Page 84 - 理化检验-物理分册2022年第八期

陈仙凤, 等: 反应釜搅拌轴断裂原因

图 9 材料敏化区域能谱分析位置及其能谱图

2 有限元模拟

对搅拌轴的断裂部位进行有限元模拟, 其应力
分布如图 10 所示, 模拟结果与实际断裂部位应力分
析结果吻合, 搅拌轴在结构上表现为进气孔与角焊
缝处应力较大, 在循环附加载荷的作用下最先出现
疲劳裂纹, 降低这两处的应力集中可延长搅拌轴的
使用寿命。不同切向力和扭矩对各部位的应力影响
如图 11 所示。近焊缝第一排进气孔处的应力较第
二排进气孔处的应力大。有限元模拟时假设材料各
向同性, 从有限元模拟结果看, 虽然角焊缝处应力和
进气孔处应力相比相对较小, 但疲劳起源于该角焊
缝处, 这与材料敏化、 角焊缝处的晶粒增大、 敏化部
位承载能力下降有关。

图 11 不同切向力和扭矩对各部位的应力影响
4 结论与建议

螺孔变形、 角焊缝处材料敏化, 及角焊缝处形状
突变导致应力集中是搅拌轴最终发生疲劳断裂的主
要原因。建议加装振动监测装置, 便于及时发现异常
振动; 改进焊接工艺可减小角焊缝部位的敏化影响;
图 10 搅拌轴断裂部位的应力分布
并将角焊缝加工成凹形角焊缝, 可以减小应力集中。
3 综合分析 参考文献:
综合上述理化检验、 剪应力校核及有限元模拟 [ 1 ] 王荣 . 机械装备的失效分析( 续前)第 8 讲 失效诊断

结果可知: 螺孔变形使同轴度误差增大, 从而产生附 与预防技 术 ( 6 )[ J ] . 理 化 检 验 ( 物 理 分 册), 2018 , 54
加弯矩; 法兰与搅拌轴的角焊缝填充量较大, 角焊缝 ( 10 ): 716-725.

处材料敏化, 敏化深度达到壁厚的 2 / 3 , 敏化部位晶 [ 2 ] 王荣 . 机械装备的失效分析( 续前)第 8 讲 失效诊断
粒粗大, 该部位承载能力下降; 焊缝和搅拌轴交界处 与预防技 术 ( 1 )[ J ] . 理 化 检 验 ( 物 理 分 册), 2017 , 53
形状突变, 机械加工后进气孔的内壁和外壁未倒圆 ( 12 ): 849-858.
[ 3 ] 陈志平, 章序文, 林兴华 . 搅拌与混合设备设计选用手
角, 导致应力集中。在循环附加载荷的作用下, 局部
册[ M ] . 北京: 化学工业出版社, 2004.
永久性累积损伤导致裂纹萌生并扩展, 直至发生疲
[ 4 ] 钟群鹏, 赵子 华 . 断 口 学 [ M ] .北 京: 高 等 教 育 出 版
劳断裂。
社, 2006.
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