Înțelegerea oboselii mecanice
Definiție: Ce este oboseala mecanică?
Oboseală mecanică Oboseala (numită și oboseala materialului sau pur și simplu oboseală) este deteriorarea structurală progresivă, localizată, care apare atunci când un material este supus unor cicluri repetate de stres sau deformare, chiar și atunci când stresul maxim din fiecare ciclu este mult sub rezistența maximă la tracțiune sau limita de curgere a materialului. Oboseala provoacă inițierea și creșterea fisurilor microscopice pe parcursul a mii sau milioane de cicluri, ducând în cele din urmă la fracturarea completă fără avertisment.
Oboseala este cel mai frecvent mod de defecțiune în componentele mașinilor rotative, inclusiv arbori, angrenaje, rulmenți, elemente de fixare și elemente structurale. Este deosebit de insidioasă deoarece defecțiunile prin oboseală apar brusc, la niveluri de solicitare care ar fi sigure sub sarcină statică și adesea fără un avertisment prealabil vizibil. Înțelegerea oboselii este esențială pentru proiectarea și funcționarea în siguranță a mașinilor.
Procesul de oboseală
Trei etape ale defecțiunii la oboseală
Etapa 1: Inițierea fisurilor
- Locaţie: Se inițiază la concentrații de stres (găuri, colțuri, defecte de suprafață)
- Mecanism: Deformarea plastică localizată creează fisuri microscopice (de obicei < 0,1 mm)
- Durată: Poate avea o durată totală de viață la oboseală de 50-90% pentru suprafețe netede
- Detectare: Extrem de dificil, de obicei nedetectabil în timpul funcționării
Etapa 2: Propagarea fisurilor
- Proces: Fisura crește treptat cu fiecare ciclu de stres
- Rată: Respectă Legea lui Paris - rată proporțională cu factorul de intensitate a stresului
- Aspect: Frontul fisurii netede, de obicei semicirculare sau eliptice
- Marcaje de plajă: Modele concentrice care prezintă etapele de creștere a fisurilor (vizibile pe suprafața fracturii)
- Durată: Poate fi 10-50% din durata totală de viață
Etapa 3: Fractura finală
- Fisura crește până la o dimensiune critică la care materialul rămas nu mai poate susține sarcina
- Fractură bruscă și catastrofală a secțiunii transversale rămase
- Suprafața fracturii este rugoasă și neregulată (contrastează cu zona de oboseală netedă)
- De obicei, apare fără avertisment în timpul funcționării normale
Oboseala în mașinile rotative
Oboseala arborelui
- Cauza: Tensiuni de încovoiere de la dezechilibra, nealiniere, sau încărcări transversale
- Ciclul stresului: Arborele rotativ experimentează o inversare completă la fiecare rotație
- Locații comune: Caneluri, modificări de diametru, umeri, potriviri prin presare
- Viață tipică: 10⁷ până la 10⁹ cicluri (ani de funcționare)
- Detectare: Fisură la arbore semnături vibraționale (componentă 2×)
Oboseala la rulment
- Mecanism: Oboseala de contact prin rostogolire din cauza solicitărilor hertziene
- Rezultat: Exfoliere a rulmenților sau a elementelor de rostogolire
- Viața L10: Durata de viață statistică în cazul defectului a 10% de rulmenți (baza de proiectare)
- Detectare: Frecvențele defectelor lagărelor în spectrul vibrațiilor
Oboseala dinților angrenajului
- Oboseala la încovoiere: Fisurile se inițiază la nivelul filetului rădăcinii dintelui
- Oboseală de contact: Gropituri și exfolieri de suprafață
- Cicluri: Fiecare angrenare a plasei este un ciclu
- Eșec: Ruperea dinților sau deteriorarea suprafeței
Oboseala elementelor de fixare
- Șuruburi supuse unor sarcini alternative de la vibrații
- Fisurile încep de obicei la primul filet al piuliței
- Ruperea bruscă a șurubului fără avertisment vizibil
