zakresu średnioamplitudowego wykres jest prawie prostoliniowy, co oznacza, że
prędkość propagacji pęknięcia jest w zasadzie równomierna w każdym cyklu zmiany naprężenia.
Rys. 2. Schemat typowej zależności prędkości propagacji pękania v od amplitudy zmiany współczynnika
∆K: I – zakres małoamplitudowy, II – zakres średnioamplitudowy, III – zakres wielkoamplitudowy
Fig. 2. Scheme of typical dependence of propagation speed v versus amplitude of coefficient ∆K changes:
I – low-amplitude range, II – average – amplitude range, III – high-amplitude range
Prędkość propagacji pęknięcia, zgodnie z koncepcją P.C. Parisa, wyznacza zależność
da
= C (∆K ) m
(3)
dN
gdzie: C i m – stałe zależne od rodzaju materiału, środowiska i warunków obciążenia,
wyznaczane doświadczalnie. Wykładnik m określa kąt nachylenia stycznej do krzywej.
Zależność (3) nie zawsze zapewnia dostateczną dokładność wyznaczania prędkości
propagacji pękania zmęczeniowego w całym zakresie, ponieważ stałe C i m nie są stałymi
niezależnymi. Materiały o dużej wartości współczynnika m mają małe wartości stałej C i na
odwrót. Można pomiarowo dobrać niezależny od wykładnika m parametr K* (lub ∆K*) [2]
i wprowadzić do zależności (3), wówczas
v=
v = 10
−7 
∆K 


 ∆K ∗ 
m
(4)
gdzie ∆K* – wartość maksymalnego zakresu zmienności współczynnika intensywności
naprężeń ∆K dla prędkości propagacji pęknięcia zmęczeniowego v = 10–7 m/cykl (rys. 2).
88
Dla danej prędkości v oraz znanej częstotliwości zmian naprężeń f i krytycznej
wartości długości pęknięcia akryt można wyznaczyć żywotność elementu konstrukcyjnego
tp =
a kryt
(5)
vf
2. ZŁOMY ZMĘCZENIOWE
Wygląd określonych stref i cech złomu, widoczny nieuzbrojonym okiem lub pod
niewielkim powiększeniem, pozwala ocenić w przybliżony sposób: rodzaj i rozkład
naprężeń, jaki istniał w eksploatowanym elemencie lub zespole, kierunek naprężeń oraz
rodzaj i wielkość przeciążeń. Można wnioskować o przyczynach zmęczeniowego
zniszczenia: eksploatacyjnych (warunki pracy, wpływ otoczenia, działanie ośrodków
aktywnych), konstrukcyjnych (kształt i wymiary) oraz technologicznych (materiał, rodzaj
obróbki itp.). Połączenie wyników badań makro- i mikroskopowych złomu daje możliwość
odtworzenia historii obciążenia elementu konstrukcyjnego.
Złom zmęczeniowy przebiega makroskopowo prostopadle do kierunku największych
wydłużeń. W elementach konstrukcyjnych z różnymi karbami przebieg ten może ulec
miejscowym zmianom. Powierzchnia złomu nie wykazuje makroskopowych odkształceń
plastycznych. Odróżnia się jednak określonymi strefami (rys. 3):
1 – ognisko,
2 – strefa przyogniskowa,
3 – uskoki ogniskowe,
4 – uskoki wtórne,
5 – linie zmęczeniowe,
6 – strefa przejściowa,
7 – strefa resztkowa.
a)
b)
1
Rys. 3. Strefy złomów zmęczeniowych: a) ujęcie poglądowe [3], b) złom zmęczeniowy wału korbowego
Fig. 3. Zone of fatigue fracture: a) visual seizure, b) fatigue fracture of crank shaft
Ognisko złomu zmęczeniowego (1) jest tą strefą, gdzie mikropęknięcie pojedynczego
ziarna przekroczyło wartość krytycznego pęknięcia i zapoczątkowało proces propagacji
pękania. Jednoczesne lub prawie jednoczesne zapoczątkowanie pęknięć jest możliwe z kilku
89
miejsc. Łączenie się mikropęknięć daje początek głównemu pęknięciu zmęczeniowemu.
Jeżeli te mikropęknięcia nie leżą w jednej, lecz równoległych do siebie płaszczyznach, to
w wyniku ich łączenia powstają uskoki ogniskowe (3).
Strefa wokół ognisk to strefa przyogniskowa (2). Jest ona zwykle błyszcząca, o bardzo
drobnoziarnistym wyglądzie. Wynika to zarówno z małej prędkości rozwoju pęknięcia, jak
i ze wzajemnego tarcia powierzchni pęknięć wywołanego zmianą znaku naprężenia.
