Що таке механічна втома? Руйнування внаслідок циклічного напруження • Портативний балансувальник, аналізатор вібрацій "Balanset" для динамічного балансування дробарок, вентиляторів, мульчерів, шнеків комбайнів, валів, центрифуг, турбін та багатьох інших роторів Що таке механічна втома? Руйнування внаслідок циклічного напруження • Портативний балансувальник, аналізатор вібрацій "Balanset" для динамічного балансування дробарок, вентиляторів, мульчерів, шнеків комбайнів, валів, центрифуг, турбін та багатьох інших роторів

Що таке механічна втома? Руйнування від циклічних напружень

Опубліковано admin на

Розуміння механічної втоми

Визначення: Що таке механічна втома?

Механічна втома (також називається втомою матеріалу або просто втомою) – це прогресуюче, локалізоване структурне пошкодження, яке виникає, коли матеріал піддається повторюваним циклам напруження або деформації, навіть коли максимальне напруження в кожному циклі значно нижче граничної міцності на розтяг або межі текучості матеріалу. Втома призводить до виникнення та зростання мікроскопічних тріщин протягом багатьох тисяч або мільйонів циклів, що зрештою призводить до повного руйнування без попередження.

Втома є найпоширенішим видом руйнування обертових компонентів машин, включаючи вали, шестерні, підшипники, кріплення та конструктивні елементи. Це особливо підступно, оскільки втома виникає раптово, при рівнях напруження, які були б безпечними при статичному навантаженні, і часто без видимого попереднього попередження. Розуміння втоми є важливим для безпечного проектування та експлуатації машин.

Процес втоми

Три стадії втомного руйнування

Етап 1: Зародження тріщини

  • Розташування: Починається в місцях концентрації напружень (отвори, кути, дефекти поверхні)
  • Механізм: Локалізована пластична деформація створює мікроскопічні тріщини (зазвичай < 0,1 мм)
  • Тривалість: Може становити 50-90% загальної втомної довговічності для гладких поверхонь
  • Виявлення: Надзвичайно складно, зазвичай не виявляється під час експлуатації

Етап 2: Поширення тріщини

  • Процес: Тріщина поступово зростає з кожним циклом напруження
  • Оцінка: Відповідає закону Паріса — швидкість пропорційна коефіцієнту інтенсивності напруження
  • Зовнішній вигляд: Гладкий, зазвичай напівкруглий або еліптичний фронт тріщини
  • Пляжні позначки: Концентричні візерунки, що показують стадії росту тріщини (видно на поверхні зламу)
  • Тривалість: Може бути 10-50% загального терміну служби

Стадія 3: Остаточний перелом

  • Тріщина розростається до критичного розміру, коли матеріал, що залишився, не може витримати навантаження
  • Раптовий, катастрофічний руйнування залишкового поперечного перерізу
  • Поверхня зламу шорстка та нерівна (на відміну від гладкої зони втоми)
  • Зазвичай відбувається без попередження під час нормальної роботи

Втома в обертових машинах

Втома вала

  • Причина: Згинальні напруження від дисбаланс, невідповідність, або поперечні навантаження
  • Цикл стресу: Обертовий вал зазнає повного розвороту при кожному оберті
  • Поширені місця: Шпонкові пази, зміна діаметра, бурти, пресові посадки
  • Типовий термін служби: 10⁷–10⁹ циклів (років експлуатації)
  • Виявлення: Тріщина вала вібраційні сигнатури (2× компонент)

Втома підшипників

  • Механізм: Втома кочення від напружень Герца
  • Результат: Спеллінг підшипникових кілець або тіл кочення
  • L10 Життя: Статистичний термін служби підшипників 10%, при якому вони виходять з ладу (проектна основа)
  • Виявлення: Частоти несправностей підшипників у спектрі коливань

Втома зубів шестерні

  • Втома від згинання: Тріщини починаються біля виїмки кореня зуба
  • Контактна втома: Поверхневе виразкування та відшарування
  • Цикли: Кожне зачеплення сітки – це один цикл
  • Невдача: Пошкодження або пошкодження поверхні зуба

