振动分析仪之裂纹的产生、增长和断裂

振动分析仪之裂纹的产生、增长和断裂

     转子弯曲往往会在轴的外表面产生*大应力，转子裂纹通常始于外表面或外表面附近。起因于振动分析仪锅炉扰动的淬火或热冲击，也会导致蒸汽涡轮机转子表面出现裂纹。但是，转子的迅速受热会在转子中心或中心孔表面产生较高的拉伸应力。有时，振动分析仪由于转子刚柸存在化学或其它加工问题，转子在突入使用前，内部可能已经存在微小裂纹。

     如果循环应力足够大，裂纹前沿（裂纹**）会逐渐扩散，使裂纹平面与拉升应力场的方向垂直。此应力场的方向受应力类型（弯曲或扭曲）和几何因素影响。如果转子只受简单的弯曲应力影响，则振动分析仪应力场方向为转子长轴方向，并且裂纹会直接扩散至转子截面，形成横向裂纹。

     纯扭转应力会产生方向与转子轴成45度角的拉升应力场。此振动分析仪应力场中的裂纹会扩散至转子，往往会在轴表面形成螺旋状裂纹。在大多数转子系统中，应力场由弯曲应力和扭转应力混合而成。弯曲应力通常是主导力量，因此振动分析仪裂纹经常会或多或少地以横向裂纹形式扩散至转子，但也可能出现其它几何形状的裂纹。振动分析仪在典型的高度疲劳情况下，零件约90%的使用寿命都消耗在产生和增长微小裂纹上。在此期间，裂纹要么不存在，要么及其微小，并且扩散速度极慢。

     随着裂纹达到可测量的大小，裂纹进入**个增长阶段。振动分析仪在零件*后10%的使用寿命中，虽然裂纹的增长率迅速提高，但轴材料仍足以克服静态和动态载荷。因此在处于运行状态的机器中，必须在这一相对较短的时间段诊断出裂纹。振动分析仪裂纹扩散的*后一个阶段是极速破坏。随着裂纹增长，振动分析仪能够沿轴传递载荷的可用材料越来越少，而剩余轴材料承受的局部应力越来越大。振动分析仪在达到某一时刻，即剩余横截面变得极小以致在施加下一载荷时，局部应力强度超出了剩余材料的强度。从而使剩余截面发生脆性断裂，*终导致转子断裂。

    断裂韧性是材料抵抗快速断裂的一种度量，取决于合金，热处理、材料温度和载荷施加速率。材料的断裂韧性越高，材料能够承受的应力强度越大，而不发生断裂。此外，振动分析仪在转子温度高于韧脆转变（无延性）温度（对于大多数转子钢，接近或高于室温）时，刚的断裂韧性更高。冷转子可能低于韧脆转变温度且断裂韧性较低，这正是振动分析仪为何必须格外小心地加热蒸汽涡轮机转子的原因之一。低于自身韧脆转变温度的转子断裂韧性较低，因此受到热冲击时更容易发生破坏。

  转子轴通常由在工作温度下具有较高断裂韧性的材料制成。振动分析仪在转子轴裂纹面积超过轴横向截面积的90%后，轴*终才会断裂，但这不是**的决定因素。振动分析仪在处于运行状态的机器中，确定裂纹大小并非易事，因此在怀疑存在轴裂纹时，机器均应尽快关机。