机械装备失效分析小课堂——设计因素造成的失效诊断(2)

1.设计载荷不准确，对服役环境估计不充分 [原创文章：www.11jj.com]

主要表现为载荷考虑不全（应力估算不足），载荷变动分析不够，计算假设中出现误差，致使实际工作载荷超过设计载荷，或服役环境脱离事先考虑，导致材料在正常工况下也无法承受工作载荷，或不能抵抗环境的侵蚀而失效。

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某风力发电机组变桨轴承外圈在使用2-3年时发生了断裂。断口宏观分析和SEM分析结果表明，该轴承外圈的断裂性质为疲劳断裂。断裂轴承外圈的两个端面及外圆面均存在镀层和涂层，螺栓内孔表面和滚道面未见涂层，断裂后轴承滚道面可见厚重的油脂；螺栓内孔表面存在明显锈蚀，剖面金相分析发现这些区域存在多处凹坑，存在从凹坑中萌生的微裂纹；凹坑中存在异物，经EDS能谱分析，异物中存在较高含量的S和O元素，说明这些凹坑是受到了环境中腐蚀性元素作用产生的点腐蚀坑；SEM形貌观察显示疲劳起源于这些点腐蚀坑。

断裂轴承外圈的两个端面和外圆面均作了涂层防护，具有较好的防腐蚀能力；滚道面未见防护层，但较为厚重的油脂和滚珠的运动都对防腐蚀产生一定的效果。螺栓孔内表面未观察到涂层，受到外部介质中腐蚀性元素的作用产生了点腐蚀坑，形成了应力集中点；桨叶在风力的作用下会产生不同程度的振动；容易在应力集中明显的腐蚀坑处诱发裂纹源并导致疲劳断裂。

经查阅该变桨轴承外圈的设计图纸，除滚道面和螺栓内孔外，其余表面均作了较为充分的表面防护要求。经实际检测，正常部位的表面防护有3层：EDS分析显示底层成分(质量分数，下同)为2.66%O，19.49%Al，2.62%Fe，75.22%Cu；中间层为100%Zn；外表面为灰色硝基磁漆。该风电设施服役于东海岸线，潮湿、闷热的海洋性环境对金属构件具有一定的腐蚀作用，显然这一点设计是考虑到了。但一个变桨轴承外圈上有50多个螺栓孔，正常服役中，这50多个螺栓的紧固力不可能完全相同，少数螺栓会存在不同程度的松动。螺母和垫片不具备密封作用，外面的大气便会进入螺栓孔并引起腐蚀。可见螺栓内孔没有要求表面防护为设计失误所致。

2.强度级别选择不当

主要表现为零件强度级别设计不当，或几何形状设计不当，出现剖面突变或尖角可导致这些部位承受较大的应力集中，超过材料的强度极限，从而过早的萌生裂纹而失效。