DIAGNOZOWANIE GIGACYKLOWYCH PROCESÓW ZM CZENIOWYCH W PRZEK ADNI Z BATEJ

Transkrypt

1 3 DIAGNOZOWANIE GIGACYKLOWYCH PROCESÓW ZMCZENIOWYCH W PRZEKADNI ZBATEJ Marcin JASISKI, Stanisaw RADKOWSKI Instytut Podstaw Budowy Maszyn, Politechnika Warszawska ul. Narbutta 84, Warszawa, ras@simr.pw.edu.pl Streszczenie Celem pracy jest opracowanie, dla materiaów o wysokiej wytrzymaoci, metody prognozowania i analizy gigacyklowej trwaoci zmczeniowej ( cykli) na podstawie badania sygnau wibroakustycznego. W metodzie proponuje si wykorzysta wyniki analizy sygnau wibroakustycznego, uzyskiwane podczas przyspieszonych bada zmczeniowych, prowadzonych na specjalnie do tego celu skonstruowanym i zbudowanym stanowisku badawczym, pracujcym w zakresie czstotliwoci rzdu 20 khz, który odpowiada czstotliwoci drga wasnych próbek. Metody diagnostyki wibroakustycznej umoliwiaj nie tylko detekcj uszkodze powierzchniowych, ale równie wykrycie uszkodze wystpujcych w rdzeniu próbki. Moliwym staje si podjcie próby poznania natury zwikszonej trwaoci zmczeniowej oraz próby wykorzystania w prognozowaniu gigacyklowej trwaoci zmczeniowej cech sygnaów wibroakustycznych. Sowa kluczowe: diagnostyka wibroakustyczna, gigacyklowe procesy zmczeniowe, generatory piezoelektryczne. DIAGNOSIS OF THE GIGACYCLE FATIGUE PROCESSES IN THE GEAR Summary The main goal of this work is develop, for high-strength materials, a method of gigacycle fatigue life s ( cycles) forecasting and analysis on the basis of vibroacoustic signal investigation. In this method we propose to use results of the vibroacoustic signal analysis, obtained during the fatigue tests on a test bed, especially designed and build for this purpose, operating within 20 khz range corresponding to eigen frequency of specimen. Methods of vibroacoustic diagnostics enable not only detection of surface failures, but also detection of failures appearing in the specimen s core. It s possible making an attempt of learning of the extension fatigue life nature and using it in forecasting gigacycle fatigue life s features of vibroacoustic signals Keywords: vibroacoustic diagnostic, gigacycle fatigue processes, piezoelectric generators.. WPROWADZENIE W latach 60-tych i wczesnych latach siedemdziesitych w projektowaniu konstrukcji poddanych dziaaniu zmiennych obcie, które mogyby wywoa efekt zmczeniowego zniszczenia najczciej stosowano rozwizania eksponujce moliwo kontrolowania wzrostu pkni i wad wstpnie istniejcych w materiale konstrukcyjnym. W innym podejciu zakadano, e istniejce pknicia propaguj jedynie do zaoonej wartoci progowej. Obydwie te metody odwouj si do zasad i modeli wywodzcych si z mechaniki pkania. Rozwój pojazdów szybkobienych i maszyn wysokoobrotowych oraz coraz szersze zastosowanie nowych materiaów, szczególnie materiaów wysokowytrzymaociowych, ogólnie okrelanych jako High Performance Materials, spowodoway konieczno weryfikacji XIXwiecznych zaoe odnonie moliwoci wystpienia nieskoczonej trwaoci zmczeniowej materiaów konstrukcyjnych. Przede wszystkim okazao si, e w przypadku tego typu materiaów nie jest spenione zaoenie o asymptotycznym przebiegu krzywej Wöhlera po przekroczeniu granicy cykli, co moe by przyczyn wystpienia krytycznych uszkodze i katastrof o rozlegych konsekwencjach, bowiem w wielu

2 4 przypadkach zaobserwowano zmczeniowe uszkodzenia tych materiaów po przekroczeniu cykli. Tymczasem zwraca si uwag [], e wymagana trwao zmczeniowa wspóczesnych silników samochodowych wynosi 0 8 cykli, duych silników o zaponie samoczynnym stosowanych na statkach lub lokomotywach szybkobienych 0 9 cykli, a niektóre elementy silników turbinowych (np. wa wirnika) powinny wykazywa wytrzyma- o zmczeniow rzdu 0 0 cykli (rys. ). diagnostycznych oraz doboru odpowiednich metod detekcji informacji diagnostycznej. Uwzgldniajc wymienione zagadnienia coraz czciej podejmowane s próby prowadzenia przyspieszonych testów zmczeniowych przy wykorzystaniu piezoelektrycznych lub magnetostrykcyjnych generatorów i przetworników wysokiej czstotliwoci z przedziau 0 30 khz, co pozwala sprowadzi okres bada nad procesem zmczenia gigacyklowego do rozsdnych okresów (odpowiednio 0 9 cykli mona uzyska w czasie wspomnianych 30 godzin). 