Mehaanilise väsimuse mõistmine
Definitsioon: Mis on mehaaniline väsimus?
Mehaaniline väsimus (nimetatakse ka materjali väsimuseks või lihtsalt väsimuseks) on progresseeruv, lokaalne konstruktsioonikahjustus, mis tekib siis, kui materjalile rakendatakse korduvaid pinge- või deformatsioonitsükleid, isegi kui iga tsükli maksimaalne pinge on tunduvalt madalam materjali maksimaalsest tõmbetugevusest või voolavuspiirist. Väsimus põhjustab mikroskoopiliste pragude teket ja kasvu tuhandete või miljonite tsüklite jooksul, mis lõpuks viib täieliku purunemiseni ilma hoiatuseta.
Väsimus on pöörlevate masinakomponentide, sealhulgas võllide, hammasrataste, laagrite, kinnitusdetailide ja konstruktsioonielementide kõige levinum rike. See on eriti salakaval, kuna väsimusrikked tekivad äkki, pingetasemetel, mis oleksid staatilise koormuse korral ohutud, ja sageli ilma nähtava eelneva hoiatuseta. Väsimuse mõistmine on oluline masinate ohutuks projekteerimiseks ja käitamiseks.
Väsimusprotsess
Väsimuspurunemise kolm etappi
1. etapp: pragude tekkimine
- Asukoht: Algab pingekontsentratsioonide juures (augud, nurgad, pinnadefektid)
- Mehhanism: Lokaliseeritud plastiline deformatsioon tekitab mikroskoopilise prao (tavaliselt (< 0,1 mm)
- Kestus: Siledate pindade puhul võib väsimuse eluiga olla 50–90%
- Tuvastamine: Äärmiselt keeruline, tavaliselt teeninduses mitte tuvastatav
2. etapp: pragude levik
- Protsess: Pragu kasvab iga pingetsükliga järk-järgult
- Hind: Järgib Pariisi seadust – kiirus on proportsionaalne stressi intensiivsusteguriga
- Välimus: Sile, tavaliselt poolringikujuline või elliptiline prao esikülg
- Rannamärgid: Kontsentrilised mustrid, mis näitavad prao kasvuastmeid (nähtavad murdepinnal)
- Kestus: Võib olla 10-50% kogu elueast
3. etapp: lõplik luumurd
- Pragu kasvab kriitilise suuruseni, kus järelejäänud materjal ei suuda koormust kanda
- Järelejäänud ristlõike äkiline, katastroofiline purunemine
- Murrupind on kare ja ebaühtlane (erineb sileda väsimustsooniga)
- Tavaliselt tekib normaalse töö ajal hoiatuseta
Väsimus pöörlevates masinates
Võlli väsimus
- Põhjus: Paindepinged alates tasakaalutus, joondusviga, või põikkoormusi
- Stressi tsükkel: Pöörlev võll teeb iga pöördega täieliku pöörde
- Levinud asukohad: Kiiluaugud, läbimõõdu muutused, õlad, pressistubid
- Tüüpiline elu: 10⁷ kuni 10⁹ tsüklit (tööaastat)
- Tuvastamine: Võlli pragu vibratsiooni signatuurid (2× komponent)
Laagri väsimus
- Mehhanism: Hertsi pingetest tulenev veereva kontakti väsimus
- Tulemus: Killustumine laagrirõngaste või veeremielementide
- L10 Elu: Statistiline eluiga 10% laagrite purunemise korral (projekteerimise alus)
- Tuvastamine: Laagrivigade sagedused vibratsioonispektris
Hammasratta hammaste väsimus
- Painutusväsimus: Praod algavad hambajuure fileest
- Kontaktväsimus: Pinna lõhenemine ja killustumine
- Tsüklid: Iga võrgusilma sidumine on üks tsükkel
- Ebaõnnestumine: Hamba purunemine või pinna halvenemine
Kinnitusdetailide väsimus
- Vahelduva koormusega poldid alates vibratsioon
- Praod tekivad tavaliselt mutri esimesel keermel
- Poldi äkiline purunemine ilma nähtava hoiatuseta
