Hiểu về sự mệt mỏi cơ học
Định nghĩa: Mệt mỏi cơ học là gì?
Mệt mỏi cơ học (còn gọi là mỏi vật liệu hoặc đơn giản là mỏi) là hư hỏng cấu trúc cục bộ, tiến triển xảy ra khi vật liệu chịu các chu kỳ ứng suất hoặc biến dạng lặp đi lặp lại, ngay cả khi ứng suất tối đa trong mỗi chu kỳ thấp hơn nhiều so với giới hạn bền kéo hoặc giới hạn chảy cực đại của vật liệu. Mệt mỏi khiến các vết nứt cực nhỏ bắt đầu và phát triển qua hàng nghìn hoặc hàng triệu chu kỳ, cuối cùng dẫn đến gãy vỡ hoàn toàn mà không có dấu hiệu báo trước.
Mệt mỏi là dạng hư hỏng phổ biến nhất trong các bộ phận máy móc quay, bao gồm trục, bánh răng, ổ trục, chốt và các bộ phận kết cấu. Nó đặc biệt nguy hiểm vì hư hỏng do mỏi xảy ra đột ngột, ở mức ứng suất an toàn dưới tải trọng tĩnh, và thường không có dấu hiệu báo trước rõ ràng. Hiểu biết về mỏi là điều cần thiết để thiết kế và vận hành máy móc an toàn.
Quá trình mệt mỏi
Ba giai đoạn của sự cố mệt mỏi
Giai đoạn 1: Khởi tạo vết nứt
- Vị trí: Bắt đầu tại các điểm tập trung ứng suất (lỗ, góc, khuyết tật bề mặt)
- Cơ chế: Biến dạng dẻo cục bộ tạo ra vết nứt vi mô (thường < 0,1 mm)
- Khoảng thời gian: Có thể đạt tổng tuổi thọ mỏi 50-90% cho bề mặt nhẵn
- Phát hiện: Cực kỳ khó khăn, thường không thể phát hiện được trong quá trình sử dụng
Giai đoạn 2: Sự lan truyền vết nứt
- Quá trình: Vết nứt phát triển tăng dần theo mỗi chu kỳ ứng suất
- Tỷ lệ: Tuân theo Luật Paris—tỷ lệ thuận với hệ số cường độ ứng suất
- Vẻ bề ngoài: Mặt trước vết nứt nhẵn, thường có hình bán nguyệt hoặc hình elip
- Dấu hiệu bãi biển: Các mẫu đồng tâm cho thấy các giai đoạn phát triển vết nứt (có thể nhìn thấy trên bề mặt vết nứt)
- Khoảng thời gian: Có thể là 10-50% tổng thời gian sử dụng
Giai đoạn 3: Gãy xương cuối cùng
- Vết nứt phát triển đến kích thước tới hạn khiến vật liệu còn lại không thể chịu được tải trọng
- Sự gãy đột ngột, thảm khốc của phần cắt ngang còn lại
- Bề mặt gãy gồ ghề và không đều (tương phản với vùng mỏi trơn tru)
- Thường xảy ra mà không có cảnh báo trong quá trình hoạt động bình thường
Mệt mỏi trong máy móc quay
mỏi trục
- Gây ra: Ứng suất uốn từ mất cân bằng, sự không thẳng hàng, hoặc tải trọng ngang
- Chu kỳ căng thẳng: Trục quay trải qua sự đảo ngược hoàn toàn sau mỗi vòng quay
- Địa điểm phổ biến: Rãnh then, thay đổi đường kính, vai, khớp ép
- Cuộc sống điển hình: 10⁷ đến 10⁹ chu kỳ (năm hoạt động)
- Phát hiện: Nứt trục chữ ký rung động (thành phần 2×)
mỏi ổ trục
- Cơ chế: Mỏi tiếp xúc lăn do ứng suất Hertzian
- Kết quả: bong tróc của các vòng bi hoặc các bộ phận lăn
- L10 Cuộc sống: Tuổi thọ thống kê khi 10% vòng bi bị hỏng (cơ sở thiết kế)
- Phát hiện: Tần số lỗi ổ trục trong phổ rung động
Mỏi răng bánh răng
- Mệt mỏi khi uốn cong: Các vết nứt bắt đầu ở chân răng
- Mệt mỏi khi tiếp xúc: Rỗ và bong tróc bề mặt
- Chu kỳ: Mỗi lần tương tác lưới là một chu kỳ
- Sự thất bại: Răng bị gãy hoặc bề mặt bị hư hỏng
Mệt mỏi của ốc vít
- Bu lông chịu tải trọng xen kẽ từ rung động
- Các vết nứt thường bắt đầu ở ren đầu tiên trong đai ốc
- Bu lông đột nhiên hỏng mà không có dấu hiệu cảnh báo rõ ràng
