某水電站筒形閥接力器機械反饋滾珠絲桿斷裂失效分析

彭以超，王賢明，干建麗，趙煒煒

（1.浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 310003；2.浙能北海水力發電有限公司，浙江 麗水 323900）

某水電站筒形閥接力器機械反饋滾珠絲桿斷裂失效分析

彭以超1，王賢明1，干建麗2，趙煒煒1

（1.浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 310003；2.浙能北海水力發電有限公司，浙江 麗水 323900）

以斷裂的筒形閥接力器滾珠絲桿為研究對象，對絲桿斷裂部位進行了包括化學成分、表面滲碳情況、不同部位的金相組織、斷口裂紋源及擴展路徑、力學性能、接力器運行狀態等一系列分析，進而綜合討論滾珠絲桿的失效機理。發現造成滾珠絲桿發生彎曲斷裂的直接原因是接力器下腔的壓縮空氣未排除干凈，壓縮空氣的瞬間爆破造成瞬間反饋絲桿軸向竄動量增大，端部主、從動齒輪耦合咬死，使得絲桿瞬間無法旋轉，在軸向的壓力和扭矩下絲桿發生彎曲和斷裂。另外，滾珠絲桿通過滲碳來增加表層硬度，表層硬度最高可達743 HV，組織為針狀馬氏體，表層高硬度造成絲桿脆性較大，脆性表層容易萌生裂紋并迅速擴展發生斷裂。

筒形閥；接力器；滾珠絲桿；斷裂；失效分析

0 引言

筒形閥是水電站水輪機的進水閥門，關閉時布置在固定導葉與活動導葉之間，具有結構緊湊、操作靈活、水力損失小、密封性好等特點[1，2]。2015年11月，某水電站筒形閥接力器機械反饋滾珠絲桿發生彎曲、斷裂。工作人員用調試模式將筒形閥由全開切換到全關位置過程中并未發現異常信號，然后在重新開啟筒形閥過程中，當筒形閥開到35 mm時，筒形閥報失步、卡阻信號，檢查發現接力器扇形耦合齒輪咬死不能轉動，內部滾珠絲桿已彎曲、斷裂，下部接力器絲桿連接螺母也已斷裂。首先對絲桿斷裂部位的斷口進行了一系列宏觀及微觀分析，包括化學成分分析、表面滲碳情況、不同部位的金相組織、斷口裂紋源及擴展路徑等，其次對不同部位進行了一系列力學性能試驗，最后結合接力器運行狀態來綜合討論滾珠絲桿的失效機理，旨在降低該類絲桿在以后運行服役過程中發生再次斷裂的幾率。

1 理化檢驗

1.1 筒形閥結構分析

筒形閥通過數字缸-筒形閥電液同步控制系統控制直缸接力器的同步運動，從而實現平穩開啟和關閉[1]，如圖1。接力器內有機械反饋滾珠絲桿，該絲桿是整個接力器的核心部件，其通過傳動銷，上與數字液壓閥相連，下與接力器提升桿相連，整個結構連成一個整體；絲桿使得活塞上螺帽的直線位移轉換為絲桿的旋轉位移，并同時對筒形閥接力器的位置進行實時反饋，自動完成接力器的數字量化操作，最終實現5個接力器的同步，使得筒形閥不會發生偏斜[2-4]。此絲桿的加工精度要求非常高，螺帽與絲桿的軸向間隙只有0.01～0.04 mm。

圖1 筒形閥三維結構示意圖

筒形閥正常開啟時間低于90 s，正常關閉時間低于70 s，使用5個接力器來進行同步開啟和關閉。接力器數字缸型號為SZG-280/125-1128，其結構如圖2所示，接力器缸內徑為280 mm，接力器活塞桿直徑為125 mm，接力器工作行程1 128 mm，工作油壓6.3 MPa。

1.2 宏觀形貌分析

筒形閥接力器滾珠絲桿原長約1 500 mm，發生失效斷裂后變成兩部分，斷口距離絲桿下端面約855 mm（如圖3）。斷裂絲桿的兩部分均發生了不同程度的彎曲，長段絲桿軸線最高偏心約7 mm（圖3a），短段絲桿的光桿處偏斜約5.5°角（圖3b）。由圖2，4可知，由于光桿受到周圍限制不能發生偏斜，光桿處的折彎主要也是由絲桿發生彎曲引起，可判斷活塞在上行過程中與絲桿處發生鎖死導致絲桿無法轉動，巨大的壓力及扭矩導致絲桿發生彎曲并斷裂。

圖2 筒形閥接力器（SZG-280/125-1128型數字量化缸）結構

圖3 筒形閥接力器滾珠絲桿斷裂宏觀形貌

圖4 絲桿折彎處

對絲桿斷口（圖5a，5b）分析發現，整個斷口基本為新鮮斷口，判斷絲桿失效可能由于瞬間斷裂引起。斷面分為2個典型的區域：中心直徑約20 mm的圓形粗糙斷口和外圍寬約3 mm的環形平整斷口。一般來說脆性越大，斷面越平整，由此推測為防止絲桿與滾珠作用發生局部變形而進行了絲桿表層硬化。斷口上“人”字紋明顯（圖5c），說明開裂速度較快[5]，裂紋起源于圖5c中外圓上箭頭指示的位置。