Wzrost liczby cykli obciążenia powoduje rozprzestrzenianie się pęknięcia w głąb
materiału. Tworzy się strefa zmęczeniowa, która obejmuje powierzchnię złomu z
wyłączeniem jego strefy resztkowej. Odznacza się ona zazwyczaj dużą gładkością i to tym
większą, im mniejsze działały naprężenia zmęczeniowe. Powierzchnię tej strefy porównuje
się z powierzchnią muszlową z zaznaczonymi liniami zmęczeniowymi (5), które określają
położenie czoła głównego pęknięcia. Z ich układu można wnioskować o sposobie i
charakterze rozwoju pęknięcia. Powstanie tych linii przypisuje się odkształceniom
plastycznym występujących na czole pęknięcia i to na skutek: krótkotrwałych przeciążeń,
zmianie kierunku obciążenia, zmiany wartości obciążenia, zmiany kierunku rozwoju
pęknięcia
lub
przerwy
w obciążeniu. Linie te są makroskopowymi oznakami złomu zmęczeniowego. Brak linii
zmęczeniowych może świadczyć o ustalonej i ciągłej pracy elementów, a regularny układ tych
Głównemu
o okresowo
pęknięciu
zmiennych
zmęczeniowemu
warunkach obci
towarzysz
ążenia.ą pęknięcia mniejsze (wtórne),
linii świadczy
odgałęziające się w głąb od powierzchni złomu pęknięcia. Łączenie się tych pęknięć między
sobą następuje przez uskoki wtórne (4), układające się często w kierunkach promieniowych.
Osłabienie elementu konstrukcyjnego przez postępujące pęknięcie prowadzi na ogół
do gwałtownego zerwania. Ta końcowa strefa resztkowa (7) złomu jest podobna do złomu
wywołanego jednorazowym przerwaniem. Wykazuje ona budowę ziarnistą w materiałach
kruchych oraz włóknistą w materiałach ciągliwych. Przejście od strefy zmęczeniowej do
resztkowej oddziela zwykle strefa przejściowa (6) o budowie określonej przez wzrastającą
prędkość pęknięcia. Następują lokalne odchylenia kierunku złomu i wzrost jego chropowatości.
3. SKUTKI ZMĘCZENIA MATERIAŁÓW W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH
Analiza uszkodzeń maszyn elektrycznych dużej mocy wykazuje, że zmęczenie
materiału konstrukcyjnego może być przyczyną częściowego lub całkowitego ich
zniszczenia. Dotyczy to zarówno silników, jak i turbogeneratorów.
W stojanach silników indukcyjnych występują zmęczeniowe pękania w strefie lutów
w połączeniach międzycewkowych oraz połączeniach między grupami fazowymi. Częstość
występowania takich uszkodzeń zależy przede wszystkim od twardości zastosowanego
stopu lutowniczego i dokładności wykonania lutu oraz ukształtowania wymienionych
połączeń. Stosunkowo często ulegają zmęczeniowemu pękaniu druty przewodów linkowych
łączących śruby w izolatorach przepustowych w tablicy zasilającej silnika z uzwojeniem
stojana. Wymienione uszkodzenia są spowodowane głównie drganiami tych przewodów.
Uszkodzenia te stają się najczęściej przyczyną zwarć i wypaleń w strefach główek
uzwojenia stojana, powodujących konieczność przezwojenia stojana.
W wirnikach silników indukcyjnych występują pęknięcia prętów klatki w środku
długości rdzenia wirnika, w przypadku stosowanych zagnieceń prętów klatki w tym miejscu
90
zabezpieczających pręty przed osiowym ich przesuwaniem. Najczęściej występują pękania
lutów łączących pręty klatki wirnika z pierścieniami zwierającymi, zwłaszcza w silnikach
głębokożłobkowych o wysokich prętach klatki wirnika. Przyczyną tych pęknięć są głównie
naprężenia termiczne w czasie rozruchów silnika. Przy ustalonej pracy silnika na pręty
klatki wirnika działają siły odśrodkowe oraz siły elektrodynamiczne powodujące drgania
prętów w przypadku występowania luźno umiejscowionych prętów w żłobkach. Również
w sztywno osadzonych prętach w żłobkach wirnika, po dłuższym okresie eksploatacji
wirnika, powstaje luz (głównie promieniowy) między prętami i żłobkami rdzenia wirnika.
