Analiza Powstawania Pekniec Zmeczeniowych

7
166 * Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydzia³ In¿ynierii Mechanicznej i Robotyki; [email protected] MECHANICS Vol. 24 No. 3 2005 Andrzej CICHOCIÑSKI * , Bogus³aw £ADECKI * ANALIZA PRZYCZYN POWSTAWANIA PÊKNIÊÆ ZMÊCZENIOWYCH W KONSTRUKCJI BÊBNA PÊDNEGO MASZYNY WYCI¥GOWEJ STRESZCZENIE W chwili obecnej eksploatowana jest jeszcze pewna iloæ górniczych urz¹dzeñ wyci¹gowych z bêbnami pêdnymi, w których konstrukcji zastosowano sztywne po³¹czenie tarcz bocznych z przeponami w kszta³cie litery U. W bêbnach takich okresowo, po wykonaniu kolejnych napraw, wykrywane s¹ pêkniêcia o charakterze zmêczenio- wym. W celu wyjanienia przyczyn zaistnia³ej sytuacji, autorzy wykonali analizê wytrzyma³ociow¹ z wykorzysta- niem metody elementów skoñczonych (MES), której wyniki zosta³y zweryfikowane przez przeprowadzenie odpo- wiednich pomiarów tensometrycznych. Wykonane badania i analizy wykaza³y, ¿e bezporedni¹ przyczyn¹ powsta- wania pêkniêæ zmêczeniowych w bêbnach jest nadmierne przesztywnienie konstrukcji przeponami ³¹cz¹cymi tarcze boczne bêbna. Na tej podstawie opracowano wytyczne odnonie modernizacji bêbnów pêdnych omawianych urz¹- dzeñ wyci¹gowych. S³owa kluczowe: wytrzyma³oæ, zmêczenie, badania nieniszcz¹ce, MES, górnicze urz¹dzenie wyci¹gowe ANALYSIS OF THE CAUSES OF FATIGUE CRACKS IN THE CONSTRUCTION OF A MOTION WHEEL IN HOISTING MACHINE Still in use today there are some hoisting mining machines with motion wheels, the construction of which uses ri- gid U shaped diaphragms to connect side disks. In such wheels periodically, after servicing, fatigue cracks are being found. The authors performed strength analysis done by the finite elements method, and verified its results using appropriate tensammetric measurements. The measurements and analyses performed confirmed that direct cause of the fatigue cracks in the barrels is over-rigidity of the structure due to stiff diaphragms joining the wheel disks. Based on this, recommendations were issued regarding modernization of motion wheels in the discussed ho- isting machines. Keywords: strenght, fatigue, NDT testing, FEM, hoisting machine Rys. 1. Schemat bêbna pêdnego: 1 p³aszcz bêbna, 2 tarcza boczna, 3 piasta, 4 ¿ebro obwodowe, 5 przepona U 1. WSTÊP Eksploatuje siê jeszcze pewn¹ liczbê maszyn wyci¹gowych z bêbnami pêdnymi, których konstrukcja charakteryzuje siê przeponami w kszta³cie litery U ³¹cz¹cymi ich tarcze boczne (rys. 1). W trakcie ich eksploatacji stwierdza siê w tych bêb- nach liczne pêkniêcia o charakterze zmêczeniowym.

description

Fatigue cracks analysis

Transcript of Analiza Powstawania Pekniec Zmeczeniowych

Page 1: Analiza Powstawania Pekniec Zmeczeniowych

166

��������� ��������������������������� !�"�"� #�$�#���� %���%&�'%���� #"�(((

) �*���+,�-.��,/��0��1�,/������*��,��#2��,����32�,��,,'�/4��,/����,!�5�12*,65��7��8�/,(��4(���(97

'������:�7( ;<��( = ;>>?

��������� �����)���������������)

������� !�"�"� #�$�#���� %���%&�'%���� #"�#� ��$!@�A��%��� %���- '���"�"#"�B- #�A

�����������

� � ����� �������� �������������� ����� �������� ������ ������ �� ����!� � " �#$��%� �!��#���!� � �� �&���'�� �&$�!'�(

�� ��� !� � ����� "����� ������������ ���!���� ��)#������� �� ��� �����!� � �� � ������'�� �� �����)���� ���� !� *+,-

� �&���� � ����� � �� �����(� ��� �!������"� ������!� � ��� ��(� �!� !����� �#� �&���&���� �� � � ���� ��� �'&������.