圖5 筒形閥接力器滾珠絲桿斷面

與絲桿連接的螺母也發生斷裂（圖6）。該螺母通過法蘭固定在活塞上，內含有滾珠與絲桿相連。活塞上下移動過程中帶動滾珠沿著絲桿表面螺旋滑軌運動，帶動絲桿發生旋轉，使接力器活塞的直線位移轉化為絲桿的旋轉位移。當絲桿受到壓應力和扭矩發生彎曲斷裂時，傳遞該壓應力和扭矩的螺母也承受巨大的應力從而發生斷裂。也有可能由于絲桿斷裂后手動方式提升筒閥時，下段絲桿碰到上段絲桿法蘭處造成的沖擊引起螺母發生斷裂。

圖6 筒形閥接力器螺母斷裂

1.3 顯微組織及性能分析

反饋絲桿材質為鍛鋼45，對其內部進行化學成分分析的結果（表1-內圓）與資料較為相近。

對絲桿橫截面外環及內圓分別進行金相組織分析，如圖7所示，外環金相基本為針狀馬氏體，內圓金相組織為珠光體+鐵素體，可知外環金相組織碳含量比較高（板條馬氏體低碳，針狀馬氏體高碳）。對該部位進行微區能譜分析也發現表層具有較高的碳含量（如表1所示），說明絲桿在加工過程中表層進行過滲碳處理[6]。

表1 絲桿表層及內圓部位的化學成分wt.%

圖7 絲桿橫截面不同部位金相組織

圖8 為絲桿橫截面顯微硬度隨距表面距離的變化曲線，由圖可見，絲桿表層顯微硬度高達743 HV，隨著與表面距離增大至3～4 mm時，絲桿硬度迅速下降，心部顯微硬度為216 HV左右。將絲桿心部制成尺寸為5 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣進行沖擊試驗，所得的沖擊吸收功AKV2（20℃）分別為12，12，10J。絲桿通過表層滲碳來提高表面硬度和耐磨性（高碳馬氏體），而心部保持相對良好的塑性及韌性。

圖8 絲桿橫截面顯微硬度隨距表面距離的變化曲線

對絲桿斷面裂紋源附近進行顯微組織分析如圖9（a）所示，裂紋源附近有明顯的放射線。放大顯示后發現該處斷口主要為解理與沿晶混合斷口，無撕裂嶺形貌，呈明顯脆性，如圖9（b）。脆性表層容易引起裂紋形核，當絲桿受力時，脆性表層過早地產生裂紋，并迅速擴展至里面的延性材料中，從而導致延性材料斷裂[7]。

圖9 裂紋源及附近的斷口形貌

遠離裂紋源的外環斷口形貌為解理與沿晶混合斷口如圖10（a），桿內部的斷口形貌為解理斷口（亦有少量韌窩斷口），解理扇較大如圖10（b）。

圖10 斷口顯微形貌

對螺母顯微斷口進行分析如圖11所示，其顯微形貌主要為沿晶與韌窩混合斷口，亦呈現較明顯的脆性。

圖11 螺母斷口形貌

2 分析與討論

2.1 理化分析與討論

絲桿在旋轉過程中受到軸向應力σl和扭應力τ的作用[8]，如圖12所示。根據第四強度理論可以計算出危險截面的復合應力為[9]：

當σ≤[σ]時滾珠絲桿安全，當σ≥[σ]時絲桿會斷裂。其中[σ]=σs為許用應力，σs為屈服極限強度。結合式（1）與上文對機械反饋滾珠絲桿宏觀、微觀的分析，推斷反饋絲桿是在瞬間軸向壓力和巨大扭矩的共同作用下發生彎曲和斷裂。

圖12 滾珠絲桿受力分析

絲桿在正常使用時為非承力部件，在工藝性能方面（保證精確傳導轉化位移信息）要求很高，對于機械性能的要求主要是保證具有較高的表層硬度和光潔度，從而減小表面摩擦及局部變形。試驗證實絲桿表層硬度高達743 HV，較好地符合工藝性能的要求，而對其他方面力學性能要求不高。結合裂紋源附近的“人”字紋及斷口形貌分析，絲桿表層硬度也存在偏高的可能性；沖擊試驗表明絲桿心部的抗沖擊性能也不高。

2.2 滾珠絲桿斷裂原因分析

東方電氣集團此類筒形閥控制系統曾在某電廠出現過絲桿斷裂現象，其斷裂原因主要是壓縮空氣未能有效排盡。針對此類缺陷，東方電氣集團對該筒形閥接力器腔體結構進行了局部改進[10]。本機組曾在檢修過程中也對筒形閥接力器進行了改進，在接力器腔體側壁上增設排氣機構（圖13）來預防傳統接力器在新機組安裝調試過程或者檢修后的調試過程中絲桿可能發生斷裂的問題。此次絲桿斷裂是在接力器排氣孔改造完成后發生，其原因是設備安裝完成后存在接力器排氣未完全排凈或排氣后接力器下腔又重新滲入空氣等情況。