Втома кріплення

  • Болти, що піддаються змінним навантаженням від вібрація
  • Тріщини зазвичай починаються на першому різьбі гайки
  • Раптове відхилення болта без видимого попередження
  • Може призвести до руйнування або відокремлення обладнання

Структурна втома

  • Рами, постаменти, зварні шви, що піддаються циклічному навантаженню
  • Вібрація створює змінні напруження
  • Тріщини у зварних швах, кутах, геометричні розриви
  • Прогресивне руйнування опорних конструкцій

Фактори, що впливають на тривалість життя від втоми

Амплітуда напруження

  • Втомна міцність зменшується експоненціально з амплітудою напруження
  • Типове співвідношення: Життя ∝ 1/Стрес⁶ до 1/Стрес¹⁰
  • Невелике зниження стресу значно подовжує життя
  • Мінімізація вібрації безпосередньо подовжує термін служби компонентів

Середнє напруження

  • Статичне (середнє) напруження в поєднанні зі змінним напруженням впливає на життя
  • Вища середня напруга знижує втомну міцність
  • Попередньо натягнуті або попередньо завантажені компоненти більш чутливі

Концентрації напружень

  • Геометричні елементи (отвори, кути, канавки) концентрують напруження
  • Коефіцієнт концентрації напружень (Kt) множить номінальне напруження
  • Тріщини майже завжди починаються при концентраціях напружень
  • Конструкція з великими радіусами, уникайте гострих кутів

Стан поверхні

  • Оздоблення поверхні впливає на втомну міцність (гладка > шорстка)
  • Поверхневі дефекти (зазубрини, подряпини, корозійні ямки) призводять до появи тріщин
  • Обробка поверхонь (дробоструминне зміцнення, азотування) покращує стійкість до втоми

Навколишнє середовище

  • Корозійна втома: Корозійне середовище прискорює ріст тріщин
  • температура: Підвищені температури знижують міцність на втому
  • Частота: Дуже висока або дуже низька частота їзди на велосипеді може вплинути на життя

Стратегії профілактики

Фаза проектування

  • Усунення або мінімізація концентрації напружень (використання щільних галтелів)
  • Розробка з урахуванням достатніх запасів на втому (коефіцієнти безпеки 2-4 типово)
  • Вибирайте матеріали з хорошими властивостями щодо втоми
  • Аналіз скінченних елементів для виявлення областей з високим рівнем напруження
  • Уникайте гострих кутів, отворів у зонах високого навантаження, коли це можливо

Виробництво

  • Покращення якості поверхні критично важливих компонентів
  • Обробка поверхонь (дробоструминне зміцнення, цементація)
  • Правильна термічна обробка для оптимальної міцності на втому
  • Уникайте слідів обробки, перпендикулярних напрямку напруження

Операція

  • Зменшення вібрації: Добре. баланс, точне вирівнювання мінімізує знакозмінні напруження
  • Уникайте перевантаження: Працюйте в межах проектних обмежень
  • Запобігання резонансу: Уникайте роботи на критичні швидкості
  • Контроль корозії: Захисні покриття, інгібітори корозії

Технічне обслуговування

  • Періодична перевірка на наявність тріщин (візуальна, методами неруйнівного контролю)
  • Контролюйте вібрацію для раннього попередження про появу тріщин
  • Замініть компоненти після закінчення розрахункового терміну служби
  • Негайно відремонтуйте пошкодження поверхні (можуть бути місцями зародження тріщин)

Механічна втома – це фундаментальний режим відмов у обертових машинах, який спричиняє раптові, часто катастрофічні відмови через накопичені циклічні пошкодження. Розуміння механізмів втоми, проектування з метою мінімізації змінних напружень та підтримка низького рівня вібрації за допомогою належного балансування та вирівнювання є важливими для запобігання втомі та забезпечення тривалого й надійного терміну служби компонентів машин.

← Назад до головного індексу

Категорії:
WhatsApp