�!'-� � ���"� �!���������� � �!��!�� ��������)��� �!�"����(� �"�� �!� �!������� ������&� �!� �!'�)������#� �� �!�� �!���.

���'� '���$!� ���'������ ���%����!� � /0��1(� ��� ��� �!����� �����)!� ��� !2�������� � ���� � ��� ���$������ �$��.

���$��� � ��'�� ��� �����'�� !���!� -� !������� ��$����� �� ������!� �!����)!(� 3�� ������ �$��#� � �!��!�#� ������.

������ �&���&�� �'&�������!� ��� �&���� � ����� ��$'�� ��� � �����!�������� ����� "����� � ������'�� )#��#�!'�� �� ���

������� �&���-� ��� ���� ��$������� �� �������� �!�!����� �$������� '�$� �������� �&����� �&$�!� � �'�����!� � " �#.

$��%��!��#���!� -

������ ����� 4��!� �!'�)���(� �'&������(���$��������������#��(�0��(��� ������" �#$�������!��#����

5�567���89��:���5+����89�95�;+����5�<�����:���8����+��8�

89�5�08�8��:��6���:8���;�05�:��

������ ��� "��� ��$�!� � � �� � �� ��'�� ��������'������'�� �������� �'������� ����(� � �� ����� "������ �2�� �� � "���� �.

��$� =+>� � ���$� $��� ��'�� ��� �������� ��$�� $����-� �� �"� � � ����� �� ��$�����!(� �2�� � �� ?�����(� 2����"�� � ����� � �

������ 2�"�$-� � �� �"� � �� �� 2� '�$� �� ���� � ����!���� $���� �!� � �� 2������ ���'����� '�� �$(� ��$� ?� �2��$� ���� ��"���

"����� ��� �� ����� �����''�� ��� '���" �'����-� � �� '���" �'����� ��$� ����!���� �� 2� '�$� ���2� '�$� � ��� $� ���

��"����2� � �� 2����"��� ����� ��� � ���� ���� ����?� . ���$��!��2� � �� �� "��" ��$"�� ��� ���22�$��� ��'�� �������� � ��� ���

$����-�@���$���� � ��(� ���''��$��������� �� ���"�$� ��� $����'�$� ����������2�'������� ����� ��� � ��$���"���$� �.

�������'�� ����-

� ������4� �� ��� �(� 2����"�(��A�� �������(�9�0(� ��������'�� ���

���������/4�+�15C5��9C�����DEF9����/�5C5���;F1��/��5�/����=F9,��1��<F3�5���5�������?F9���9���G@H

�������*�97��1����,C����/��9���I7,/�5C+���2��2/,I���2/4�5C5��+,9C��2+,�*1.�2/4*���1��*/��/4���*1��2�����,C

9���9���+,�*��1��/,�7,1��2G@H�I/�I/2+,,/41��/��5�/���J�2�(EK(#1��*/,�,/4�*�97��1�/�,�1�,������,C�12/45C50��/47,/���9C*�,C/,��/4���*1�����+C/���,��2+(

Page 2: Analiza Powstawania Pekniec Zmeczeniowych

167

'������:�7( ;<��( = ;>>?

#2*��2���� �*������ ��9���2 �2*�2���2/4 ���*�0���L�,��7,+,���I9��������9���1����,�9C*�,CM�12/4��+2/4 �5�����/4 *���1��*/�,� � ��25*,� 1�+9� ����������*����L�+C/���,��2/4�����2�,*��I/��1I�*��,�/���NM9���9��������,�/�C�12/4��9���,�1�1�,��9�2���������,0/���,�5��9,�/��L�1���*�97��1�/�,,�2�����N/,12/4���I0���LO=P(�1����,C1�9���1��I��9���C/,�5���L,���7,�+��I0/2/4��/�7��2��N�,��,�9��2/�2�9���1����,����*����L5C5�.�������9��9������,�1�*,/4�+,���,/4*���1��*0/�,�*1.���2�7,+,�����2529��2/�2�29���1����,�9C*�,CM(