- Poate duce la prăbușirea sau separarea echipamentului
Oboseală structurală
- Cadre, piedestaluri, suduri supuse unor încărcări ciclice
- Vibrațiile creează solicitări alternative
- Fisuri la suduri, colțuri, discontinuități geometrice
- Ruperea progresivă a structurilor de susținere
Factorii care influențează durata de viață la oboseală
Amplitudinea stresului
- Durata de viață la oboseală scade exponențial odată cu amplitudinea solicitării
- Relație tipică: Viața ∝ 1/Stres⁶ către 1/Stres¹⁰
- Micile reduceri ale stresului prelungesc dramatic viața
- Minimizarea vibrațiilor prelungește direct durata de viață la oboseală a componentelor
Stres mediu
- Stresul static (mediu) combinat cu stresul alternativ afectează viața
- Tensiunea medie mai mare reduce rezistența la oboseală
- Componentele preîncărcate sau pretensionate sunt mai susceptibile
Concentrațiile de stres
- Caracteristicile geometrice (găuri, colțuri, caneluri) concentrează stresul
- Factorul de concentrare a stresului (Kt) înmulțește tensiunea nominală
- Fisurile se inițiază aproape întotdeauna la concentrații de stres
- Proiectați cu raze generoase, evitați colțurile ascuțite
Starea suprafeței
- Finisajul suprafeței afectează rezistența la oboseală (neted > rugos)
- Defectele de suprafață (crestături, zgârieturi, gropi de coroziune) inițiază fisuri
- Tratamentele de suprafață (granare cu alice, nitrurare) îmbunătățesc rezistența la oboseală
Mediu
- Oboseală prin coroziune: Mediul coroziv accelerează creșterea fisurilor
- Temperatură: Temperaturile ridicate reduc rezistența la oboseală
- Frecvenţă: Ratele de ciclism foarte mari sau foarte mici pot afecta viața
Strategii de prevenire
Faza de proiectare
- Eliminați sau minimizați concentrările de stres (utilizați fileuri generoase)
- Proiectare pentru marje de oboseală adecvate (factori de siguranță 2-4 tipici)
- Selectați materiale cu proprietăți bune de oboseală
- Analiza cu elemente finite pentru identificarea zonelor cu solicitări ridicate
- Evitați colțurile ascuțite și găurile în zonele cu solicitări mari, pe cât posibil
Fabricarea
- Îmbunătățirea finisajului de suprafață al componentelor critice
- Tratamente de suprafață (golfire, cementare)
- Tratament termic adecvat pentru o rezistență optimă la oboseală
- Evitați urmele de prelucrare perpendiculare pe direcția solicitării
Operațiune
- Reducerea vibrațiilor: Bun echilibru, alinierea precisă minimizează tensiunile alternante
- Evitați supraîncărcarea: Funcționează în limitele de proiectare
- Prevenirea rezonanței: Evitați să operați la viteze critice
- Controlul coroziunii: Acoperiri de protecție, inhibitori de coroziune
Întreţinere
- Inspecție periodică pentru fisuri (vizuală, metode NDT)
- Monitorizați vibrațiile pentru avertizarea timpurie a apariției fisurilor
- Înlocuiți componentele la sfârșitul duratei de viață calculate la oboseală
- Reparați prompt deteriorarea suprafeței (pot fi locuri de inițiere a fisurilor)
Oboseala mecanică este un mod fundamental de defecțiune în mașinile rotative, care provoacă defecțiuni bruște, adesea catastrofale, cauzate de daunele ciclice acumulate. Înțelegerea mecanismelor de oboseală, proiectarea pentru a minimiza solicitările alternante și menținerea unor niveluri scăzute de vibrații printr-o echilibrare și o aliniere adecvate sunt esențiale pentru prevenirea defecțiunilor cauzate de oboseală și asigurarea unei durate de viață lungi și fiabile a componentelor mașinilor.
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 