Mechanische vermoeidheid begrijpen
Definitie: Wat is mechanische vermoeidheid?
Mechanische vermoeidheid (ook wel materiaalmoeheid of kortweg vermoeiing genoemd) is de progressieve, lokale structurele schade die ontstaat wanneer een materiaal wordt blootgesteld aan herhaalde cycli van spanning of belasting, zelfs wanneer de maximale spanning in elke cyclus ver onder de uiteindelijke treksterkte of vloeigrens van het materiaal ligt. Vermoeiing veroorzaakt het ontstaan en groeien van microscopisch kleine scheurtjes gedurende vele duizenden of miljoenen cycli, wat uiteindelijk leidt tot volledige breuk zonder waarschuwing.
Vermoeiing is de meest voorkomende faalfactor in roterende machineonderdelen, waaronder assen, tandwielen, lagers, bevestigingsmiddelen en structurele elementen. Het is bijzonder verraderlijk omdat vermoeiingsbreuken plotseling optreden, bij spanningsniveaus die veilig zouden zijn onder statische belasting, en vaak zonder zichtbare waarschuwing vooraf. Inzicht in vermoeiing is essentieel voor veilig machineontwerp en -gebruik.
Het vermoeidheidsproces
Drie stadia van vermoeidheidsfalen
Fase 1: scheurinitiatie
- Locatie: Begint bij spanningsconcentraties (gaten, hoeken, oppervlaktedefecten)
- Mechanisme: Lokale plastische vervorming creëert microscopische scheuren (meestal < 0,1 mm)
- Duur: Kan 50-90% totale vermoeiingslevensduur zijn voor gladde oppervlakken
- Detectie: Extreem moeilijk, meestal niet detecteerbaar tijdens gebruik
Fase 2: Scheurvoortplanting
- Proces: De scheur groeit geleidelijk met elke spanningscyclus
- Tarief: Volgt de wet van Parijs: de snelheid is evenredig met de stressintensiteitsfactor
- Verschijning: Gladde, typisch halfcirkelvormige of elliptische scheurvoorkant
- Strandmarkeringen: Concentrische patronen die de groeistadia van de scheur laten zien (zichtbaar op het breukoppervlak)
- Duur: Kan 10-50% van de totale levensduur zijn
Fase 3: definitieve breuk
- De scheur groeit tot een kritische omvang, waarbij het resterende materiaal de belasting niet meer kan dragen
- Plotselinge, catastrofale breuk van de resterende dwarsdoorsnede
- Breukoppervlak ruw en onregelmatig (contrast met gladde vermoeidheidszone)
- Treedt meestal zonder waarschuwing op tijdens normale werking
Vermoeidheid in roterende machines
Schachtvermoeidheid
- Oorzaak: Buigspanningen van onevenwicht, verkeerde uitlijning, of dwarse lasten
- Stresscyclus: De draaiende as ondergaat bij elke omwenteling een volledige omkering
- Veelvoorkomende locaties: Sleutelgaten, diameterveranderingen, schouders, perspassingen
- Typisch leven: 10⁷ tot 10⁹ cycli (bedrijfsjaren)
- Detectie: Schachtscheur trillingskenmerken (2× component)
Lagervermoeidheid
- Mechanisme: Rolcontactvermoeidheid door Hertz-spanningen
- Resultaat: Afbrokkeling van lagerringen of wentelelementen
- L10 Leven: Statistische levensduur waarbij 10% lagers falen (ontwerpbasis)
- Detectie: Lagerfoutfrequenties in trillingsspectrum
Vermoeidheid van tandwielen
- Buigvermoeidheid: Scheuren beginnen bij de tandwortelfilet
- Contactvermoeidheid: Oppervlakteputcorrosie en afbrokkeling
- Cycli: Elke mesh-betrokkenheid is één cyclus
- Mislukking: Tandbreuk of oppervlakteverslechtering
Vermoeidheid van bevestigingsmiddelen
- Bouten die worden blootgesteld aan wisselende belastingen van trillingen
- Scheuren beginnen meestal bij de eerste schroefdraad in de moer
- Plotselinge boutstoring zonder zichtbare waarschuwing