0 0 Cykle Standardowa granica zmczeniowa Samochód Pocig Turbina Rys.. Wytrzymao zmczeniowa maszyn i ich elementów Równoczenie, badacze podejmujcy próby prowadzenia tego typu bada wskazuj [2], e 90% okresu rozwoju procesu gigacyklowego zmczenia materiaów to okres nukleacji pkni. Z oczywistych wzgldów wyznaczenie jednoznacznej granicy pomidzy nukleacj pknicia a faz propagacji nie jest proste. Z jednej strony liczba dostpnych wyników bada jest ograniczona: bowiem prowadzc badania na klasycznej maszynie zmczeniowej pracujcej z czstotliwoci 00 Hz liczb 0 7 cykli mona osign po prawie 30 godzinach, natomiast osignicie liczby 0 9 cykli bdzie wymagao prowadzenia bada przez praktycznie 3000 godzin. Równoczenie przyrosty pkni s trudno mierzalne a na dodatek, wczesnym fazom powstawania defektów towarzysz mae przyrosty pkni. W literaturze [] wskazuje si, e mimo i redni przyrost pknicia w procesie zmczenia gigacyklowego ley czsto poniej tzw. progowego przyrostu pknicia zmczeniowego (fatigue crack growth threshold) wynoszcego m/cykl to zjawisko tego typu zniszczenia zmczeniowego jednak wystpuj. Oznacza to, e stosowane dotychczas w mechanice zalenoci przyrostu pknicia od intensywnoci napre i wartoci napre nie uzyskay w warunkach zmczenia gigacyklowego penej akceptacji i na obecnym etapie bada podlegaj procesowi weryfikacji. Z tego punktu widzenia istnieje potrzeba rozwoju nowych metod badawczych, adekwatnych modeli Jednak ograniczona moc sygnau wymaga prowadzenia bada w pamie drga rezonansowych próbki, w odrónieniu od drga wymuszonych, jakim poddana jest próbka na klasycznych, niskoczstotliwociowych urzdzeniach testowych. Przykadowe wymiary próbek, dla okrelonych czstotliwoci drga wasnych oraz wymiar czasu (godziny) trwania eksperymentu dla zaoonej liczby cykli zestawiono w tabeli. Tabela. Czas trwania eksperymentu [h] Dugo Czstotliwo Liczba cykli próbki wymuszenia [mm] [Hz] Uwzgldniajc czstotliwoci drga wasnych prowadzenie bada gigacyklowego procesu zmczenia materiaów wymaga rozwizania szeregu zagadnie z zakresu dynamiki maszyn, wyznaczania zakresu drga wasnych próbki w zalenoci od dynamicznych waciwoci materiau, typu zamocowania i geometrii próbki oraz budowy i analizy miar wibroakustycznych charakteryzujcych si du wraliwoci na poszczególne fazy procesu zmczeniowego. Pierwsze próby wyjanienia zjawiska zniszczenia w gigacyklowym zakresie trwaoci zmczeniowej odwouj si do modeli i zdobytego

3 5 dowiadczenia w badaniach niskoi wysokocyklowej trwaoci zmczeniowej. Mona tu wskaza na próby wykorzystania metod wspóczynnika intensywnoci napre [2], wykorzystania ocen napre residualnych w strefie przed pkniciem, efekty cyklicznego umocnienia i osabienia []. Równolegle rozwijane s róne sposoby dotarcia do informacji o zachodzcych procesach degradacyjnych poczynajc, od zastosowania interferometrów laserowych do pomiaru przyrostu pknicia na jednostk czasu odpowiadajc przyjtej liczbie cykli. Podejmowane s próby bliszego poznania fizycznej strony gigacyklowego procesu zniszczenia zmczeniowego. Na przykad w pracy [3] przy omawianiu wyników bada laboratoryjnych zwraca si uwag na duy rozrzut uzyskanej trwaoci zmczeniowej. Jako gówn przyczyn otrzymania takich rezultatów bada wskazuje si róne mechanizmy procesu inicjacji pkni: wystpowanie wtrce zakócajcych jednorodn struktur materiau jest powodem inicjacji pknicia w zakresie duych wartoci napre maksymalnych, natomiast w przypadku mniejszych wartoci maksymalnych napre za przyczyn powstania pknicia na powierzchni próbki uznaje si wtrcenia lub uszkodzenia powierzchni. Dodatkowe czynniki majce wpyw na przebieg procesu zmczeniowego rozwoju uszkodzenia powoduj, e trudno prognozowa ksztat krzywej naprenie zmczeniowe zniszczenie w przedziale cykli (rys. 2). W rzeczywistych warunkach funkcjonowania krytycznych wzów kinematycznych na trwao zmczeniow elementów bd miay wpyw czynniki skorelowane z mechanizmem zmian parametrów warstwy wierzchniej, a tym samym bd miay zrónicowany wpyw na proces generacji sygnau wibroakustycznego. Dla przykadu przeanalizujmy poszczególne typy uszkodze zmczeniowych wystepujcych w przekadni zbatej. 