Jest to wynikiem działania sił odśrodkowych oraz sił elektrodynamicznych na pręty klatki
wirnika. Poniżej przedstawiono dwa przykłady wpływu zmęczenia materiału na
uszkodzenia maszyn elektrycznych.
3.1. PĘKANIE SKRAJNYCH BLACH RDZENI WIRNIKÓW SILNIKÓW KLATKOWYCH
W niektórych silnikach wysokonapięciowych z prętami biernymi pakiet blach rdzenia
wirnika jest prasowany między dwoma pierścieniami o średnicy zewnętrznej zbliżonej do
średnicy dna żłobków blach pakietu (rys. 4a). Brak „zębów” dociskowych (jak w rozwiązaniu na rys. 4b) powoduje, że już w trakcie prasowania rdzenia wirnika skrajne blachy
w strefie zębów są deformowane w kierunku zewnętrznym i występują w nich naprężenia
a)
c)
b)
d)
91
ognisko
Rys. 4. Widok skrajnych stref rdzeni wirników: a) wirnik bez palców dociskowych, b) wirnik z palcami
dociskowymi, c) i d) złomy skrajnego zęba rdzenia wirnika uwidocznionego na rys. a)
Fig. 4. View of extreme zones of rotor cores: a) rotor without pressure fingers, b) rotor with pressure fingers,
c) and d) fracture of extreme tooth of rotor core shown of fig. a)
zginające. Wzrost temperatury prętów klatki rozruchowej biernej w czasie rozruchów
silnika powoduje wydłużenia prętów i stopniowe odginanie zębów skrajnych rdzenia
wirnika w kierunku zewnętrznym rdzenia. Powodem tego jest docisk prętów biernych klatki
wirnika do górnej powierzchni żłobków, wywołany działaniem sił odśrodkowych na pręty
bierne. Odgięte zęby skrajne są poddawane drganiom wywołanych działaniem sił
elektrodynamicznych. Skrajne blachy zębów wirnika są poddawane naprężeniom cyklicznie
zmiennym powodującym powstawanie mikropęknięć, prowadzących w konsekwencji do
zrywania tych zębów pod działaniem sił odśrodkowych na ich masy własne. Na rys. 4c
przedstawiono powiększenie wycinka złomu zęba skrajnego, który wskazuje na rozwój
pęknięć zmęczeniowych, typowych przy zginaniu (dolna część) oraz na rozwój
mikropęknięć z ogniska. Na rys. 4d widoczne są linie zmęczeniowe.
Zerwane zęby powodują uszkodzenie izolacji czół uzwojenia stojana i zwarcia,
prowadzące do awarii silnika, której usunięcie wymaga przezwojenia stojana.
3.2. URWANIE WAŁU TURBOGENERATORA
Szczególnie niebezpieczne w skutkach jest zmęczenie materiału wału turbogeneratora,
które w konsekwencji może doprowadzić do jego zerwania i awarii bloku energetycznego
w zakresie trudnym do przewidzenia.
W czasie remontu lub przeglądu generalnego wirnika turbogeneratora jego wał jest
poddawany szczegółowym badaniom, które obejmują głównie strefy:
• wierzchnią warstwę w otworze centralnym wału,
• zęby beczki wirnika – przy dnie żłobków oraz w strefie klinów żłobkowych (rys. 5a),
• rowki podłużne na powierzchni zewnętrznej wału na wyprowadzenia uzwojenia
wzbudzenia (rys. 5a) oraz rowki na kanały wentylacyjne,
• otwory promieniowo-osiowe lub promieniowe (rys. 5b) do otworu centralnego wału
wirnika, przeznaczone na połączenia uzwojenia wzbudzenia z pierścieniami ślizgowymi,
• czopy wału w strefach łożysk ślizgowych wału turbogeneratora.
92
a)
b)
Rys. 5. Strefy badań diagnostycznych wału wirnika turbogeneratora (zaznaczone ciemnym kolorem):
a) strefa zębów wirnika i podłużnych rowków, b) strefa otworu na połączenia z pierścieniami ślizgowymi
Fig. 5. Diagnostic research zones of turbo-generator rotor shaft (marked with dark colour): a) zone of rotor
teeth and oblong grooves, b) zone of joint hole with sliding rings
Mimo badań diagnostycznych wystąpiły zmęczeniowe pęknięcia wału wirnika
w jednym z turbogeneratorów o mocy 200 MW, które były główną przyczyną zakresu
zniszczeń bloku energetycznego. Nastąpiło urwanie obu końcówek wału wirnika w strefach
o takim samym rozwiązaniu konstrukcyjnym, a mianowicie przy łukowym wewnętrznym
przejściu ze średnicy φ435 na φ500. Widoki miejsc urwania końcówek wału przedstawiono
na rys. 6.
a)
b)
Rys. 6. Miejsca urwania końcówek wału wirnika turbogeneratora: a) po stronie pierścieni ślizgowych,
b) po stronie turbiny
Fig. 6. Places of tearing off of turbo-generator rotor's shaft endings: a) on sliding rings side, b) on turbine side
93
Początek awarii tego bloku energetycznego miał charakter elektromechaniczny.
