Самыми распространёнными поломками, с которыми мы сталкиваемся в металлургии, являются разрушения валов. Отказы валов и шипов (часть вала, на которую насаживается подшипник) часто встречаются в целлюлозо-бумажной и других отраслях промышленности. Мы считаем, что было бы полезно предложить нашим читателям обзор некоторых из наиболее частых причин отказов валов, которых можно избежать, производя выбор соответствующих эксплуатационных режимов.
Иногда усталость не является механизмом разрушения, и вал разрушается в результате другой причины, как простая перегрузка, что является скорее исключением, чем правилом. Отказы вследствие перегрузок есть результат неожиданно высоких величин напряжений, возникающих при отказе другой детали или каком-то неправильном эксплуатационном режиме.
Механизм усталости требует одновременного присутствия трех условий: 1) должны быть циклические напряжения на детали; 2) напряжения растяжения; 3) должно быть пластическое течение материала. Процесс усталости, по-видимому, состоит из трех стадий: 1) первичные усталостные повреждения (влекущие пластическое течение металла), которые инициируют развитие трещины; 2) трещина распространяется, пока остающаяся часть вала (или другой детали) не становится слишком слабой, чтобы выдерживать приложенные нагрузки; 3) окончательное внезапное разрушение (перегрузка напряжения) оставшейся части вала.
Усталостные разрушения коварны, потому что напряжения, ответственные за первичное зарождение и распространение трещин, вообще намного ниже, чем номинальные допускаемые напряжения материала; усталостные разрушения часто происходят при нормальных эксплуатационных режимах, поэтому это большая неожиданность для операторов, обслуживающего персонала и инженеров.
Хотя усталостные разрушения валов часто имеют подобное развитие и окончательные механизмы разрушения, первопричина каждого отказа (то есть условия, ответственные за зарождение усталостной трещины) могут заметно отличаться от отказа к отказу.
Усталостные разрушения валов почти всегда зарождаются на поверхности, в основном в точках концентрации напряжений, которые в местном масштабе увеличивают напряжения или уменьшают предел выносливости. Факторы, способствующие концентрации напряжений - маленькие канавки, острые углы, углубления. (Если бы не концентрации напряжений, присутствующие в элементах деталей или неосторожно вызванные в течение изготовления, много металлургических консультантов не имели бы работы)! Технологические операции, такие как ковка, механическая обработка, металлизация, и термообработка могут провоцировать появление внутренних дефектов, провоцирующие поломки; эти внутренние дефекты включают вкрапления водорода, шлифовальные дефекты, трещины при закалке, слои/швы, и дефекты сварки. Другой очень важный фактор в зарождении усталости связан с повреждениями при эксплуатации, вызванными коррозией и изнашиванием.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Как известно, все производственные процессы оставляют остаточные напряжения в заготовках, которые влияют на их сопротивление усталости и допускаемые нагрузки и даже сопротивление коррозии. Существует немного методов обработки металлов, не вызывающих новые напряжения. Поэтому учитывание остаточных напряжений очень важно при проектировании механических частей. За последние несколько лет увеличилось число исследований, имеющих цель понять эффекты остаточных напряжений на механической работе. Эта статья пытается представлять глобальный подход к учёту остаточных напряжений в ожидаемых расчётах усталостной долговечности, и возможности введения этого в проектно- конструкторские бюро. Вначале мы представим определение и происхождение остаточных напряжений согласно методам производства. Мы тогда покажем выгодные и вредные эффекты остаточных напряжений на сопротивлении конструкций или промышленных образцов в зависимости от того, являются ли они растягивающими или сжимающими. Методы, используемые для учёта остаточных напряжений в расчётах усталостной долговечности, будут также проанализированы. Наконец мы покажем проблемы, вовлеченные в правильное приспосабливание этих методов моделирования для использования в конструкторских бюро и производственных последствиях принятия во внимание остаточного напряжения на процедурах контроля проверки качества.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Остаточное напряжение обычно определяется как напряжение, которое остается в механических заготовках, которые не подвергнуты никаким внешним напряжениям. Остаточное напряжение существует в фактически всех твердых заготовок, металлических или неметаллических (древесина, полимер, стекло, керамика, и т.д). Это результат производственного этапа и этапа обработки каждого элемента и его частей в течение ее изготовления. Это существует на различных уровнях, вообще разделяемых на три, в зависимости от масштаба, относительно которого напряжение соблюдено:
Напряжения третьего уровня, в масштабе кристаллической решётки. На этом уровне, достигается внешний предел понятия напряжения. Это соответствует действиям, созданным различными типами дефектов кристаллической решётки: вакансиями, промежуточные составы, замещающие атомы, дислокациями, накопленными дефектами, двойными кристаллами и соединениями зёрен.
Напряжения второго уровня, вследствие разнородности и анизотропии каждого кристалла или зерна в поликристаллическом материале. В присутствии механических напряжений (например, равномерной нагрузке гладкого испытательного экземпляра), некоторое зерно, ориентируемое в правильном направлении достигнет точек предела перед другими, который приводит к гетерогенному поведению, когда нагрузка снимается. Упругость поэтому разовьется по-другому более или менее свободно согласно зерну, таким образом, производя ненулевые напряжения (2-й уровень остаточных напряжений). Однако, среднее число этих напряжений, то есть общий результат по оси приложения нагрузки, будет нулевое в конце испытания (1-ый уровень остаточных напряжений). Этот тип напряжения может быть измерен дифракцией Рентгена.
