1.2 工程中的典型微動(dòng)失效問(wèn)題

理論上講，凡是相互接觸的構(gòu)件，在振動(dòng)環(huán)境或受到交變載荷作用時(shí)，接觸區(qū)域均會(huì)產(chǎn)生微動(dòng)現(xiàn)象。在機(jī)械行業(yè)的很多部門(mén)，如航空航天、核能工業(yè)、鐵路運(yùn)輸、海洋船舶等部門(mén)均有因微動(dòng)引發(fā)的失效問(wèn)題，甚至在生物醫(yī)學(xué)、電子工業(yè)等領(lǐng)域也存在因微動(dòng)導(dǎo)致的嚴(yán)重失效。

由于微動(dòng)疲勞的隱蔽性強(qiáng)，失效形式與常規(guī)疲勞和磨損現(xiàn)象類似，導(dǎo)致失效分析中難以甄別，現(xiàn)將典型的微動(dòng)疲勞問(wèn)題總結(jié)如下，以供參考。

1.2.1 各種緊固連接結(jié)構(gòu)

常用的緊固連接方式，如螺栓連接和鉚接等，當(dāng)被連接件承受橫向交變載荷（平行于接觸面方向的載荷）或處在振動(dòng)環(huán)境中時(shí)，均易發(fā)生由微動(dòng)引起的失效。雖然螺栓或鉚釘?shù)念A(yù)緊作用將被連接件壓緊在一起，根據(jù)圣維南原理可知，預(yù)緊力的作用范圍是有限的。如圖1.4所示，距離預(yù)緊力作用點(diǎn)越遠(yuǎn)，接觸壓力越小，導(dǎo)致當(dāng)被連接件承受橫向載荷作用時(shí)，接觸區(qū)外沿會(huì)發(fā)生微動(dòng)現(xiàn)象。易發(fā)生微動(dòng)損傷的位置如圖1.5所示。

典型案例1：某強(qiáng)化V型柴油機(jī)機(jī)體-主軸承座緊固面微動(dòng)疲勞問(wèn)題。

某V型柴油機(jī)樣機(jī)在進(jìn)行耐久性考核至387h時(shí)，機(jī)體第二隔板發(fā)生疲勞破壞，拆解后發(fā)現(xiàn)，主軸承蓋與機(jī)體隔板緊固連接位置有明顯的磨損現(xiàn)象，裂紋在主軸承蓋與隔板的緊固面的中間部位萌生，進(jìn)而不斷擴(kuò)張。至發(fā)現(xiàn)故障停機(jī)時(shí)，機(jī)體隔板僅有一側(cè)約50mm與機(jī)體相連。其微動(dòng)疲勞失效如圖1.6所示。

典型案例2：飛機(jī)蒙皮鉚接的微動(dòng)疲勞失效。

2002年5月25日，中國(guó)臺(tái)灣“華航”B747-200 B型飛機(jī)發(fā)生墜海事故，導(dǎo)致225名乘客及機(jī)組成員遇難。事故調(diào)查原因?yàn)闄C(jī)尾下方蒙皮的鉚接處發(fā)生微動(dòng)疲勞，導(dǎo)致機(jī)體結(jié)構(gòu)損壞。飛機(jī)蒙皮鉚接孔附近的微動(dòng)疲勞裂紋如圖1.7所示。北大西洋公約組織航空研究報(bào)告指出，約90%的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的疲勞破壞起始于微動(dòng)造成的損傷。

典型案例3：種植牙的微動(dòng)損傷問(wèn)題。

種植牙是一種常規(guī)的口腔外科手術(shù)，采用帶螺紋的牙根材料與牙床緊固連接，并在其上安裝人工牙冠。由于金屬鈦耐磨性和耐腐蝕性好，彈性模量低，與骨相近，能產(chǎn)生共振；無(wú)毒無(wú)副作用，無(wú)刺激，在體內(nèi)能夠保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，生物相容性好，為牙根的理想材料。然而，如圖1.8所示，由于牙齒在咀嚼過(guò)程中受到交變載荷的作用，鈦合金牙根易發(fā)生微動(dòng)疲勞失效。

1.2.2 榫連接

榫連接結(jié)構(gòu)是工程中一種重要的連接形式。最典型的應(yīng)用為航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸流式壓氣機(jī)、渦輪以及燃?xì)廨啓C(jī)等動(dòng)力機(jī)械中葉片與輪盤(pán)之間的連接。首先，由于結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，將輪盤(pán)與葉片整體加工工藝上很難實(shí)現(xiàn)。其次，渦輪等部件通常工作在較高的溫度下，為避免熱應(yīng)力帶來(lái)的輪盤(pán)與葉片的疲勞問(wèn)題，需要采用間隙配合的方式進(jìn)行裝配。再次，由于氣動(dòng)效應(yīng)的影響，葉片在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng)，利用榫連接產(chǎn)生的接觸阻尼作用，可緩解振動(dòng)對(duì)葉片帶來(lái)的危害。基于榫連接的上述特點(diǎn)，導(dǎo)致其葉片榫頭與輪盤(pán)榫槽接觸位置易發(fā)生微動(dòng)疲勞問(wèn)題。圖1.9所示為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的工作狀態(tài)與受力特點(diǎn)。在非工作狀態(tài)下葉片與輪盤(pán)處于放松狀態(tài)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，葉片在離心力的作用下通過(guò)榫連接結(jié)構(gòu)與輪盤(pán)壓緊在一起，由于氣動(dòng)力作用，導(dǎo)致葉片發(fā)生擺動(dòng)，進(jìn)而在榫連接接觸面上產(chǎn)生微動(dòng)損傷。由圖1.10可知，榫頭接觸區(qū)在微動(dòng)作用下會(huì)產(chǎn)生縱向和橫向的裂紋，其中橫向裂紋的擴(kuò)展是導(dǎo)致葉片斷裂的主要原因。接觸區(qū)的應(yīng)力分布也表明，榫頭發(fā)生橫向裂紋的位置也基本為接觸應(yīng)力及切應(yīng)力最大的位置。