�71������7,������9�����2*����,��1����������7,0�2�21��2+���N/,����5C5��9C����������2Q,*������9�0+,���+,1����+�1�2/��2+,(#/���,��9��/����,�+���7,�57,/���,��2/4 ,9��2��1����,�9�+,��.� 1����+�1�2/�0�2/4 �2*���2�12���� �2�,*, 5���L ��Q�*1��*�9��2/4*,7*� 5C5�.� �*�97��1����2/4 ���.��� � 9�����,���/4*7�1*��2/4� ��*,�*,9��2/4(#2*�����5����,���Q�*1�0�*�9���9��2�2*���2�1��,�+�1��2+����12/���09����0*����9����7,�2����1�7��,�+,���/ ,�,/��/�, ,*,����*.��������9C*�,CM�+C/���,��2/4OEP(

���9���������5����,��2*����2�2�1C9����,�7,/��2/49C*�,CM�/4���*1�����+C/���,��2+��7�*�7,�����2/4��.0��,����I/��/4�9����2/4��5������9,��1��+,���/��I0/���,�9��.��*5C5�.������1��/��/45�/��2/4,9���9�0��/4($29����2*�21�9C*�,C/,��,7��1���������2���*�;(

�������������������������

���7,�C�21��2+���N/,��I5C5�.�9C��2/4�2*�����+�01��I �7�+��1.� �*�L/���2/4 J'��K� 9��2�2*���2�1��,�9�����+.�*�+9�1����2/4GR�'� H,��S���1�����9,�0���I/ �,C �� �9��/����2+ 9���1����2+ ��+��2/��2++���7� �57,/���,��2+ *���1��*/�, 5C5�� 9C����� F' ( �����1��,��2���2���*�=+���7�57,/���,��2�5��+���9����C5C5��9C����������9��2��7�3�I+�/�CN/,I����('���7 1��� ���3��2 � ��9��,���,/4 �7�+��1.� 129� 9�201�����,5�2�������������������9���,���+�1�,C���7,0�������*���1��*/�,( 5/,I3��,�+���7��1����,�2�,�29�0/4���I/�������,��2���,�7,�J1�5(EK���*�.��,�3/,C3����9��,���,��/�CN/,*���1��*/�,( 5/,I3��,�9�/4���I/����,��7,��/4���1�����9��,���,������3��������37,�,,�120*�7,��9����/��+5C5��(

$�* 9��2��1����2 ��+��2/��2 +���7 �57,/���,��29����32� �� 9���9��������,� ���7,�2 �21��2+���N/,�����+��,��2/4 5C5�.�( # �Q�*/,� �2*����2/4 �2+�7�/�,*�+9�1����2/4 ��2�*��� *�+97�1�� ,�Q��+�/�� � �1��,���*��1��/�L,��9�C3�L(#��7����/�CN/,��12*���9�����1�0�,���,�+.�,����25�����2�,*,�57,/��L��2�*����7�5C5�����I����,��*,9�������5/,I3�����+�*�2+�7�I��0+��2/��I�,�I�7,��/4J9�1��1�5(EK(

����� �� C*�,C/,��+C/���,�����5������1��/�5�/��2/4D�K9C*�,C/,��5������������N/,ET?++����9��+,��,���������N/,<?++65K9C*�,C/,�������N/,EU?++��5������9��I/���,�9���9��2G@H�1��/�I5�/��I,9,��1I

�K 5K

Page 3: Analiza Powstawania Pekniec Zmeczeniowych

168

��������� ��������������������������� !�"�"� #�$�#���� %���%&�'%���� #"�(((

#25�����2�,*,9���9��������2/4�57,/��L*�+9�1�0���2/4 9�����1��,����Q��+,�97��.�����1�,/��2/4��5�����I/2/4���*���2���1�N/,9���+,���/��L7�5��9�C03�L�9���/���.7�2/4�5�����/4+���7�5C5��(���2���0*�<9�����1��,����,��*��.7�2���*�������1�N/,��9�C03�L�����*����2/4σ��9���9���/4,1��/�25�/������207,/���2/4��4,9�1��2��5���FV��',����(��1�+,��1���2���*�?��9�����1��������1�N/,9���+,���/���,�1��/�25�/�����*,����*��.���7���2+����,����(