* 1-ый уровень или макроскопическое остаточное напряжение, затрагивая большое число зёрен или всю механическую часть. Это может быть измерено, используя приборы, например, которые обнаруживают произведенную деформацию, или Рентген.
Эти три типа остаточных напряжений происходят один за другим. Именно первый уровень или макроскопическиие остаточные напряжения представляют интерес для инженеров и конструкторских бюро. Однако, второй уровень, остаточных напряжений также очень важен, так как это показатель увеличения напряжений и разрушения материала .
Коротко о напряжениях на двигателях. Большинство поломок двигателей вызвано комбинацией различных напряжений, которые действуют на подшипники, статор, ротор и вал. Если эти напряжения остаются в пределах проектной способности системы, преждевременный отказ не должен произойти. Однако, если любая комбинация напряжений превышает проектные значения, ресурс системы может быть значительно уменьшен и может произойти аварийный отказ.
Эти напряжения классифицируются следующим образом:
Напряжения на подшипниках:
Тепловые, динамические и статические нагрузки, вибрация и удары, от внешней среды, механические, электрические;
Напряжения на статоре:
Тепловые, электрические, механические, от внешней среды;
Напряжения на роторе:
Тепловые, динамические, механические, от внешней среды, магнитные, остаточные и их совокупности;
Напряжения в валах:
Динамические, механические, от внешней среды тепловые, остаточные и электромагнитные;
"Поверхностное изучение - опасная вещь. " Так сказал английский поэт Александр Поуп в 1711; все мы вероятно слышали это. Хотя не всегда "опасное, " неполное знание может конечно вводить в заблуждение. Как пример, рассмотрим, что иногда говорится о важности надлежащего радиуса или ряда в точке в валах механизмов, где диаметр резко изменяется (как в плече шарикоподшипника).
Вот несколько таких комментариев из литературы по практике ремонта двигателей:
"Острый внутренний угол концентрирует напряжения, сокращая значение возможной нагрузки на 40%.. .. "
"Вал с переходами под прямыми углами воспринимает 60 % нагрузки, вала меньшего диаметра. "
Хотя оба утверждения пытаются выражать основную правду, ни один из них не правилен. Степень, с которой напряжения концентрируются в переходах вала не простой процент, а очень переменное число, зависящее от четырёх различных условий:
- Больший диаметр, смежный с шагом;
- Меньший диаметр в этой точке;
- Непосредственно её радиус;
- Изгибается ли вал, подвергается кручению или обоим воздействиям.
Вообще, чем меньше радиус, и больше разница между этими двумя диаметрами, тем больше фактор концентрации напряжения. Этот коэффициент - число, на которое должно быть умножено расчетное напряжение в меньшем из этих двух диаметров, чтобы достичь фактического действительного напряжения. Ничего нового. Вовлеченные принципы объяснялись в технических трудах 80 лет назад
Диапазон коэффициент концентрации напряжений, применимого к различным комбинациям размеров вала, для любого изгиба (как в ременном приводе) или только кручения (как в прямой передаче). Чтобы получить эти значения в перспективе, необходимо помнить, что усталостные напряжения в валу обратно пропорциональны наряжению. Таким образом, если нагрузка уменьшена до 60 % ее теоретического значения, напряжение составит 1/0.6 или 1.66 этого значения. Коэффициент концентрации напряжения - 1.66. Как видно из рисунка 1, что для любого типа нагрузки, фактический коэффициент может быть намного выше или намного ниже этого числа, в зависимости от размеров вала. "Прямой угол" означал бы нулевой радиус. Хотя практически невозможно, чтобы очевидное значение коэффициента концентрации напряжений стало намного выше чем 1.66.
Напряжения могут значительно увеличиваться из-за перемены диаметра вала даже при немалом радиусе перехода. Например, представим, что трехдюймовый диаметр понижен к 2.5", с 1/4" радиусом скругления. Отношение D/d - 1.20. От отношения r/d как 0.25/2.5, или 0.10, коэффициент концентрации напряжения - 1.4 при кручении и 1.7 при изгибе (отношение 1.25 для изгиба против кручения довольно типично). Только при кручении, сила усталости вала таким образом уменьшена до 1/1.4, или меньше чем три четверти, чем это было бы без любой концентрации напряжения. Если переход диаметров происходит под подшипник, радиус не может превысить величину размера подшипника. Иначе подшипник не может поместиться должным образом. Популярны два решения. Первое - подрезать больший. Это - не очень хороший способ, потому что, хотя отношения D/d малы, углы по существу прямые. Коэффициенты концентрации напряжений будут высоки без необходимости.
Большинство валов двигателей разрабатываются с большими запасами прочности. Опытные конструкторы развили хорошее чувство для соответствующих измерений шагов механической обработки. Однако, лучшее понимание того, как напряжения распределены в ступенчатых валах, может помочь избегать неприятности, когда компоненты применены вне их первоначальных условий проекта.