W czasie wyłączania wyłącznika mocy turbogeneratora w rozdzielni nie został odłączony
zestyk jednej fazy wyłącznika. Mimo że zestyk ten nie został rozwarty, wskaźniki
elektryczne informowały o pełnym rozwarciu wyłącznika mocy.
Awaria wyłącznika mocy spowodowała, że transformator blokowy był jednofazowo
zasilany po stronie wysokiego napięcia w czasie odstawienia bloku do stanu rezerwowego.
Ten stan pracy transformatora blokowego spowodował niesymetryczne zasilanie uzwojenia
stojana turbogeneratora, powodujące moment hamujący wirnika turbogeneratora. W
konsekwencji nastąpiło zmniejszenie prędkości obrotowej turbozespołu. Przy zbliżaniu się
prędkości obrotowej wirnika do jego prędkości krytycznej zwiększały się amplitudy drgań
wału wirnika i nastąpiło urwanie jego końcówki po stronie pierścieni ślizgowych.
Czynnikiem, który znacząco przyczynił się do urwania tej końcówki wału były znaczne
pęknięcia zmęczeniowe na złomie wału po stronie pierścieni ślizgowych, zauważone
podczas oględzin poawaryjnych. Dodatkową przyczyną urwania tej końcówki wału było
wypadnięcie niektórych klinów żłobkowych wirnika na skutek nadmiernego ich nagrzania,
które zmniejszyło wyważenie wirnika i spowodowało dodatkowe jego drgania.
Oględziny złomu wału po stronie pierścieni ślizgowych wykazały bardzo znaczne
pęknięcia zmęczeniowe (rys. 7a), rozpoczynające się na powierzchni zewnętrznej wału
w strefie początku łukowego przejścia na większą średnicę wału. Pęknięcia te były
widoczne niemal na całym obwodzie wału, a w niektórych miejscach dochodziły do ponad
30 mm w głąb wału. Strefa poniżej złomów zmęczeniowych była bardziej gruboziarnista,
wskazująca na szybką propagację pęknięć. W tej strefie były widoczne błyszczące zgnioty
wierzchołków nierówności pęknięć wału. Końcowa strefa złomu resztkowego, o stosunkowo
dużej powierzchni, wykazywała bardzo dużą gruboziarnistość.
Urwanie wału po stronie pierścieni ślizgowych spowodowało w pierwszej kolejności
zniszczenie zespołu uszczelnienia wodorowego turbogeneratora, a następnie powstanie
mieszanki wybuchowej i palnej wodoru (będącego wewnątrz turbogeneratora pod
ciśnieniem 0,3 MPa). Powstał ogień o bardzo wysokiej temperaturze (około 3000 °C)
powodujący znaczne topienie uzwojenia stojana wraz z blachami pakietu rdzenia stojana oraz
topienie klinów żłobkowych wirnika i uzwojenia wzbudzenia.
Po urwaniu końcówki wału po stronie pierścieni ślizgowych pozostała część wirnika
była podparta na łożysku turbogeneratora po stronie turbiny i pośrednio poprzez sprężystą
tuleję sprzęgła na łożyskach turbiny niskoprężnej, głównie na łożysku po stronie
turbogeneratora. Takie podparcie na łożyskach spowodowało, iż ciężar beczki wirnika
wywoływał bardzo duże momenty gnące w przekrojach poprzecznych wału w strefie
łożyska po stronie turbiny. W śrubach mocujących połówkę sprzęgła z jego tuleją sprężystą,
znajdujących się chwilowo w górnej części, występowały duże naprężenia rozciągające.
Taki stan obciążenia powodował, że w czasie jeszcze dużych obrotów wirnika nastąpiło po
stronie
turbiny: łamanie wału turbogeneratora w przekroju, w którym następnie wystąpiło
• stopniowe
jego zerwanie,
• zerwanie śrub mocujących połówkę sprzęgła z jego tuleją sprężystą,
• zniszczenie łożyska turbogeneratora po stronie turbiny i sąsiadującego łożyska turbiny
niskoprężnej.
