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换向器组合垫圈的失效分析

  螺栓联接结构在机械结构中大量使用,其多种结构形式可以满足各种工作要求,而很多机构的毁坏都出现在联接部位,因此,正确设计螺栓联接结构十分重要。为了能够正常工作,要求螺栓联接要有足够的强度,紧固方便,拆卸容易,还应考虑螺栓联接的材料、热处理、表面处理等技术要求。

  530系列电机换向器是典型的拱形结构。换向器最高转速可达3000r/min左右,换向器装配时,对组合垫圈施加压力为530kN~557kN,换向器螺栓紧固力矩为155?15N#m。换向器的特殊结构和工作状况对此螺栓联接结构提出了相当高的要求,530系列电机换向器螺栓选用高强度合金钢35CrMo,性能为:RS834MPa,Rb981MPa,D12%,W45%。复杂的运用环境对组合垫圈的选用也提出了较高要求,必须要考虑高强度、高耐磨、塑性好、防变形等性能。曾经选用过紫铜垫圈和钢垫圈,对比如下:

  (1)紫铜平垫片。材料为铜T2,其Rb205MPa,D1030%;该材料延伸率高,具有良好的塑性与韧性,不易开裂。使用效果:能消化较大的紧固力矩给换向器组合垫圈受力表面造成的应力集中,补偿换向器在装配中和工作中的变形。但在装配过程中,换向器螺栓在拧紧时,紫铜组合垫圈与螺栓及换向器组合垫圈表面的摩擦易产生铜屑,铜屑落入换向器内部会阻碍螺栓紧固,同时使组合垫圈变形,周边翘曲,影响换向器稳定工作,甚至会引发重大故障。

  原因分析:该材料强度不高,硬度较低,耐磨性差。

  (2)钢制平垫。材料为45°钢,其RS355MPa,Rb600MPa,D516%,W40%。热处理:调质(淬火+高温回火)。该材料强度高,渗碳体含量较高,使钢的强度提高,但渗碳体很脆,同时又使钢的塑性和韧性下降,故一般要进行调质处理。使用效果:强度高,能承受换向器螺栓强大的拧紧力矩。但精度要求较高,如果精度低,在较大紧固力矩作用下会在换向器压圈与组合垫圈接触面造成较大应力,GE电机GE752电机换向器组合垫圈表面粗糙度Ra高达0.8,加工较困难,并且在装配和使用中时有开裂现象发生,造成装配返工,电机返修的不良后果。

  原因分析:45°钢调质是要获得回火索氏体组织,它有高的强度、良好的塑性与韧性,即良好的综合力学性能,其前提是淬火后必须得到一定深度和尺寸的马氏体。因此,调质效果和钢的淬透性有着密切关系。但45°钢淬透性低,淬火易产生裂纹,加之组合垫圈形状较小,厚度较薄,热处理工艺不好控制,

  难以达到要求。加热温度过高,使奥氏体和由它转变而成的马氏体粗大化,而且淬火后残余奥氏体数量过多,不仅使钢的硬度和耐磨性降低,而且由于它在工件工作过程中可能发生转变,因而会影响到工件的稳定性,在这种情况下回火后,钢的强度、塑性和韧性都会偏低;加热温度过低,奥氏体化可能不充分,使一部分铁素体保留下来,同样会使钢回火后的力学性能降低。

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