2. TYPY USZKODZE PRZEKADNI ZBATYCH 2.. Docieranie i zuycie cierne Zauwamy, e podstawowym mechanizmem odpowiedzialnym za zuycie jest niewystarczajca grubo filtru olejowego, powodujca bezporedni kontakt wspópracujcych powierzchni zbów. Z tego punktu widzenia docieranie najczciej pojawia si wtedy, gdy relatywnie wolnoobrotowe przekadnie zbate pracuj z duym udziaem czasowym bezporedniego kontaktu powierzchni zbów, powodujcym polerowanie powierzchni zbów, prawie a do wykoczenia na poysk lustrzany. Póniejsze zuycie przebiega z bardzo ma prdkoci i dlatego zuycie polerskie czasami nie jest traktowane jako uszkodzenie. log S s D nieskoczony zmczeniowy czas ycia gigacyklowy zmczeniowy czas ycia Cykle log(n f ) Rys. 2. Wykres naprenie zmczeniowe zniszczenie Zuycie umiarkowane jest spowodowane przez niewystarczajc grubo filtru olejowego. Kiedy zuycie jest proporcjonalne do prdkoci polizgu i prdko polizgu nie jest równa zero na linii przyporu i osiga maksimum na kracach kontaktu, wtedy wystpuje wzmoone zuycie stopy i gowy zba, i praktycznie brak zuycia na linii przyporu. Umiarkowane zuycie w swej istocie nie jest postrzegane jako uszkodzenia, jest jednak wstpem do nadmiernego zuycia i tym samym moe prowadzi do cakowitego zniszczenia zba. Prdko zuycia moe by zmniejszana poprzez zwikszenie lepkoci oleju, zwikszanie dokadnoci wykonania powierzchni zbów lub poprzez zmian geometrii zbów w celu zmniejszenia prdkoci polizgu. Niekontrolowane zuycie umiarkowane powoduje nadmierne zuycie, w którym oryginalny profil zba jest niszczony i najczciej prowadzi do zamania zba [4, 5] z powodu: a) zmniejszonego wspóczynnika wytrzymaoci zba na zginanie; b) rozwoju pknicia zmczeniowego zainicjowanego uszkodzeniami powierzchni; c) duymi obcieniami dynamicznymi wystpujcymi przy uszkodzeniu profilu zba. Innym przykadem zuycia jest zuycie cierne, które jest powodowane wtrceniami w oleju, majcymi twardo zblion lub wiksz ni twardo warstwy wierzchniej oraz rednic równ lub wiksz od gruboci filtru olejowego. Aby unikn zuycia ciernego, niezbdne jest utrzymanie czystoci oleju, poprzez zastosowanie filtrów lub czstsze wymiany oleju. Wtrcenia w oleju mog si pojawi jako wynik innego typu uszkodzenia (np. uszkodzenia oyska). Omawiane zaburzenia wspópracy maj losowy charakter i rzadko wystpuj w sposób okresowy (rys. 3a). Tym samym stosujc procedury uredniania eksponujce efekty okresowe tracimy informacj o tego typu uszkodzeniach (rys. 3b) Powstawanie werów Frosting (kostkowanie), powstawanie werów (scoring), zacieranie si (scuffing) powstaj wskutek chwilowego zgrzania si powierzchni

4 6 zbów spowodowanych rozerwaniem spoiny i z tego powodu maj zupenie inny wpyw na przebieg procesu zmczeniowego zniszczenia zbów. Wystpuje wtedy, kiedy zoenie wpywu obcienia, prdkoci polizgu i temperatury osiga warto krytyczn powodujc zanik filtru olejowego separujcego powierzchnie zbów. Wynikiem tego jest kontakt metal-metal i jeeli nacisk powierzchniowy oraz prdko polizgu s wystarczajco wysokie, nastpuje powstanie spoiny. a) b) Amplituda Amplituda Czas Sygnal czasowy z zaburzeniem chwilowym, nieuredniony Sygna czasowy z zaburzeniem chwilowym, uredniony Czas Rys. 3. Sygna czasowy z zaburzeniem chwilowym: a) nieuredniony, b) uredniony synchronicznie Frosting wystpuje wtedy, kiedy obszar zgrzania jest tylko taki jak wielko wystajcych wtrce na powierzchni, w nastpstwie czego s one wyamywane z maymi uszkodzeniami. Na powierzchni zbów powstaje widok podobny do zamroonych krysztaów, jest to spowodowane mikropittingem powierzchniowym, bez widocznych pkni w kierunku polizgu. Frosting pocztkowy (wyrwanie wtrce z powierzchni zba) moe powiksza powierzchnie kontaktu powierzchni, zmniejszajc nacisk powierzchniowy, dziki czemu przekadnia moe pracowa przez dugi czas bez adnych uszkodze. Jeli to konieczne frosting moe by usunity poprzez polerowanie uszkodzonego obszaru. Rónica pomidzy frostingiem a powstawaniem werów ley w wielkoci zgrzania i efektów rozerwania spoiny. Powstawanie werów jest obserwowane jedynie w szybkoobrotowych, wysokoobcionych pracujcych z olejami syntetycznymi o zbyt maej lepkoci. Kiedy zoenie wpywu obcienia, prdkoci polizgu i temperatury przekracza warto krytyczn powstaj wery na skutek chwilowego zgrzania si powierzchni zbów spowodowanych rozerwaniem spoiny nastpuje wzajemne rysowanie si profili zba i powierzchni zba. Niekontrolowane powstawanie werów zazwyczaj powiksza si i moe prowadzi do zniszczenia profilu zba. Zazwyczaj pomaga polerowanie uszkodzonej powierzchni. Czasami lekkie lub umiarkowane