थकान विफलता यांत्रिक घटकों की सबसे आम विफलता मोड में से एक है। सांख्यिकीय आंकड़ों से पता चलता है कि सभी यांत्रिक भागों की विफलताओं में से 50% से 80% थकान क्षति के कारण होती हैं। थकान फ्रैक्चर से पहले, घटक आमतौर पर कोई स्पष्ट प्लास्टिक विरूपण या पूर्व विफलता के संकेत प्रदर्शित नहीं करते हैं। फिर भी, थकान फ्रैक्चर अचानक और विनाशकारी रूप से होता है, जिससे अक्सर गंभीर उपकरण दोष और सुरक्षा दुर्घटनाएं होती हैं। थकान क्षति विशिष्ट शुरुआत और प्रसार कानूनों का पालन करती है और अंततः पूर्ण थकान फ्रैक्चर में विकसित होती है।
थकान की परिभाषा: धातु थकान का तात्पर्य वैकल्पिक तनाव या तनाव की बार-बार चक्रीय कार्रवाई के तहत धातु सामग्री के यांत्रिक गुणों की निरंतर गिरावट से है।
थकान फ्रैक्चर की परिभाषा: जब धातु सामग्री लंबे समय तक चक्रीय वैकल्पिक तनाव और तनाव के अधीन होती है, तो स्थानीय सूक्ष्म संरचनात्मक परिवर्तन और आंतरिक दोषों का निरंतर प्रसार होता है, जिसके परिणामस्वरूप यांत्रिक गुणों का क्षरण होता है और अंततः घटकों का पूर्ण फ्रैक्चर होता है। इस विफलता प्रक्रिया को थकान फ्रैक्चर के रूप में परिभाषित किया गया है। थकान फ्रैक्चर को प्रेरित करने वाला तनाव आम तौर पर सामग्री की स्थैतिक शक्ति सीमा से बहुत कम होता है। थकान फ्रैक्चर की विशेषता अचानक घटना, उच्च स्थानीयता और सतह और आंतरिक दोषों के प्रति उच्च संवेदनशीलता है।
1. फ्रैक्चर सतह का स्थूल आकृति विज्ञान विश्लेषण
इस मामले का अनुसंधान उद्देश्य पवन टरबाइन उपकरण में उपयोग किया जाने वाला एक खंडित स्टड बोल्ट है। फ्रैक्चर सतह की स्थूल रूपात्मक विशेषताओं का विश्लेषण निम्नानुसार किया गया है:
1. फ्रैक्चर सतह के निचले बाएँ और दाएँ भाग में अनियमित अवतल और उत्तल आकृतियाँ मौजूद हैं। बाईं ओर एक चाप के आकार का उत्तल पायदान दिखता है, जबकि दाहिनी ओर कई छोटे दाँतेदार पायदान के साथ वितरित किया जाता है। फ्रैक्चर का निचला चाप एक तेज धार बनाता है।
2. फ्रैक्चर का एक बड़ा केंद्रीय क्षेत्र दरार प्रसार क्षेत्र के रूप में कार्य करता है, जो अलग-अलग समुद्र तट के निशानों से ढका होता है, जो थकान फ्रैक्चर की विशिष्ट मैक्रोस्कोपिक विशेषताएं हैं।
3. दरार आरंभ क्षेत्र और समुद्र तट चिह्न प्रसार क्षेत्र की फ्रैक्चर सतह पर जंग के निशान देखे जाते हैं, जो बाहरी वातावरण के लंबे समय तक संपर्क के कारण होता है।
4. तात्कालिक फ्रैक्चर क्षेत्र जंग से मुक्त चिकनी और चमकदार फ्रैक्चर सतह के साथ एक विस्तृत और महीन कतरनी होंठ प्रस्तुत करता है। यह इंगित करता है कि अंतिम फ्रैक्चर तेजी से हुआ और नमनीय तात्कालिक फ्रैक्चर से संबंधित है।
5. खंडित स्टड की निचली टांग में स्पष्ट घर्षण निशान के साथ एक चिकनी और चमकदार सतह होती है, जो लंबे समय तक बार-बार होने वाले घर्षण से उत्पन्न एक चिकनी चाप सतह बनाती है।
6. फ्रैक्चर की स्थिति में कोई स्पष्ट गर्दन या विरूपण नहीं पाया जाता है, जो ओवरलोड तन्य फ्रैक्चर की संभावना को बाहर करता है।
2. मैक्रोस्कोपिक विफलता तंत्र विश्लेषण
1. दरारें नीचे की तरफ शुरू होती हैंस्टड पेच. चिकनी काटने की धार, दाँतेदार निशान और नीचे की टांग पर चाप के आकार के अंतराल तनाव एकाग्रता क्षेत्र बनाते हैं, जो मूल दरार शुरुआत स्रोत हैं।