#2*������2+�7�/��*�+9�1������2*����2�3���/20���I/2�9�2���9��,�+��9�C3�L�5C5��/4+��,�127����1�NM��+��2/�����,�2�7,��/4�,7���,C/,�����+���20�2�2/,I������2������9����1��5/,I3��,�( 57,/���,�1��2*����2 �����/��N�,�� 3���9�C3��,�� �*�1��+�7�2/4���1�N/,�/49���1��I��5�����/4��7�*1.�2/4�1�,�������9���1����,�,����.�9C*�,CM�+C/���,��2/4(#2*��������7,���2�,*.��57,/��L'����*������3��*�������1�0����9�C3��,��7�9���9���+,��,��I��������1�N/,�*��0������������+,��I ,/49���3��,��2�������� ��/4�+�5��1��2+ 5C5��( #��1�N/, �*�1��+�7�� ��9�C3�L ��.�0�2/4JσE,σ;K��,I��,C1����1��I�9��29��*����29���9�0�����+���9���3��,��.���7��7����29��*�����,��7,0��/4��N�2/4�1����/�2��27�32����9����/�2W�,�+�*0�2+�7������,C/,�����(

��7��� ��/���.���� ���7,�� �2�,*.� 9���9�������0�2/4�57,/��L'���2*������3���9�C3��,���*�1��+�70�2/4 ���1�N/,�/4 �7� /����� 5C5�� �7�*�7,������ �I� 9���9���/4 � +,���/� ,/4 9��I/���,� � 9,��1I ����J�2�( <K� ��,C/ 1�+����,����/�CN/,�� �5���������52���2�1C9����,�9C*�,CM�+C/���,��2/4(

�7�+ �*��N7��,� �9�2�� �����N/, , ���+�1�,, ����,0���I/��� �,C � �5������ 9���9��2 9C*�,C/,� �� ���1�NM��9�C3�L 9���1��I/2/4 � 5C5�,�� �� 9���1��,� �,���120Q,*��������7�1����5�����*���1��*/�,+�/4��,�+����0���� 9C*�,CM� 9���9��������� ����������I ���7,�C'������7C��,��I/I ��*/��2��2 9��2���1 �����N/, 9C*�,C/,��/��,7��1���������2���*�X(

���/���.7�� +���7� �57,/���,��� J'K ��9��,����2*�7���2+�1�9�+�����1������N/,9C*�,C/,�D

'� F 7,�,��0��

'� F 7,�,��0�00��

' F 7,�,��0�00�(

#1�5�7�/4;,=���1��,����*�1��+�7�����1�N/,��9�C03�L��.��2/4σE�σ;,��9�C3�L�����*����2/4σ��9���09���/4,1��/�25�/�����7����2�1*,/4���7,�����2/4+�0��7,(

�������� ���1����2+���7�57,/���,��25C5��9C�����F'

�������

���1��,��,��5/,I3�L5C5�.�

������������� � ����� ���������� ΣS1 ΣS2

Maksymalna �������

�������������� Py, kN

Moment Ms, kN⋅m

529,5 441,1 ���� 970,6 150,3 Skipowego

344,0 446,3 Momentu 790,3 174,0

444,3 341,2 ���� 785,5 175,3 Klatkowego

408,3 296,2 Momentu 704,5 190,6

Page 4: Analiza Powstawania Pekniec Zmeczeniowych

169

'������:�7( ;<��( = ;>>?