powstawanie werów (np. frosting) moe zakoczy si lub zanikn w momencie cyklicznej redukcji wtrce powierzchniowych. Jeeli wspomniane warunki pracy przekraczaj warto krytyczn powstawania werów lub przyczyniaj si do przyspieszonego powstawania werów, wtedy wystpuje faza niszczcego powstawanie werów. Kiedy liczba powstajcych werów jest proporcjonalna do prdkoci polizgu, nastpuje wzmoone powstawanie werów na linii przyporu. Nagromadzenie materiau usunitego z werów oraz koncentracja obcienia w punkcie przyporu moe powodowa powstanie pittingu lub spallingu na linii przyporu. Dugoterminowymi konsekwencjami niszczcego powstawania werów jest powstawanie drobin metalicznych, zniszczenie profilu zba i zamanie zba. Niejednostajne obcienie powierzchni zba, spowodowane np. niewspóosiowoci lub lokalnymi bdami profilu zba, mog generowa lokalne powstanie werów. Przekadnie z ma iloci lokalnych werów mog kontynuowa prac bez póniejszych uszkodze pod warunkiem, e wery usuny powód niejednorodnego obcienia (np. wystajce miejsce na profilu zba) i pozostaa powierzchnia kontaktu jest w stanie przenie cakowite obcienie. W niektórych przypadkach pocztkowe lokalne powstanie werów moe wskazywa na bardziej zasadniczy problem jak np. niewspóosiowo, która moe prowadzi do powaniejszych uszkodze. Z przedstawionego opisu wynika, e wpyw werów na struktur sygnau wibroakustycznego jest zaleny od tego, jaka bya fizyczna przyczyna powstawania i rozwoju uszkodzenia. Std parametr diagnostyczny moe mie charakter okresowy lub losowy Zmczenie powierzchniowe Zmczenie powierzchniowe powstaje wskutek powtarzajcego si zadawania i usuwania obcienia powierzchni zba, które prowadzi do uszkodzenia, jeli przekroczy si wytrzymao zmczeniow materiau. Typy uszkodze zwizane z zmczeniem powierzchniowym to pitting i spalling (uszczenie). Wytrzymao zmczeniowa przekadni zaley od wielkoci obcienia i iloci cykli, którym zostaa poddana. W przypadku gigacyklowych bada zmczeniowych zb poddaje si duo wyszym ni nominalne obcieniom. Wikszo uszkodze zmczeniowych jest inicjowana zmianami w strukturze gboko pod

5 7 powierzchni zba, ale s one okrelane uszkodzeniami zmczeniowymi powierzchniowymi, poniewa to powierzchnia zba jest niszczona w czasie rozwoju uszkodzenia. Lokalne koncentracje obcienia mog powodowa mae wgbienia w powierzchni zba albo równomiernie w poprzek linii przyporu albo na krawdzi zba. Pocztkowo pitting zazwyczaj rozwija si jeli lokalnie wystpuje przekroczenie warunków granicznych, czasami powierzchnia powraca do stanu pierwotnego, to zjawisko nazywane jest samonapraw lub pittingiem korygujcym. Pitting w pocztkowej fazie na ogó nie jest postrzegany jako uszkodzenie, czasami jeli si nie zakoczy moe rozwin si do kolejnego etapu pittingu. Niestety nie ma jasno okrelonej drogi do okrelenia, czy pitting w fazie pocztkowej zniknie, czy te przeksztaci si w kolejn faz pittingu. Jeli pitting na pocztku nie zatrzyma si lub nie zniknie, zmieni si w pitting, który moe zniszczy profil zba. Na rysunku 4, przytoczonym za prac [5], mona zauway, e uszkodzenie powierzchni rozwija si wzdu profilu a przede wszystkim obejmuje coraz wiksz liczb ssiednich zbów. Pitting wystpuje w momencie, gdy nastpuje przekroczenie nominalnych napre odpowiadajcych wytrzymaoci zmczeniowej materiau, w wypadku zadawania zbyt duego momentu lub zego rozkadu obcienia zba lub kilku par zbów. Nawglane, azotowane lub indukcyjne hartowane koa zbate zazwyczaj pracuj w warunkach krytycznych zmczeniowo, czasami te procesy prowadz do odksztacenia koa zbatego a szlifowanie lub docieranie jest okresowo wymagane do zlikwidowania odksztacenia. Kiedy pod wpywem odksztacenia nie wystpuje peen kontakt, wtedy maleje efektywna wytrzymao zmczeniowa. Na ogó, pitting rozwija si przez dugi okres czasu i generuje znaczn ilo okruchów metalicznych zanim zmieni si w powane uszkodzenie, takie jak zamanie zba z powodu koncentracji napre. Rys. 4. Rozwój pittingu na poszczególnych zbach zbnika Pitting jest zazwyczaj nazywany spallingiem i vice versa, z powodu podobnego wygldu w póniejszych etapach uszkodzenia, jednake jest on powodowany za pomoc innego mechanizmu powstawania uszkodzenia. Spalling jest powodowany poprzez zoenie wpywu wysokich napre powierzchniowych i relatywnie wysokich prdkoci polizgu, które powoduj zmian strukturze