Przez pewien czas po nadłamaniu wału wirnika turbogeneratora po stronie turbiny
końcówka beczki wirnika po stronie pierścieni ślizgowych „obijała się” o rdzeń stojana
94
w tej strefie. Działanie ognia o bardzo wysokiej temperaturze i sił odśrodkowych na kliny
żłobkowe i uzwojenie wzbudzenia powodowało ich wyrzucanie ze żłobków beczki wirnika.
Następowało szybkie klinowanie beczki wirnika, głównie względem dolnej połówki stojana
turbogeneratora. To spowodowało końcowe ukręcenia wału wirnika po stronie turbiny w
strefie zbliżonej do otworu centralnego wału.
Oględziny złomu wału po stronie turbiny wykazały, że pęknięcia zmęczeniowe wału
występowały przede wszystkim w miejscu zaznaczonym strzałkami na rys. 7b oraz na
stosunkowo małej głębokości od otworu centralnego wału wirnika turbogeneratora. Pozostała
powierzchnia była gruboziarnista, co wskazywało, że została zerwana w krótkim czasie.
Widoczny na rys. 7b uskok wskazuje, że w końcowym etapie wał po stronie turbiny został
ukręcony przez moment skręcający od mas bezwładności turbiny, który powstał podczas
nagłego hamowania wirnika turbogeneratora w czasie klinowania jego wirnika.
Omówione oraz zaprezentowane przykłady uszkodzeń maszyn elektrycznych, których
przyczyną było zmęczenie materiału, wskazują na konieczność prowadzenia badań
diagnostycznych.
a)
b)
Rys. 7. Struktura złomu urwanego wału: a) po stronie pierścieni ślizgowych, b) po stronie turbiny
i odpowiadające im fragmenty urwanych końcówek wału turbogeneratora
Fig. 7. Structure of fracture of torn off shaft: a) on sliding rings side, b) on turbine side with fragments of
torn off turbo-generator’s shaft endings, respectively
1. Prowadzenie okresowych badań diagnostycznych bardzo ważnych elementów
konstrukcyjnych, jak wały silników, a zwłaszcza turbogeneratorów oraz kołpaków,
95
mających na celu wykrycie ewentualnych pęknięć zmęczeniowych. W przypadku ich
wykrycia należy je usunąć (np. przez wyszlifowania w kształcie łezki), jeżeli jest to
dopuszczalne ze względu na ich wielkość i umiejscowienie lub zlikwidować możliwość
dalszej propagacji pęknięć (np. wykonanie otworu przed czołem pękania). W przeciwnym
przypadku nie można dopuścić do dalszej ich eksploatacji.
2. Podczas przeglądów technicznych silników należy zwracać uwagę na:
– stan przewodów linkowych (głównie w strefie końcówek) łączących tabliczkę
zasilającą silnika z uzwojeniem stojana,
– jakość lutów łączących pręty klatki wirnika z pierścieniami zwierającymi oraz
sprawdzać czy nie wystąpiły pęknięcia prętów klatki wirnika i pierścieni zwierających.
3. Po awarii silnika dużej mocy polegającej na upaleniu jednego z połączeń
międzycewkowych w strefie lutów (bez dalszych skutków) należy sprawdzić, czy nie
wystąpiły pęknięcia pozostałych podobnych połączeń lutowanych.
Podsumowując, należy stwierdzić, że zjawisko zmęczenia materiałów należy brać pod
uwagę zarówno na etapie konstrukcji, jak i w okresie eksploatacji maszyn i urządzeń.
LITERATURA
[1] ADAMCZYK J., Metaloznawstwo teoretyczne, Gliwice, Wyd. Pol. Śl., 1993.
[2] WYRZYKOWSKI J.W., PLESZAKOW E., SIENIAWSKI J., Odkształcenia i pękanie metali, Warszawa,
WNT, 1999.
[3] ZAKRZEWSKI M., ZAWADZKI J., Wytrzymałość materiałów, Warszawa, WNT, 1983.
INFLUENCE OF FATIGUES OF MATERIALS
ON RESULTS OF DAMAGE IN ELECTRIC MACHINES
Fatigue has a very important technical meaning, is estimate that about 80% of elements of machines
working in changing load conditions undergo destruction in result of fatigue. Fatigue of materials occurring
in elements of machines working in changing load conditions is shown. Process of fatigue crack nucleation
and kinetic of their development is talked over. Examples of fatigue of materials having influence on
damages range of high-power electric engines and of turbo-generator are presented. Range of essential diagnostic research leading to diminution of electrical machines failure frequency caused by fatigue of materials
is given.