��������!��*������1�N/,��9�C3�L�����*����2/4σ��' ��9���9���/4,1��/�2

��������!��*������1�N/,9���+,���/��L1��/�2�B�++

����� ���/4�+�1�������9C*�,C/,�

� �� � � �

� � � � �

� � � � � �

� �

Page 5: Analiza Powstawania Pekniec Zmeczeniowych

170

��������� ��������������������������� !�"�"� #�$�#���� %���%&�'%���� #"�(((

������

���1��,��,��*�1��+�7�2/4���1�N/,��9�C3�L�9���9��,�

�������

���1��,��,��*�1��+�7�2/4���1�N/,��9�C3�L�1��/�2

���� �����������

��� �!���� ���� �!����

"������������� �#��$��

Model

obliczeniowy

σH σ1 σ2 σH σ1 σ2

MP 53,6 –14,6 –59,4 57,9 64,1 15,4

MA 48,9 –19,9 –54,1 51,3 56,4 18,9

MB 83,7 –0,9 –84,1 74,3 72,5 1,8

MC 43,7 –19,3 –49,8 47,7 53,8 19,3

MK 17,5 –3,7 –19,0 20,3 22,6 5,6

W tarczy

��� �!���� ���� �!����

"������������� �#��$��

Model

obliczeniowy

σH σ1 σ2 σH σ1 σ2

MP 8,1 3,6 –6,5 9,6 7,3 –5,1

MA 8,2 3,6 –6,7 9,9 7,5 –5,4

MB 39,8 –8,2 –43,0 38,9 40,8 4,6

MC 60,5 –24,0 –68,8 60,9 69,1 23,0

MK 16,1 3,6 –14,0 18,1 15,2 –4,7

���7,�� �2*����2/4 �57,/��L'����*������ 3� ���0�.�9C*�,C/,������37,�,,�0�J+���7'�K�,�+�9��*012/��,��9�2�� �� �1�� ��9�C3�L , ��*��1��/�L� 1��/�2(A�3�7, �����* 9C*�,C/,� ����,�,� �,C �� 9��*1� � 7�5 ��/�27,�����,���1��/�25�/�������7��2��������.����1C09���M5C��,��1��/�2��2�����I/���*�����,��,7��1����0�����2���*�;�(

�����1��,��� 9��23�� �2�,*, �57,/��L ��*����I� 3�5��9�N����,I 9��2/�2�I 9���1����,� , ������� 9C*�,CM���1���/���9�����12��,��,�*���1��*/�,5C5��9����9���09��2( ���9��2 7�*�7�,� �����,/���I ��*��1��/��,� 1��/�5�/��2/4 �2���2���� ��,C/,�+ ����� /� 9������� /20*7,/���� ������ � �5��1�+, 5C5�� 9C����� ��9���+,����N/,�*��,� , ���/,I���,�+,+�N������ 9���9��(# *����0*���/�,�2������1������5����,���21C3��2/4�5�����/49���9�� , 1��/� 5�/��2/4 5C5�.�� 9���1����,� 9C*�,CM�/4���*1�����+C/���,��2+(R�*11��9�1�,������I�2�,0*,�57,/��L,9�+,��.�1����+�1�2/��2/49�����1��,������2���*�Y,��5�����1�5�7,<(

@�2�*��� ����71�12 �57,/��L ��*����I �� 1�� 3� ���0�,C/,�N���*����/�CN/,9���9������� �I/�I/2+��9,��0N/,��,�+ +�3� +,�M *���2�1�2 �9�2� �� �1�� ��9�C03�L�+,���/�,/49��I/���,��1��/��+,(�7�1���1�39��20

��1����� ����1*��2 +���7 �57,/���,��2 F '�� �.30�,I/2 �,C �� �/��N�,����2/4 +���7, 12+� 3� ����,C1�� �,+ 9��,�+I /�CNM 9���9��� 9����1��,��I/ 127*� ,/49,�����Q���+��129��I/����� 1��/��+,5�/��2+,(!��0*�����9�C3�L�����*����2/4�9���9���/4,1��/�25�/�0�����2�*��2�7�1���+���7�9�����1��,������2���*�T(@���,C/,�N���*����/�CN/,9���9���,�1�1�2�9��.5���*��1���*����I���1��,����1�5�7�/4;,=�2�,*,�57,/��L��5�,3� 9��,�+ ��9�C3�L � �5�����/4 9���1����,� 9C*0�,CM(�,�9���������1�+,��1 ,�1�1��� �+,��2����1�N/,,���*����,���9�C3�L�1��/��/45�/��2/4,9����/��5C50��( ��7�32 1� �����/�2M� 3� ����,C/,� N���*���� /�CN/,9���9�� �,� �9��������� ,�1�1��� �+,��2 ��,C/,� ����9C�����(