powierzchni zba. W pocztkowym etapie spallingu, pknicie inicjuje si na powierzchni zba i rozszerza si spiralnie od uszkodzenia pocztkowego. Czasami cz materiau jest usuwana z powierzchni, dajc due podobiestwo do pittingu niszczcego, w którym wgbienia s zgrupowane razem w formie zuszczonego obszaru. Spalling zazwyczaj wystpuje jedynie w nawglanych koach zbatych poniewa jest to zwizane zarówno z napreniami powierzchniowymi i polizgiem. Ochrona przez spallingiem polega na redukcji wielkoci polizgu lub wspóczynnika tarcia poprzez przesunicie profilu zba, polepszenie wykoczenia powierzchni lub zmian typu oleju. Wykruszanie warstwy dyfuzyjnej, które wystpuje tylko w nawglanych koach zbatych, jest spowodowane przez pknicia gboko pod powierzchni zba lub blisko relatywnie mikkiego rdzenia zba. Te pknicia wynikaj z twardoci zbów (i skutkiem tego wytrzymaoci na cinanie) zmniejszajcej si szybciej ni naprenia cinajce, poniewa warstwa dyfuzyjna jest zbyt cienka. Pknicie propaguje take wewntrz rdzenia lub na poczeniu rdzenia i warstwy dyfuzyjnej, bez oznak stanu zagroenia, a do uszkodzenia duej czci rdzenia, zaamania i oderwania si. Wygld zewntrzny uszkodzenia

6 8 powierzchni jest czsto mylony z pittingiem niszczcym lub spallingiem, jednake wykruszanie warstwy dyfuzyjnej zazwyczaj wystpuje raptownie na jednym lub dwóch zbach, a pitting lub spalling rozwija si stopniowo i zazwyczaj jest widoczny na wielu zbach Zamanie zba Zamanie jest prawdopodobnie najpowaniejszym typem uszkodzenia przekadni zbatej. Odmiennie ni typy uszkodze przedstawione wczeniej, które si rozwijaj w do dugim okresie czasu pomidzy okresem pocztkowym a powanym uszkodzeniem, zamanie wywouje natychmiastow niezdolno do uytkowania lub znacznie ogranicza zdolno przenoszenia mocy. Moe mie równie katastrofalne skutki, uwzgldniajc zranienie lub zabicie ludzi, w maszynach takich jak: migowce, dwigi osobowe, urawie, wycigarki itp., w których zdolno do przekazywania lub ograniczania prdkoci obrotowej jest krytyczna. Zamanie moe wystpi na wiele sposobów z rónych powodów. Klasyczne uszkodzenie zmczeniowe w wyniku napre gncych wystpuje wtedy, kiedy obcienie wywouje pewien poziom napre w podstawie powierzchni przejciowej zba, szczególnie blisko punktu stycznoci powierzchni przejciowej i profilu zba, który przekracza dopuszczalny poziom dla zakadanego czasu ycia. Gigacyklowe badania zmczeniowe najczciej powoduj rozwój pknicia zmczeniowego i zamanie zba (rys. 5). w czasie szlifowania, i inne naprenia. Przypadkowa natura tych zama znaczy tyle, e mog wystpi gdziekolwiek na zbie i zazwyczaj powoduj strat czci zba, która mimo, e strata mocy moe nie wystpi, moe prowadzi do wikszego uszkodzenia. W przypadku klasycznego zmczenia w wyniku napre gncych uznaje si, e zb posiada sztywny rdze, w zwizku z czym dominuj efekty spowodowane zginaniem. Jednake, jeeli wieniec podtrzymujcy koo zbate jest cienki, zginanie wieca bdzie zauwaalne, a pknicie zmczeniowe, zazwyczaj rozwijajce si w podstawie zba, moe zainicjowa si w stopie zba i przej na wieniec. Dotychczasowe rezultaty przyspieszonych bada na stanowisku mocy krcej [6] wskazuj na konieczno analizowania ewolucji rozkadu prawdopodobiestwa amplitud w wybranych pasmach czstotliwoci. Przykad wykorzystania miary zmiennoci rozkadu prawdopodobiestwa w postaci miary Kullbacka przedstawiono na rysunku 6. Miara Kullbacka ma nastpujc posta: K(, ) E s( y) j n n j p 0 p j j log p j p j log p j 0 0 p ( y) gdzie: s( y) ln, p ( y) 0 - log p j jest logarytmicznym stosunkiem rozkadów gstoci prawdopodobiestw znalezienia si w okrelonym stanie (awarii lub zdatnoci), przy zaoeniu wystpienia zmiany z rozkadu do rozkadu. p p KULLBACK BEZ SREDNIEJ kolo nr harmoniczna +-30Hz SWA podstawowy SWAresidualny SWA rónicowy SWA obwiednia naprenie w zbie Rys. 5. Zbnik z widocznym pkniciem zmczeniowym Zazwyczaj pknicie inicjalizuje si blisko podstawy zba i ronie wykadniczo, jak pknicie ronie, sztywno zba maleje, wpywajc na przyspieszenie rozwoju pknicia. Dodatkowo moe wystpi tzw. zamanie przypadkowe, zarówno zmczeniowe jak i spowodowane przecieniem, jest zazwyczaj inicjowane przez zjawiska takie jak wtrcenia powierzchniowe lub podpowierzchniowe, pknicia spowodowane obróbk ciepln, uszkodzenia fizyczne, nadmierny pitting i/lub spalling, pknicia czas ycia Rys. 6. Zmiana znormalizowanej wartoci miary Kullbacka podczas eksperymentu [6]