- Có thể dẫn đến thiết bị bị sập hoặc tách rời
Mệt mỏi cấu trúc
- Khung, bệ, mối hàn chịu tải trọng tuần hoàn
- Rung động tạo ra ứng suất xen kẽ
- Các vết nứt ở mối hàn, góc, sự không liên tục về hình học
- Sự hư hỏng dần dần của các cấu trúc hỗ trợ
Các yếu tố ảnh hưởng đến cuộc sống mệt mỏi
Biên độ ứng suất
- Tuổi thọ mỏi giảm theo cấp số nhân với biên độ ứng suất
- Mối quan hệ điển hình: Cuộc sống ∝ 1/Căng thẳng⁶ đến 1/Căng thẳng¹⁰
- Giảm căng thẳng nhỏ có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ
- Giảm thiểu rung động trực tiếp kéo dài tuổi thọ của linh kiện
Căng thẳng trung bình
- Ứng suất tĩnh (trung bình) kết hợp với ứng suất xen kẽ ảnh hưởng đến sự sống
- Ứng suất trung bình cao hơn làm giảm độ bền mỏi
- Các thành phần được tải trước hoặc ứng suất trước dễ bị tổn thương hơn
Nồng độ ứng suất
- Các đặc điểm hình học (lỗ, góc, rãnh) tập trung ứng suất
- Hệ số tập trung ứng suất (Kt) nhân với ứng suất danh nghĩa
- Các vết nứt hầu như luôn bắt đầu ở nơi tập trung ứng suất
- Thiết kế với bán kính rộng rãi, tránh các góc nhọn
Tình trạng bề mặt
- Bề mặt hoàn thiện ảnh hưởng đến độ bền mỏi (mịn > nhám)
- Các khuyết tật bề mặt (vết khía, vết xước, vết ăn mòn) gây ra các vết nứt
- Xử lý bề mặt (bắn bi, thấm nitơ) cải thiện khả năng chống mỏi
Môi trường
- Mệt mỏi do ăn mòn: Môi trường ăn mòn làm tăng tốc độ phát triển vết nứt
- Nhiệt độ: Nhiệt độ cao làm giảm độ bền mỏi
- Tính thường xuyên: Tỷ lệ đạp xe rất cao hoặc rất thấp có thể ảnh hưởng đến cuộc sống
Chiến lược phòng ngừa
Giai đoạn thiết kế
- Loại bỏ hoặc giảm thiểu sự tập trung căng thẳng (sử dụng phi lê lớn)
- Thiết kế để có biên độ mỏi thích hợp (hệ số an toàn điển hình là 2-4)
- Chọn vật liệu có tính chịu mỏi tốt
- Phân tích phần tử hữu hạn để xác định các khu vực có ứng suất cao
- Tránh các góc nhọn, lỗ ở những vùng chịu ứng suất cao khi có thể
Chế tạo
- Cải thiện bề mặt hoàn thiện trên các thành phần quan trọng
- Xử lý bề mặt (bắn bi, làm cứng bề mặt)
- Xử lý nhiệt thích hợp để có độ bền mỏi tối ưu
- Tránh các dấu gia công vuông góc với hướng ứng suất
Hoạt động
- Giảm rung động: Good THĂNG BẰNG, căn chỉnh chính xác giảm thiểu ứng suất xen kẽ
- Tránh quá tải: Hoạt động trong giới hạn thiết kế
- Ngăn chặn cộng hưởng: Tránh hoạt động ở tốc độ tới hạn
- Kiểm soát ăn mòn: Lớp phủ bảo vệ, chất ức chế ăn mòn
BẢO TRÌ
- Kiểm tra định kỳ các vết nứt (phương pháp trực quan, NDT)
- Theo dõi độ rung để cảnh báo sớm các vết nứt đang phát triển
- Thay thế các thành phần khi kết thúc tuổi thọ mỏi được tính toán
- Sửa chữa hư hỏng bề mặt kịp thời (có thể là vị trí bắt đầu nứt)
Mỏi cơ học là một dạng hỏng hóc cơ bản trong máy móc quay, gây ra các hỏng hóc đột ngột, thường là nghiêm trọng do hư hỏng tuần hoàn tích tụ. Hiểu rõ cơ chế mỏi, thiết kế để giảm thiểu ứng suất xen kẽ và duy trì mức rung động thấp thông qua cân bằng và căn chỉnh hợp lý là điều cần thiết để ngăn ngừa hỏng hóc mỏi và đảm bảo tuổi thọ lâu dài, đáng tin cậy của các bộ phận máy móc.
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 