- Võib põhjustada seadmete kokkuvarisemise või lagunemise
Struktuuriline väsimus
- Tsüklilise koormuse all olevad raamid, alused, keevisõmblused
- Vibratsioon tekitab vahelduvaid pingeid
- Praod keevisõmblustes, nurkades, geomeetrilistes katkestustes
- Tugistruktuuride järkjärguline rike
Väsimuse elu mõjutavad tegurid
Stressi amplituud
- Väsimusaeg väheneb eksponentsiaalselt koos pinge amplituudiga
- Tüüpiline seos: Elu ∝ 1/Stress⁶ kuni 1/Stress¹⁰
- Väikesed stressi vähenemised pikendavad oluliselt eluiga
- Vibratsiooni minimeerimine pikendab otseselt komponendi väsimuse eluiga
Keskmine stress
- Staatiline (keskmine) stress koos vahelduva stressiga mõjutab elu
- Suurem keskmine pinge vähendab väsimustugevust
- Eelkoormatud või eelpingestatud komponendid on vastuvõtlikumad
Stressi kontsentratsioonid
- Geomeetrilised omadused (augud, nurgad, sooned) koondavad pinget
- Pinge kontsentratsioonitegur (Kt) korrutab nimipinget
- Praod tekivad peaaegu alati pingekontsentratsiooni juures
- Suure raadiusega disain, väldi teravaid nurki
Pinna seisukord
- Pinnaviimistlus mõjutab väsimustugevust (sile > kare)
- Pinddefektid (täkked, kriimustused, korrosiooniaugud) põhjustavad pragusid
- Pinnatöötlused (haveldamine, nitrideerimine) parandavad väsimuskindlust
Keskkond
- Korrosiooniväsimus: Söövitav keskkond kiirendab pragude kasvu
- Temperatuur: Kõrgem temperatuur vähendab väsimustugevust
- Sagedus: Väga kõrge või väga madal jalgrattasõidu määr võib mõjutada elu
Ennetusstrateegiad
Projekteerimisetapp
- Stressi kontsentratsiooni kõrvaldamine või minimeerimine (kasutage laia servaga nurki)
- Piisavate väsimusvarude projekteerimine (tüüpilised ohutustegurid 2–4)
- Valige heade väsimusomadustega materjalid
- Lõplike elementide analüüs kõrge pingega piirkondade tuvastamiseks
- Vältige võimalusel teravaid nurki ja auke suure pingega piirkondades
Tootmine
- Parandada kriitiliste komponentide pinnaviimistlust
- Pinnatöötlused (haveldamine, pinnakarastamine)
- Nõuetekohane kuumtöötlus optimaalse väsimustugevuse saavutamiseks
- Vältige pinge suunaga risti olevaid töötlemisjälgi
Operatsioon
- Vibratsiooni vähendamine: Hea tasakaal, Täppisjoondus minimeerib vahelduvaid pingeid
- Vältige ülekoormust: Tegutsege kavandatud piirides
- Resonantsi vältimine: Vältige töötamist kriitilised kiirused
- Korrosiooni kontroll: Kaitsekatted, korrosiooni inhibiitorid
Hooldus
- Pragude perioodiline kontroll (visuaalne, NDT meetodid)
- Vibratsiooni jälgimine pragude tekkimise varajaseks hoiatamiseks
- Vahetage komponendid arvutatud väsimuse eluea lõpus välja
- Parandage pinnakahjustused viivitamatult (võivad olla pragude tekkimise kohad)
Mehaaniline väsimus on pöörlevate masinate peamine rikkeviis, mis põhjustab akumuleerunud tsükliliste kahjustuste tõttu ootamatuid ja sageli katastroofilisi rikkeid. Väsimusmehhanismide mõistmine, vahelduvate pingete minimeerimiseks projekteerimine ja madala vibratsioonitaseme hoidmine õige tasakaalustamise ja joondamise abil on olulised väsimusrikete vältimiseks ja masinakomponentide pika ning usaldusväärse kasutusea tagamiseks.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 