7 9 3. STANOWISKA LABORATORYJNE DO BADA GIGACYKLOWYCH PROCESÓW ZMCZENIOWYCH Do chwili obecnej nie ma norm dotyczcych sposobu przeprowadzania bada gigacyklowych procesów zmczeniowych. Laboratoria zajmujce si tego typu badaniami, np. w Stanach Zjednoczonych, w Austrii, we Francji [], w Chinach, w Japonii i w Sowacji, s na etapie opracowania wasnych procedur badawczych. Pomimo tego, e same maszyny do bada trwaociowych s w tych laboratoriach inne, maj one kilka cech wspólnych. Najwaniejsze z nich to (rys. 7):. wysokoczstotliwociowy generator, który generuje elektryczny sinusoidalny sygna o czstotliwoci 0 20kHz, zazwyczaj jest zasilany napiciami od V; 2. piezoelektryczny (lub magnetostrykcyjny) przetwornik, który przetwarza sygna elektryczny w drgania mechaniczne, standardowe parametry to skok 5-20 µm, czstotliwo rezonansowa powyej 20 khz; 3. jednostka sterujca komputer PC, który umoliwia sterowanie czstotliwoci generatora oraz w zalenoci w jakie jeszcze dodatkowe systemy jest wyposaone stanowisko badawcze umoliwia sterowanie temperatur, cinieniem, wartoci siy, kierunkiem drga itp. Przetwornik drga Generator 20kHz Przetwornik analogowocyfrowy Komputer PC Rys. 7. Schemat ukadu pomiarowego Pierwsze tego typu urzdzenia pozwalay jedynie na jednokierunkowe badania ze sta amplitud, najnowsze pozwalaj na badania ze zmiennym obcieniem i regulowan amplitud przy wysokiej lub niskiej temperaturze, badania skrtne lub w kilku kierunkach. Wysokoczstotliwociowe systemy bada zmczeniowych pracuj zazwyczaj przy czstotliwoci 20 khz. W ich skad wedug [7] wchodz nastpujce czci: a) Generator (zazwyczaj o mocy W), który zapewnia sinusoidalny sygna o czstotliwoci 20 khz; b) Piezoelektryczny (lub magnetostrykcyjny) przetwornik (przetwarza sygna elektryczny w drgania mechaniczne) oraz wzmacniacz wysokoczstotliwociowy drga mechanicznych; c) Jednostka sterujca umoliwiajca: pomiar przemieszcze i napre, sterowanie amplitud i czstotliwoci, licznik cykli; sterowanie komputerowe, w tym wstpne ustawianie amplitudy (konieczne zwaszcza przy zmiennej amplitudzie obcienia), programowanie impulsów siy, klasyfikacj i zapis amplitud on-line oraz sterowanie zakresem czstotliwoci; d) Dodatkowe wyposaenie; takie jak urzdzenie chodzce (aby zapobiec wzrostowi temperatury), komory rodowiskowe (piec, komora korozyjna, basen), urzdzenia do pomiaru rozwoju pknicia (mikroskop, kamera wideo); e) Rama i urzdzenia do zadawania statycznych i dynamicznych ciskajcych lub rozcigajcych obcie (moda I, R ) lub zadawania obcie cinajcych (moda II lub III). W celu uzyskania okrelonych i wystarczajco wysokich amplitud, maszyny wysokoczstotliwociowe musz pracowa w rezonansie. Oznacza to, e kady drgajcy element, wczajc w to próbk musi mie okrelon geometri i waciwoci mechaniczne. Próbka jest zazwyczaj osiowo symetryczna (o przekroju koowym lub kwadratowym), a jej dugo musi pozwala na powstawanie podunej fali stojcej przy 20 khz z maksymalnymi napreniami i naciskiem w rodku próbki oraz maksymalnym odksztaceniem na kocach próbki. Próbka powinna mie stay przekrój lub zmniejszony przekrój porodku próbki (zazwyczaj w ksztacie dzwonu lub klepsydry) w celu zwikszenia amplitudy. Odksztacenie spryste na kocu próbki jest mierzone za pomoc tensometrów lub czujników przemieszcze. Zmierzony sygna jest wysyany w ptli zwrotnej do jednostki sterujcej amplitud. Maksymalne odksztacenie, jest obliczane z amplitudy odksztace lub jest mierzone w rodku próbki w miejscu odksztace maksymalnych. Jeeli zaleno naprenia-odksztacenia jest znana (np. z prawa Hooke a), naprenia mog by wyliczone z odksztace. Jeli próbka jest zamocowana tylko na jednym kocu, to bez zadawania obcienia zewntrznego, obcienie jest rozcigajco-ciskajce (R = ). Sterowanie amplitud jest realizowane poprzez regulator typu PID (cakujco róniczkujcy), który gwarantuje, e wstpnie ustawiona warto amplitudy jest osigana z wysok dokadnoci (99% w nowoczesnych urzdzeniach). Oprócz amplitud, równie czstotliwoci s sterowane w celu

