Pochopenie mechanickej únavy
Definícia: Čo je mechanická únava?
Mechanická únava (tiež nazývaná únava materiálu alebo jednoducho únava materiálu) je progresívne, lokalizované štrukturálne poškodenie, ku ktorému dochádza, keď je materiál vystavený opakovaným cyklom napätia alebo deformácie, a to aj vtedy, keď maximálne napätie v každom cykle je výrazne nižšie ako medza pevnosti v ťahu alebo medza klzu materiálu. Únava materiálu spôsobuje vznik a rast mikroskopických trhlín počas mnohých tisícov alebo miliónov cyklov, čo nakoniec vedie k úplnému lomu bez varovania.
Únava materiálu je najčastejším spôsobom poruchy rotujúcich strojových komponentov vrátane hriadeľov, ozubených kolies, ložísk, spojovacích prvkov a konštrukčných prvkov. Je obzvlášť zákerná, pretože k únavovým poruchám dochádza náhle, pri úrovniach napätia, ktoré by boli pri statickom zaťažení bezpečné, a často bez viditeľného predchádzajúceho varovania. Pochopenie únavy materiálu je nevyhnutné pre bezpečnú konštrukciu a prevádzku strojov.
Proces únavy
Tri fázy únavového zlyhania
Fáza 1: Iniciácia trhliny
- miesto: Začína sa pri koncentráciách napätia (diery, rohy, povrchové defekty)
- Mechanizmus: Lokalizovaná plastická deformácia vytvára mikroskopické trhliny (zvyčajne < 0,1 mm)
- Trvanie: Celková únavová životnosť môže byť 50-90% pre hladké povrchy
- Detekcia: Extrémne ťažké, zvyčajne nezistiteľné v prevádzke
Fáza 2: Šírenie trhliny
- Proces: Trhlina sa postupne zväčšuje s každým cyklom napätia
- Sadzba: Riadi sa Parížskym zákonom – miera úmerná faktoru intenzity napätia
- Vzhľad: Hladké, typicky polkruhové alebo eliptické čelo trhliny
- Plážové značky: Sústredné vzory znázorňujúce štádiá rastu trhliny (viditeľné na povrchu lomu)
- Trvanie: Celková životnosť môže byť 10-50%
3. štádium: Konečná zlomenina
- Trhlina narastie do kritickej veľkosti, kde zostávajúci materiál už nedokáže uniesť zaťaženie
- Náhle, katastrofické zlomeniny zostávajúceho prierezu
- Drsný a nerovný lomový povrch (na rozdiel od hladkej únavovej zóny)
- Zvyčajne sa vyskytuje bez varovania počas bežnej prevádzky
Únava v rotujúcich strojoch
Únava hriadeľa
- Príčina: Ohybové napätia od nevyváženosť, nesprávne zarovnanie, alebo priečne zaťaženia
- Cyklus stresu: Rotujúci hriadeľ sa pri každej otáčke úplne obráti
- Bežné lokality: Drážky na pero, zmeny priemeru, ramená, lisované uloženie
- Typický život: 10⁷ až 10⁹ cyklov (roky prevádzky)
- Detekcia: Prasklina v hriadeli vibračné podpisy (2× zložka)
Únava ložiska
- Mechanizmus: Únava pri valivom kontakte z Hertzových napätí
- Výsledok: Odlupovanie ložiskové krúžky alebo valivé telesá
- Životnosť L10: Štatistická životnosť ložísk 10%, pri ktorej dôjde k zlyhaniu (konštrukčný základ)
- Detekcia: Frekvencie porúch ložísk vo vibračnom spektre
Únava zubov ozubeného kolesa
- Únava z ohybu: Trhliny začínajú v oblasti zaoblenia koreňa zuba
- Únava kontaktov: Povrchové jamkovanie a odlupovanie
- Cykly: Každé zapojenie siete je jeden cyklus
- Zlyhanie: Zlomenie zuba alebo poškodenie povrchu
Únava spojovacích prvkov
- Skrutky vystavené striedavému zaťaženiu od vibrácie
- Trhliny sa zvyčajne začínajú tvoriť pri prvom závitu matice