典型案例：航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片斷裂問(wèn)題。

2016年11月26日，一架載有357人的斯庫(kù)特（Scoot）航空公司的B787-9執(zhí)行由悉尼開(kāi)往新加坡的航班任務(wù)時(shí)發(fā)生右側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)故障。在這次事件后，又發(fā)生了兩起類似的故障，所幸均未造成人員傷亡。拆解故障發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)現(xiàn)，其第一級(jí)中壓壓氣機(jī)1片葉片丟失，7片葉片根部榫頭側(cè)面處有裂紋，長(zhǎng)度為30.5mm，其余葉片榫頭與榫槽接觸的表面上均有明顯的磨蹭痕跡。事故原因初步判斷為葉片設(shè)計(jì)及安裝不合理導(dǎo)致的微動(dòng)疲勞問(wèn)題。失效壓氣機(jī)及葉片如圖1.11所示。

1.2.3 彈性支撐與間隙配合

對(duì)于某些夾持機(jī)構(gòu)或支撐結(jié)構(gòu)，雖然在接觸面切線方向不受載荷作用，但由于振動(dòng)、構(gòu)件變形等原因，法向載荷發(fā)生變化，進(jìn)而影響接觸區(qū)的范圍和接觸狀態(tài)。在反復(fù)擠壓過(guò)程中，接觸區(qū)的邊緣會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生微動(dòng)損傷。典型的接觸狀態(tài)與應(yīng)力分布如圖1.12所示。該微動(dòng)狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致零部件的過(guò)度磨損，一般不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

典型案例：核電站反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器微動(dòng)磨損問(wèn)題。

蒸汽發(fā)生器是核電站的關(guān)鍵設(shè)備，由于熱交換管路中導(dǎo)熱介質(zhì)的高速流動(dòng)，管路和其支撐結(jié)構(gòu)之間發(fā)生流致振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生微動(dòng)磨損。對(duì)安全性要求極高的核電設(shè)備來(lái)說(shuō)，管路的微動(dòng)磨損直接關(guān)系到放射性物質(zhì)的泄漏問(wèn)題（見(jiàn)圖1.13），是非常嚴(yán)重的安全事故。如2012年美國(guó)Songs核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管?chē)?yán)重微動(dòng)磨損，致使2臺(tái)核電站機(jī)組關(guān)停，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。美國(guó)電力研究會(huì)指出，世界范圍內(nèi)50%以上的壓水堆機(jī)組都有傳熱管微動(dòng)磨損發(fā)生。

1.2.4 過(guò)盈配合

過(guò)盈配合是一種常用的緊固連接方式。依靠軸與孔裝配產(chǎn)生的彈性壓力，起到軸向和周向固定的作用。該連接形式簡(jiǎn)單，同軸性好，能承受較大的軸向力、扭矩及動(dòng)載荷。如圖1.14所示，當(dāng)過(guò)盈配合零件受到彎矩作用時(shí)，接觸區(qū)邊緣的接觸壓力將減小，同時(shí)受到彎曲變形的作用，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移進(jìn)而導(dǎo)致磨損。同時(shí)，在交變彎曲應(yīng)力的作用下，磨損區(qū)產(chǎn)生裂紋并最終導(dǎo)致零部件的斷裂，是典型的微動(dòng)疲勞問(wèn)題。

典型案例：列車(chē)輪軸的冷切問(wèn)題。

列車(chē)車(chē)輪和輪軸是通過(guò)過(guò)盈配合壓裝在一起的。輪對(duì)在反復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，輪軸配合位置經(jīng)受旋轉(zhuǎn)彎曲載荷的作用，在過(guò)盈配合邊緣產(chǎn)生微動(dòng)磨損，最終導(dǎo)致輪軸的微動(dòng)疲勞斷裂，稱之為輪軸冷切。輪軸的受力狀態(tài)和微動(dòng)損傷如圖1.15所示。

1.2.5 柔性繩索

如圖1.16所示，鋼絲繩、電纜的股與股之間是通過(guò)螺旋形式纏繞在一起的。這一特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致股與股之間形成點(diǎn)接觸或線接觸狀態(tài)。當(dāng)這些繩索受到軸向力作用時(shí)，股與股之間會(huì)發(fā)生擠壓并同時(shí)發(fā)生周向的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致微動(dòng)磨損進(jìn)而發(fā)展為微動(dòng)疲勞斷裂。

典型案例：高壓輸電線的疲勞斷裂。

常用的高壓輸電線為多股鋼線和鋁線絞擰而成，在自身重力和風(fēng)載荷等的作用下，繩股內(nèi)部會(huì)受到交變的拉力作用。各股之間相互摩擦發(fā)生微動(dòng)疲勞問(wèn)題。典型失效狀態(tài)如圖1.17所示。