據現場了解，筒閥接力器確實存在空氣偶爾未排干凈情況。充油排氣過程中，若未將下腔空氣排除干凈，當開啟腔室進行充油時，壓力油由接力器缸底部往上升，原空腔中存在的空氣將會上升至活塞底部，隨著開啟進行，空氣逐漸被壓縮而形成高壓的壓縮空氣，在接力器由開啟工況轉為關閉工況時，被壓縮的空氣將會瞬間爆破，產生的沖擊波壓力推動活塞迅速朝上運動。在接力器活塞移動時，由于接力器滑動部件配合間隙及負載的不均勻性，壓縮空氣的存在會導致接力器活塞運動不連續，出現頓挫現象，造成滾珠絲桿螺母瞬間鎖死。作用在活塞下端面瞬間產生的軸向力如式（2）所示。

圖13 筒形閥接力器腔體排氣機構

式中：P假定為6.3 MPa；Do=280 mm；Di=125 mm。

該軸向推力通過滾珠絲桿螺母傳遞到絲桿上，進而傳遞到推力軸承上，造成反饋絲桿軸向竄動量增大，并大于主、從動齒輪的配合間隙，造成齒輪的耦合咬死。咬死的耦合齒輪限制了絲桿的旋轉，數字電機接收到行進脈沖信號而將旋轉扭矩通過傳動銷傳遞給絲桿。絲桿在上下力矩的同時作用下產生超過本身強度極限的扭矩，進而斷裂。

3 結語

筒形閥接力器反饋絲桿通過滲碳來增加表層硬度，表層硬度最高可達743 HV，組織為針狀馬氏體，而心部硬度僅有216 HV左右，組織為珠光體+鐵素體。表層高硬度造成絲桿脆性較大，脆性表層容易萌生裂紋并迅速擴展發生斷裂。造成絲桿彎曲斷裂的直接原因是：接力器下腔的壓縮空氣未排除干凈，壓縮空氣的瞬間爆破造成反饋絲桿軸向竄動量瞬間增大，端部主、從動齒輪耦合咬死，使得絲桿瞬間無法旋轉，在軸向的壓力和扭矩下絲桿發生彎曲和斷裂。

為了防止斷裂事故的再次發生，提出以下建議：適當增加排氣孔數量，并確認排氣孔實際排氣效果良好；當活塞行至最大開啟行程位置時再進行排氣操作；排氣過程中待空氣完全排盡才將封堵螺栓擰回去，防止腔體內又重新滲入空氣。

[1]吳旭明，陳榮洲.筒形閥在灘坑水電站中的應用[J].中國水能及電氣化，2010（1）∶55-58.

[2]梁玉福.水輪機筒形閥[J].紅水河，2003，22（2）∶54-57.

[3]沈芳，張承俊，蘇紀成，等.數字缸在溪洛渡電站筒形閥控制系統中的應用[J].水電站機電技術，2014，37（5）∶45-47.

[4]甘楠，時天富.數字缸在水輪機筒形閥電液同步控制系統中的應用[J].水力發電，2011，37（8）∶59-61.

[5]鐘培道.斷裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊，2005，41（7）∶375-378.

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[8]徐令令.高過載工況下滾珠絲杠副的失效分析與性能試驗研究[D].南京：南京理工大學，2014.

[9]柳勝.精密滾珠絲杠副強過載下承載與破壞機理研究[D].南京：南京理工大學，2011.

[10]東方電氣集團東方電機有限公司.一種筒形閥接力器腔體結構及筒形閥接力器：CN，204573285 U[P].2015-08 -19.

（本文編輯：張 彩）

Analysis on Fracture of Servomotor Ball Screw of a Cylindrical Valve in a Hydropower Station

PENG Yichao1，WANG Xianming1，GAN Jianli2，ZHAO Weiwei1

（1.Zhejiang Energy Group R&D Co.，Ltd.，Hangzhou 310003，China；2.Zhejiang Energy Beihai Hydropower Co.，Ltd.，Lishui Zhejiang 323900，China）

By research on the fractured servomotor ball screw of a cylindrical valve，the paper analyzes the fracture in terms of chemical composition，case carburization，and metallographic structures，crack initiation，propagation path，mechanical property of different parts and servomotor operation performance；furthermore，it discusses failure mechanism of the ball screw.The final result shows that the fracture was caused by the left compressed air in the lower servomotor cavity.The instantaneous blast of compressed air caused sudden axial displacement increase of the screw and final locking of the driving and driven wheels on the screw end，so the screw bended and broke finally due to torque and axial pressure.What's more，the ball screw is carburized to increase the surface hardness，which is up to 743 HV and the structure is needle-shaped martensite. The great surface harness results in screw brittleness，and the brittle surface may easily crack and fracture with its propagation.

cylindrical valve；servomotor；ball screw；fracture；failure analysis

TK730.4+3

B

1007-1881（2016）12-0030-06

2016-10-17

彭以超（1989），男，助理工程師，主要從事電站金屬材料的服役狀態評估及高溫部件失效分析工作。