8 20 utrzymania rezonansu, za pomoc obwodów PLL (ptli fazowej). Monitoring czstotliwoci moe by uyty do wykonywania automatycznych operacji, np. wyczenia urzdzenia jeli ma miejsce pknicie. Specjaln uwag powica si wzrostowi temperatury, spowodowanego wysokimi czstotliwociami zadawania obcienia, który moe by bardzo duy w zalenoci od amplitudy obcienia i badanego materiau. Jedn z moliwoci zapobiegania wzrostowi temperatury próbki jest zadawanie obcienia w postaci impulsów z okresowymi przerwami. Dugo impulsów ms ( cykli) moe by stosowana z przerwami 50 i 000 ms. Dodatkowo moe by stosowane chodzenie za pomoc wentylatorów lub natrysku cieczy. W innym przypadku, moe wystpi np. korozja zmczeniowa. Stanowiska bazujce na uyciu wysokich czstotliwoci mog by stosowane nie tylko dla mierzenia zmczeniowego czasu ycia, ale mog by take stosowane do badania procesu mechanicznego pkania. W tego typu badaniach przyjmuje si obecnie, e okrelenie zakresu wspóczynnika intensywnoci napre K jest decydujce. Do okrelenia K s wykorzystywane amplituda odksztacenia lub zmiany prdkoci na kocu próbki lub naprenia w rodku próbki. Maksymalna warto wspóczynnika intensywnoci napre K max, moe by obliczona z amplitudy drga u, na kocu próbki lub prdkoci v, koca próbki, dugoci pknicia a, i szerokoci próbki W. W praktyce, bardziej uyteczna i waciwa jest kalibracja za pomoc amplitudy odksztacenia w rodku próbki (paszczyzna pknicia), które moe by zmierzona za pomoc odpowiednich przyrzdów. Odksztacenie, dla hipotetycznej dugoci pknicia równej zero, które jest wprost proporcjonalne do amplitudy drga lub prdkoci drga, okrela wielko obcienia. Wspóczynnik intensywnoci napre jest obliczany na podstawie wzoru (), gdzie Y u jest poprawk wykorzystywan w momencie, kiedy sterujemy amplitud, a poprawk Y v stosujemy w momencie, kiedy amplituda prdkoci koca próbki jest decydujca. Rónica pomidzy Y u a Y v jest spowodowana wzrostem czstotliwoci rezonansowej wraz ze wzrostem dugoci pknicia, która wpywa na amplitud prdkoci koca próbki [7]. gdzie: K f (, E, a, W, Y u, Y v () Y u f ( a, W ), Y v f ( a, W ) W literaturze [] mona znale róne stanowiska pomiarowe w zalenoci od rodzaju bada. Podstawowym parametrem, który wpywa na rodzaj ukadu badawczego s pomiary w ekstremalnych warunkach, mog to by temperatury kriogeniczne (77ºK lub 20ºK) [8], wysokie temperatury (do 000ºC) [9] lub przy wysokim cinieniu (do 30 MPa). W tego typu badaniach mamy do czynienia z jednostronnie zamocowanym ukadu generujcym drgania do testów zmczeniowych oraz dodatkowym ukadem (zazwyczaj porodku próbki), który umoliwia zadanie ekstremalnych warunków (temperatury lub cinienia). Innym parametrem moe by wielko próbki, w tego typu badaniach uywa si próbek w ksztacie cylindrycznym lub paskim z przeweniem w rodku próbki. W tym przypadku jest równie stosowany jednostronnie zamocowany ukad wibracyjny [0]. Najwikszym problemem jest takie dobranie ksztatu i wymiarów próbki aby jej czstotliwo rezonansowa wynosia ok. 20 khz. Prowadzi si równie badania rónego rodzaju uszkodze próbek: mog to by np. gigacyklowe badania zmczenia lub zuycia freetingowego (cierno-korozyjnego), badania pittingu, czy badania zmczeniowego zamania próbki. Ukady badawcze s dostosowane do rodzaju wymuszanego uszkodzenia. I tak np. w przypadku gigacyklowych bada zuycia freetingowego zastosowano piezoelektryczny zestaw skadajcy si z trzech próbek []. Drgajca próbka bya zamontowana pomidzy dwiema nieruchomymi. Górna bya zamocowana na ruchomym jarzmie, które si przesuwao po dwóch pionowych szynach. Obcienie byo realizowane poprzez zamontowanie obciników w jarzmie. Druga próbka bya nieruchoma. Moliwe jest równie badanie rónych rodzajów obcie, kierunków i rodzajów wymusze. Najczciej prowadzi si badania ze zmienn niesymetryczn amplitud i obcieniem symetrycznym przy jednostronnym zamocowaniu ukadu wibracyjnego. Badanie drga skrtnych wymusza zastosowanie innego typu urzdze piezoelektrycznych. Elementy takie jak próbka i jej zamocowanie musz by duo mniejsze ni w przypadku poprzednio opisanych bada. Zwizane jest to z trudnoci w uzyskaniu czstotliwoci rezonansowej 20kHz dla standardowej wielkoci próbek. [2]. Zazwyczaj na stanowisku umoliwiajcym gigacyklowe badania zmczeniowe realizowane jest trzypunktowe zginanie, próbka jest ustawiona na dwóch podporach na fundamencie. Z punktu widzenia zmczeniowego zniszczenia zba, Autorzy proponuj gigacyklowe badanie zmczeniowe przy dwupunktowym zginaniu. Stanowisko pomiarowe skada si z przetwornika piezoelektrycznego, sterowanego za pomoc generatora, który jest kontrolowany za pomoc jednostki sterujcej. Ukad zginajcy próbk jest zbudowany z trzpienia przenoszcego drgania generowane przez przetwornik piezoelektryczny, zamocowany w uchwycie. Próbka jest zamocowana