�� 9���1��,� ,�Q��+�/�, 9����2/4 � O;P ��12/�I/2/4�21��2+���N/, �+C/���,���� ��I/�2 �9����2/4 *7��2 ��2*����2/4���1�7,��1��*��1=�+�3��9��2�IM�3��201��2+���NM 1� �7� �9�,�2 ��/������� ���/,I����� �2���,��Z<?' ����1�+,��1�7��9�,�29�/4�,�����N/,�������Z;Y' �(#1���21��/�,�27,/�������1�N/,��9�C3�L��*����I� 3� 9��2/�2�I 9���1����,� , ������� 9C*�,CM�+C/���,��2/4�5C5�,����19���*��/���,����1�N/,�201��2+���N/,�+C/���,������I/�2�9����2/4(

Page 6: Analiza Powstawania Pekniec Zmeczeniowych

171

'������:�7( ;<��( = ;>>?

�����!���+,��2���1�N/,��*��1��/�L�9��*1�/49�+,����2/4�/���,��������/2*7�9��/2+���2�2�2/,I�����

�������

���1��,��,��2�,*.�9�+,��.�,�57,/��L

"������������� �#�%$��&� ������������������

Pomiarów ������# Numer czujnika pomiarowego

σp σH σ1 σ2

P33 26,7 20,7 20,1 –1,3

P34 13,0 23,6 24,3 –

P53 6,8 10,5 8,5 3,0

PW 10,1 18,9 18,4 –0,2

�����"��!��*������1�N/,��9�C3�L�����*����2/4σ:�' ��9���9���/4,1��/�2+���7�'�

Page 7: Analiza Powstawania Pekniec Zmeczeniowych

172

��������� ��������������������������� !�"�"� #�$�#���� %���%&�'%���� #"�(((

���#��$��%�&���'

#2�,*,9���9��������2/4�2+�7�/�,*�+9�1����2/4,9�0+,��.�1����+�1�2/��2/4��*����I��������/��,��3�5��09�N����,I 9��2/�2�I 9������I/I 9���1����,� 9C*�,CM�+C/���,��2/4 5C5�.� ���1 ���+,���� 9�����12��,��,�*���1��*/�, 9�9���� ���1������,� 9���9�� �I/�I/2/4 1��0/��5�/���5C5��( ���9����������57,/���,��7�+���7�� ����,C12+, N���*��2+, /�CN/,�+, 9���9�� �2*����2�3� +�37,�� ���1 ���/��� �+�,������,� ���1�N/, ��9�C3�L� �5�����/4 9���1����,� 9C*�,CM� � 12+ ��+2+ ,�1�1��9���,��,��,�1�����N/,�+C/���,����/�����5C5��(#2�,*,9���9��������2/4���7,��1��2�,C9���1��I���9��/���0

�,���*�+��1�/�,1�/4�,/�����+�37,�,��I/��+�����,��/�C5C5�.�9C��2/4�+��,��2/4���I���L�2/,I���2/4(

�()�*�)+*�

OEP ����/*,�(�,/4�/,L�*,�(D5�������� �!��!��������������"����$��%

�&����� �&$�!� � '���!�� �!��#���!� � �!�"� C6� D� ECFFGHCFF� � ��

�� �� ��������'� $��"'�������� �� � ��� ��!-� ��/� �� ?(?(E=>(U;E(���*.��#2��,����32�,��,,'�/4��,/����,!�5�12*,�-�;>>;

O;P � "������� �������� �����������(��!�����������$��� "��)#��!����.

���!� ����������� (�" �#$������ ���'���!��� ��� ����!� -��1��,0/���,����1��,.�, ����*1.�-.��,/�2/4EUT;

O=P ���I/��,*��EY��!��9���I����,�',�,�1�� ���+2���,����7�((($�+�:J��25��2KD!'������������ ������"$��!������)"����� ��.

��!� ��!��#������!���!� -��1��,/��#2�(G���!�HEUU?