- Náhle zlyhanie skrutky bez viditeľného varovania
- Môže viesť k zrúteniu alebo oddeleniu zariadenia
Štrukturálna únava
- Rámy, podstavce, zvary vystavené cyklickému zaťaženiu
- Vibrácie vytvárajú striedavé napätia
- Trhliny vo zvaroch, rohoch, geometrické diskontinuity
- Postupné zlyhanie nosných konštrukcií
Faktory ovplyvňujúce únavový život
Amplitúda napätia
- Únavová životnosť exponenciálne klesá s amplitúdou napätia
- Typický vzťah: Život ∝ 1/Stres⁶ k 1/Stres¹⁰
- Malé zníženie stresu dramaticky predlžuje život
- Minimalizácia vibrácií priamo predlžuje únavovú životnosť komponentov
Priemerný stres
- Statický (priemerný) stres v kombinácii so striedavým stresom ovplyvňuje život
- Vyššie stredné napätie znižuje únavovú pevnosť
- Predpäté alebo predpäté komponenty sú náchylnejšie
Koncentrácie stresu
- Geometrické prvky (otvory, rohy, drážky) sústreďujú napätie
- Faktor koncentrácie napätia (Kt) vynásobí nominálne napätie
- Trhliny takmer vždy vznikajú pri koncentráciách napätia
- Dizajn s veľkorysými polomermi, vyhnite sa ostrým rohom
Stav povrchu
- Povrchová úprava ovplyvňuje únavovú pevnosť (hladká > drsná)
- Povrchové chyby (ryhy, škrabance, korózne jamky) spôsobujú praskliny
- Povrchové úpravy (brokovanie, nitridácia) zlepšujú odolnosť proti únave
Životné prostredie
- Únava z korózie: Korozívne prostredie urýchľuje rast trhlín
- teplota: Zvýšené teploty znižujú únavovú pevnosť
- Frekvencia: Veľmi vysoká alebo veľmi nízka miera cyklistiky môže ovplyvniť život
Preventívne stratégie
Fáza návrhu
- Eliminujte alebo minimalizujte koncentrácie napätia (použite veľkorysé zaoblenia)
- Návrh s dostatočnými rezervami únavy materiálu (typické bezpečnostné faktory 2 – 4)
- Vyberte materiály s dobrými únavovými vlastnosťami
- Analýza metódou konečných prvkov na identifikáciu oblastí s vysokým napätím
- Ak je to možné, vyhýbajte sa ostrým rohom a otvorom vo vysoko namáhaných oblastiach
Výroba
- Zlepšenie povrchovej úpravy kritických komponentov
- Povrchové úpravy (brokovanie, cementovanie)
- Správne tepelné spracovanie pre optimálnu únavovú pevnosť
- Zabráňte stopám po obrábaní kolmým na smer napätia
Prevádzka
- Znížte vibrácie: Dobrý zostatok, presné zarovnanie minimalizuje striedavé namáhanie
- Vyhnite sa preťaženiu: Prevádzka v rámci konštrukčných limitov
- Zabráňte rezonancii: Vyhnite sa prevádzke pri kritické rýchlosti
- Kontrola korózie: Ochranné nátery, inhibítory korózie
Údržba
- Pravidelná kontrola trhlín (vizuálna, metódy NDT)
- Monitorujte vibrácie pre včasné varovanie pred vznikajúcimi trhlinami
- Vymeňte komponenty na konci vypočítanej únavovej životnosti
- Okamžite opravte poškodenie povrchu (môžu to byť miesta vzniku trhlín)
Mechanická únava je základným spôsobom poruchy rotačných strojov, ktorý spôsobuje náhle, často katastrofické poruchy z nahromadeného cyklického poškodenia. Pochopenie mechanizmov únavy, navrhovanie s cieľom minimalizovať striedavé namáhanie a udržiavanie nízkej úrovne vibrácií prostredníctvom správneho vyváženia a zarovnania sú nevyhnutné na prevenciu únavových porúch a zabezpečenie dlhej a spoľahlivej životnosti strojových komponentov.
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 