关于柴油发电机主轴承螺栓断裂的探讨

摘要：柴油机发电机长期持续运行的过程中，主轴承紧固螺栓会产生断裂的现象，这就需要检测断裂件所具备的力学性能、化学成分以及微观形貌等等。需要明确的是，螺栓的强度高、硬度高，很容易产生微动裂纹，从而造成疲劳断裂。螺栓断面的疲劳裂纹源有很多，而且有很大的裂纹扩展区域，会有微动疲劳断裂的特征存在，所以，产生螺栓断裂主要是由于微動疲劳所造成的。本论文着重于研究柴油发电机主轴承螺栓断裂方面的内容。

关键词：柴油发电机;主轴承;螺栓;断裂

引言：

柴油发电机组属于应急备用电源，某企业使用的柴油发电机组使用两周时间，其功率是281千瓦，运转的速度是每分钟1500 转，每个月都要定期进行一次空载启动检查，运行20分钟的时间，累计运行的时间是48小时[1] 。断裂螺栓所使用的材质是高强度中合金渗碳钢，这种材料是强度非常高的结构钢，强韧性非常好，有很好的低温冲击性能，通常截面非常大，载荷非常高，而且缺口的敏感性不是很高。这些材质的螺栓在很短的工作时间内就产生断裂，主要是由于材质存在质量问题，或者加工的过程中存在缺陷，就会导致螺栓不能很好地发挥效能。为了有效解决螺栓断裂的问题，需要对其所具备的性质进行分析，观察期断裂螺栓组分以及力学性能，以采取有效措施解决[2] 。

一、试验的方法以及结果

在实验的过程中随机选择的样品是2根已经断裂的螺栓，对其进行失效分析，发现断裂的部位都在螺纹的前端部。

（一）分析样品成分

对两根断裂的螺栓进行取样检测，在检测成分的时候可以使用全谱直读光谱仪：，所获得的检测结果如下：

样品1：碳元素含量0.17%，硅元素含量0.23%，锰元素含量0.44%，硫元素含量0.008%，磷元素含量0.02%，铬元素含量1.44%，镍元素含量4.06%，铜元素含量0.08%，钼元素含量0.108%。

样品2：碳元素含量0.17%，硅元素含量0.22%，锰元素含量0.45%，硫元素含量0.006%，磷元素含量0.02%，铬元素含量1.48%，镍元素含量4.09%，铜元素含量0.08%，钼元素含量0.086%。

标准值：样品1：碳元素含量0.13%-0.19%，硅元素含量0.17%-0.37%，锰元素含量0.30%-0.60%，硫元素含量低于0.030%，磷元素含量低于0.03%，铬元素含量1.35%-0.65%，镍元素含量4.00%-4.50%，铜元素含量低于0.03%，钼元素含量没有明确要求。

通过分析的结果可以明确，两根断裂螺栓的化学成分有良好的一致性，比较标准值，除Cu元素的含量超过标准值外，其余的元素含量都有标准值相符合[3] 。

（二）分析力学性能

检测两根断裂螺栓在室温环境中的抗拉强度以及硬度，样品1是每平方毫米1456 牛，样品2是每平方毫米1433 牛，与设计要求相比较，超过每平方毫米1220牛。两个样品的硬度分布范围是HB 430-440，而且两个螺栓批次之间有很好的一致性，从平均硬度来看，样品1是HB434.0，样品2是HB433.7，都超过设计标准值HB 365-HB413。

（三）分析断口形貌特征

为了明确精准定位螺栓产生断裂的主要原因，使用PHENOMPROX型扫描电子显微镜观察螺栓断口都形貌并详细分析，就可以明确断口的宏观形貌所具备的特征[4] 。（图1：螺栓断口的形貌）