2. दरार प्रसार क्षेत्र में समुद्र तट चिह्न की विशेषताएं प्रमुख हैं। प्रारंभिक प्रसार चरण में, समुद्र तट के निशानों का अंतर छोटा है, जो चक्रीय स्पर्शरेखीय तनाव के तहत स्थिर और धीमी दरार वृद्धि का संकेत देता है। बाद के प्रसार चरण में, अंतर काफी बढ़ जाता है, जो त्वरित दरार प्रसार और बढ़ते विफलता जोखिम को दर्शाता है।
3. तात्कालिक फ्रैक्चर क्षेत्र में चौड़ा, बारीक और चमकीला कतरनी होंठ विशिष्ट नमनीय फ्रैक्चर विशेषताओं को दर्शाता है, जो साबित करता है कि स्टड में उत्कृष्ट व्यापक यांत्रिक गुणों के साथ अच्छी तरह से मेल खाने वाली ताकत और कठोरता है।
4. स्टड की तरफ चिकनी चाप सतह एक विशिष्ट घर्षण आकृति विज्ञान है। यह इंगित करता है कि स्टड ने लंबे समय तक पार्श्व प्रत्यावर्ती तनाव को सहन किया, ऑपरेशन के दौरान लगातार प्रतिक्रिया व्यक्त की, और गियर होल दीवार के साथ बार-बार घर्षण और एक्सट्रूज़न उत्पन्न किया, अंततः एक पॉलिश चिकनी सतह बनाई।
स्थूल निष्कर्ष: स्टड का फ्रैक्चर एक विशिष्ट झुकने वाला थकान फ्रैक्चर है। तात्कालिक फ्रैक्चर क्षेत्र भंगुर फ्रैक्चर सुविधाओं के बिना अनुकूल नमनीय फ्रैक्चर विशेषताओं को प्रस्तुत करता है।
3. सूक्ष्मदर्शी आकृति विज्ञान विश्लेषण
फ्रैक्चर तंत्र को और अधिक स्पष्ट करने के लिए, विभिन्न फ्रैक्चर क्षेत्रों की सूक्ष्म संरचनात्मक विशेषताओं का निरीक्षण करने के लिए फ्रैक्चर नमूने पर स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम) माइक्रोस्कोपिक डिटेक्शन किया गया था।
1. एसईएम अवलोकन से दरार प्रसार क्षेत्र में विशिष्ट और नियमित थकान धारियों का पता चलता है, जो धातु थकान फ्रैक्चर की मुख्य सूक्ष्म विशेषताएं हैं और मैक्रोस्कोपिक समुद्र तट के निशान के साथ अच्छी तरह से मेल खाते हैं, जो थकान विफलता की पुष्टि करते हैं।
2. एसईएम छवियों में बड़ी संख्या में समान रूप से वितरित डिम्पल देखे जाते हैं, जो उत्कृष्ट सामग्री कठोरता की विशिष्ट सूक्ष्म अभिव्यक्तियाँ हैं। यह मैक्रोस्कोपिक फ्रैक्चर ज़ोन में विस्तृत कतरनी होंठ से मेल खाता है और स्टड की ताकत और प्लास्टिसिटी के उचित समन्वय की पुष्टि करता है।
3. पूरे फ्रैक्चर सतह पर कोई बड़ा -क्षेत्र दरार फ्रैक्चर आकृति विज्ञान नहीं पाया जाता है। स्थानीय क्षेत्रों में डिंपल के साथ बारी-बारी से केवल थोड़ी मात्रा में अर्ध-विभाजन विशेषताएं दिखाई देती हैं। यह इंगित करता है कि सामग्री में कम भंगुरता है और ताकत और कठोरता का इष्टतम मेल है।
सूक्ष्म निष्कर्ष: की मूल सतहटेकउच्च सतह खुरदरापन के साथ टर्निंग टूल के निशान बरकरार रखता है, जिससे कमजोर तनाव एकाग्रता वाले क्षेत्र बनते हैं। उपकरण संचालन के दौरान, स्टड निरंतर वैकल्पिक स्पर्शरेखा झुकने वाले तनाव को सहन करता है, और सतह उपकरण के निशान को बार-बार घर्षण द्वारा एक चिकनी चाप सतह में पॉलिश किया जाता है। लंबे समय तक {{2}अवधि उच्च {{3}आवृत्ति प्रत्यावर्ती झुकने, टकराव और घर्षण के तहत, माइक्रोक्रैक अधिमानतः खुरदरी सतह के दोषों पर आरंभ होते हैं और थकान स्रोत बनाते हैं। वैकल्पिक भार की निरंतर कार्रवाई के साथ, दरारें धीरे-धीरे फैलती हैं और अंततः उच्च चक्र झुकने वाली थकान फ्रैक्चर का कारण बनती हैं। स्थूल और सूक्ष्म रूपात्मक विशेषताएं अत्यधिक सुसंगत हैं, जिससे साबित होता है कि अचानक फ्रैक्चर संचित झुकने वाली थकान क्षति के कारण होता है।