- Kan leiden tot instorting of scheiding van apparatuur
Structurele vermoeidheid
- Frames, sokkels, lassen die onderhevig zijn aan cyclische belasting
- Trillingen creëren wisselende spanningen
- Scheuren bij lassen, hoeken, geometrische discontinuïteiten
- Progressief falen van ondersteunende structuren
Factoren die het vermoeidheidsleven beïnvloeden
Stressamplitude
- De vermoeiingslevensduur neemt exponentieel af met de spanningsamplitude
- Typische relatie: Leven ∝ 1/Stress⁶ tot 1/Stress¹⁰
- Kleine stressverminderingen verlengen het leven aanzienlijk
- Het minimaliseren van trillingen verlengt direct de vermoeiingslevensduur van componenten
Gemiddelde spanning
- Statische (gemiddelde) stress gecombineerd met wisselende stress beïnvloedt het leven
- Een hogere gemiddelde spanning vermindert de vermoeiingssterkte
- Voorgespannen of voorgespannen componenten zijn gevoeliger
Stressconcentraties
- Geometrische kenmerken (gaten, hoeken, groeven) concentreren de spanning
- De spanningsconcentratiefactor (Kt) vermenigvuldigt de nominale spanning
- Scheuren ontstaan bijna altijd bij spanningsconcentraties
- Ontwerp met royale radiussen, vermijd scherpe hoeken
Oppervlakteconditie
- Oppervlakteafwerking beïnvloedt vermoeiingssterkte (glad > ruw)
- Oppervlaktedefecten (kerven, krassen, corrosieputjes) veroorzaken scheuren
- Oppervlaktebehandelingen (kogelstralen, nitreren) verbeteren de vermoeiingsweerstand
Omgeving
- Corrosievermoeidheid: Corrosieve omgeving versnelt scheurgroei
- Temperatuur: Verhoogde temperaturen verminderen de vermoeiingssterkte
- Frequentie: Zeer hoge of zeer lage fietsfrequenties kunnen het leven beïnvloeden
Preventiestrategieën
Ontwerpfase
- Stressconcentraties elimineren of minimaliseren (gebruik royale filets)
- Ontwerp voor voldoende vermoeidheidsmarges (veiligheidsfactoren 2-4 typisch)
- Selecteer materialen met goede vermoeiingseigenschappen
- Eindige elementenanalyse om gebieden met hoge spanning te identificeren
- Vermijd indien mogelijk scherpe hoeken en gaten in gebieden met hoge spanning
Productie
- Verbeter de oppervlakteafwerking van kritische componenten
- Oppervlaktebehandelingen (kogelstralen, oppervlaktehardening)
- Juiste warmtebehandeling voor optimale vermoeiingssterkte
- Vermijd bewerkingsmarkeringen loodrecht op de spanningsrichting
Operatie
- Verminder trillingen: Goed evenwicht, nauwkeurige uitlijning minimaliseert wisselende spanningen
- Vermijd overbelasting: Werk binnen de ontwerpgrenzen
- Voorkom resonantie: Vermijd het werken op kritische snelheden
- Corrosiebestrijding: Beschermende coatings, corrosie-inhibitoren
Onderhoud
- Periodieke inspectie op scheuren (visueel, NDT-methoden)
- Controleer trillingen om vroegtijdig te waarschuwen voor scheuren
- Vervang componenten aan het einde van de berekende vermoeiingslevensduur
- Repareer oppervlakteschade zo snel mogelijk (dit kunnen plekken zijn waar scheuren zijn ontstaan)
Mechanische vermoeidheid is een fundamenteel faalmechanisme in roterende machines dat plotselinge, vaak catastrofale storingen veroorzaakt door opgebouwde cyclische schade. Inzicht in vermoeiingsmechanismen, ontwerpen om wisselende spanningen te minimaliseren en lage trillingsniveaus te handhaven door middel van een goede balans en uitlijning zijn essentieel om vermoeiingsstoringen te voorkomen en een lange, betrouwbare levensduur van machinecomponenten te garanderen.
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 