通过对图1进行观察，发现这个断口的形貌与常规光滑疲劳试样的断口存在较高的相似度。

从断面的组成来看，主要包括三个区域，图1中的I是疲劳裂纹源区、II是裂纹扩展区、III是瞬断区。通过仔细观察，发现疲劳裂纹源区有多个典型疲劳裂纹源，而且都是肉眼可见的，在试样的表面比较集中，占有的面积不是很大;II是裂纹扩展区，断面比较平坦，在整个疲劳断口所占有的比例比较大;III是瞬断区，断口都形貌类似于常规静载断裂的断口形貌。这个裂纹是失稳经过快速扩展之后形成的断口，断面比较粗糙。

在部分裂纹源的位置有黑色的物质，很有可能是由于油污污染导致的。使用丙酮浸泡试样，用强力毛刷刷洗之后进行观察，清除了裂纹源位置的黑色物质，所呈现出来的疲劳裂纹源比较光亮，这就可以说明，当螺栓断裂之后，有油污渗入到断面裂纹中[5] 。

二、断裂螺栓分析

经过分析发现，断裂螺栓的化学成分中，Cu元素超过了规定的标准，其余的元素成分都与设计标准要求相符合，可以说明断裂不与材质相关。通过观察螺栓断口的形貌并进行分析，可以明确在断口的位置没有出现塑性变形的问题，在样品的表面有很多的疲劳裂纹源，而且在裂纹源的附近有反复挤压的现象和摩擦痕迹，非常明显，此外，还有很大的裂纹扩展区面积。根据断口所具备的特征并对微动疲劳判断原则加以参考，可明确产生这种螺栓断裂的现象主要是由于微动疲劳造成的。在各种装备系统中，当接触件之间产生微幅相对运动的时候，就会有微动损伤，如果接触件拱北交变载荷作用，微动疲劳问题就会产生。

通过进一步深入研究表明，但产生微动作用之后，连接件的表面就会有损伤产生，而且形式多样，诸如凹坑、划痕、表面产生塑性变形或者出现表面开裂等现象。当处于微动环境下，循环次数即便很少也会造成微动损伤，此时就会有裂缝产生，连接件的使用寿命因此缩短[6] 。

通过分析断裂螺栓的力学性能，其抗拉强度要比设计要求值高出18%，硬度值也已经超过了设计要求范围，大约为5%，这样就会增强氢脆和应力腐蚀的敏感性。螺纹本身正处于应力集中的范围内，这样就会造成微动裂纹不断扩展，因此发生疲劳断裂的现象。

结束语

通过上面的研究可以明确，基础性机械上所安装的螺栓是重要的连接件，在各个领域中的机械设备中广泛使用，其主要发挥的是紧固连接作用，所以，如果螺栓不能很好地发挥其功能，就会导致严重的后果。应急供电柴油发电机组属于特种设备，需要定期检查并做好保养工作，如果发现紧固螺栓产生断裂，就要及时停机检查，以具有针对性地采取措施解决。

参考文献

[1]单秉昆. 核电厂柴油发电机用紧固螺栓断裂失效分析[J]. 金属加工：热加工， 2019， 000（10）：48-50.

[2]何冬辉， 叶振起， 赵奕州. 300MW汽轮发电机组联轴器鼓风挡板螺栓断裂原因分析及处理[J]. 东北电力技术， 2019， 436（10）：32-33，36.

[3]陈锐， 刘明， 徐卫仙. 火力发电机组汽机中压联合汽门螺栓断裂失效分析[J]. 黑龙江电力， 2019，237（6）：65-68.

[4]韩小亮. 敞开式TBM主轴承外密封挡圈断裂脱落解决案例分析[J]. 隧道建设（中英文）， 2019， 039（S2）：400-404.

[5]李文. 发动机凸轮轴承盖螺栓断裂原因分析及改进[J]. 设备管理与维修， 202，000（14）：25-26.

[6]谢澄， 李国明. Alloy783材料螺栓断裂原因分析及处理措施[J]. 2021，000（4）：131-133.

作者简介

王阳（1987/02/18-）男，蒙古族，籍贯辽宁省抚顺市望花区，本科学历，中级工程师，研究方向—柴油发电机，泵，空压机，分油机，电控系统和机械系统。