4. साइट पर जांच और कार्यशील स्थिति का विश्लेषण
वास्तविक विफलता की कार्यशील स्थिति को बहाल करने के लिए, पवन टरबाइन साइट पर दो ऑन-साइट जांचें की गईं। विफलता की स्थिति को स्पष्ट करने के लिए उपकरण संचालन अवधि, असेंबली प्रक्रिया, स्थापना स्थिति, फ्रैक्चर आकृति विज्ञान और रखरखाव रिकॉर्ड सहित प्रासंगिक जानकारी को सत्यापित किया गया था।
1.5 मेगावाट के तीस से अधिक पवन टरबाइन तीन वर्षों से अधिक समय से प्रचालन में हैं, और केवल एक स्टड बोल्ट टूटा है, जो एक व्यक्तिगत विफलता का मामला है। साइट पर निरीक्षण से पता चलता है कि टूटा हुआ स्टड स्थितिगत विचलन के साथ स्थापित किया गया था। शैंक के एक तरफ बिना किसी गैप के गियर होल एंड फेस को बारीकी से फिट किया गया था, जबकि दूसरी तरफ एक बड़ा असेंबली क्लीयरेंस था। स्थापना विचलन के कारण स्टड टरबाइन संचालन के साथ लगातार मुड़ता और प्रत्यावर्तन करता है, जिससे लंबे समय तक वैकल्पिक पार्श्व भार उत्पन्न होता है और संभावित थकान विफलता जोखिम उत्पन्न होता है।
स्टड का बारीकी से फिट किया गया हिस्सा गैपलेस था और उपकरणों के लिए दुर्गम था, जिससे साबित होता है कि यह स्थिति अत्यधिक उच्च चक्रीय स्पर्शरेखा तनाव को सहन करती है और बाद में डिस्सेप्लर में बड़ी कठिनाई पैदा करती है। निरंतर अक्षीय ऊर्ध्वाधर वैकल्पिक तनाव के तहत, छेद की दीवार को फिट करने वाले स्टड के किनारे को गियर छेद के साथ बार-बार झुकने, प्रभाव और घर्षण का अनुभव हुआ। मूल मोड़ के निशान पूरी तरह से घिस गए थे, जिससे स्पष्ट घर्षण विशेषताओं के साथ एक दर्पण जैसी चिकनी चाप सतह बन गई थी।
पवन टरबाइन प्रति दिन 15 घंटे के लिए 17 आर/मिनट की घूर्णी गति से संचालित होती है, जिससे प्रतिदिन लगभग 15,300 चक्र उत्पन्न होते हैं। कुल परिचालन चक्र आधे साल के भीतर 2.8×10⁶ और साढ़े तीन साल के भीतर 2.0×10⁷ तक पहुंच जाता है। स्टड कम तनाव आयाम और कम समग्र तनाव स्तर के साथ लगभग 4 मिमी के एक छोटे आयाम के भीतर घूमता है, जो सामान्य कम {{11} } तनाव उच्च {{12 }} चक्र थकान वाली कामकाजी परिस्थितियों से संबंधित है। फ्रैक्चर बारी-बारी से पार्श्व भार के तहत लंबे समय तक संचित झुकने की थकान से प्रेरित होता है, जो बोल्ट झुकने की थकान फ्रैक्चर का एक विशिष्ट मामला है।
5. व्यापक सारांश
1. स्टड के विफलता मोड की पुष्टि ओवरलोड फ्रैक्चर, भंगुर फ्रैक्चर या सामग्री दोषों के कारण होने वाले फ्रैक्चर के बजाय झुकने वाले थकान फ्रैक्चर के रूप में की जाती है।
2. विफलता का मूल कारण अनुचित संयोजन प्रक्रिया है। स्थितिगत विचलन के कारण गियर छेद के साथ स्टड की एकतरफा फिटिंग बंद हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप लगातार वैकल्पिक स्पर्शरेखा झुकने का तनाव होता है। उच्च चक्र उपकरण संचालन के दौरान थकान क्षति लगातार बढ़ती रहती है और अंततः झुकने वाली थकान फ्रैक्चर का कारण बनती है।