9 2 jednostronnie w podporze ustawionej na fundamencie. Z tego punktu widzenia wanym problemem jest opracowanie oceny faz rozwoju uszkodzenia zmczeniowego na podstawie analizy uszkodzeniowo zorientowanej analizy parametrów sygnau wibroakustycznego. Rezultaty bada przeprowadzonych dotychczas w Pracowni Wibroakustyki IPBM PW potwierdzaj moliwo opracowania na tej podstawie zarówno jakociowych jak i ilociowych miar rozwoju uszkodzenia zmczeniowego. Takim przykadem s rezultaty wibroakustycznych bada diagnostycznych nad skorelowaniem zmian mikrotwardoci warstwy wierzchniej ze zmianami czstotliwociowej struktury sygnau wibroakustycznego, szczególnie rozwojem efektów modulacyjnych. Oznacza to, e konstytuujc stan warstwy wierzchniej o duej rónorodnoci rozkadu jej stref, gruboci i zwizanym z tym rozkadem napre, mona wpywa na wielko i parametry generowanego sygnau wibroakustycznego. Z punktu widzenia diagnostyki technicznej istotnym problemem jest znalezienie zwizków pomidzy zmianami waciwoci materiaów w tym waciwoci warstwy wierzchniej i postpujcymi procesami zuycia oraz degradacji a zmianami parametrów sygnaów wibroakustycznych generowanych przez diagnozowany wze kinematyczny. Celem potwierdzenia wpywu wasnoci warstwy wierzchniej elementów maszyn na generowany przez ukad sygna wibroakustyczny, przeprowadzono wstpne badanie wpywu zmiany wybranych parametrów warstwy wierzchniej fizycznie istniejcego obiektu (pary kinematycznej waek koo zbate zamontowanej w przekadni) na struktur czstotliwociow sygnau wibroakustycznego (oraz jego poziom) generowanego w czasie pracy ukadu [5]. Z danych literaturowych [2] wynika dodatkowo, e w przypadku utwardzonej warstwy wierzchniej inicjacja pknicia zmczeniowego wystpi albo przy wyszych napreniach, albo po wikszej liczbie cykli ni w przypadku elementu, którego warstwa wierzchnia nie jest utwardzona. Równoczenie wskazuje si na fakt e, pknicie nie nastpi na samej powierzchni ale bezporednio pod warstw utwardzon. Twardo warstwy wierzchniej jest okrelona przez trzy podstawowe parametry, gboko, wskanik twardoci i gradient twardoci. Wymienione parametry mog by okrelone za pomoc analizy rentgenowskiej lub przez pomiar mikrotwardoci. Ta ostatnia metoda zostaa wykorzystania w badaniach porównujcych wpyw zmiany twardoci na struktur generowanego sygnau wibroakustycznego. Porównujc wykresy (rys. 8a i 8b) mona zauway niewielkie rónice w wielkoci modulacji czstotliwoci nonej wyraajce si zrónicowaniem deformacji listków bocznych. Efekt ten by zauwaalny dla kadego podzbioru próbek. Stanowi to potwierdzenie tezy, e zmiana w warstwie wierzchniej, wyraona w tym przypadku przez rón grubo warstwy hartowanej oraz wartoci mikrotwardoci jest mierzalna za pomoc sygnau wibroakustycznego. W szczególnoci naley zwróci uwag na jakociow zmian struktury zmodulowanego pasma (rys. 8b i 8c) i tym samym moliwo budowy ilociowych modeli pomidzy zmianami parametrów twardoci a wskanikami modulacji wieloparametrowej. a) Czas [s] b) Czas [s] c) Czas [s] Mlo0.DAT, szer. filtra: 0[Hz], rzd filtra: 680 Czstotliwo odp20.dat, szer. filtra: 0[Hz], rzd filtra: 680 Czstotliwo odp40.dat, szer. filtra: 0[Hz], rzd filtra: 680 Czstotliwo Rys. 8. Zmodulowane pasmo czstotliwoci dla waka: a) hartowanego, b) hartowanego i odpuszczanego w temp. 200ºC, c) hartowanego i odpuszczanego w temp. 400ºC [5] Podobnie duy wpyw na ostateczn warto trwaoci zmczeniowej przypisuje si napreniom wasnym.

10 22 Przyjmujc, e procesy technologiczne wywouj zmian waciwoci warstwy wierzchniej i zwizane z tym zmiany waciwoci wytrzymaociowych elementu równie w tym przypadku dokonano próby oceny jakociowych i ilociowych zmian waciwoci na podstawie analizy zmian parametru sygnau wibroakustycznego. Zestawienia wyników zawiera rys. 9. Wyniki przeprowadzonego eksperymentu [4] pokazuj, i wybranie przestrzeni klasyfikacyjnej dla próbek o rónym stanie warstwy wierzchniej nie jest atwe. Badany sygna wibroakustyczny zawiera bowiem w sobie nie tylko informacje o stanie warstwy wierzchniej, ale take, i to zapewne w wikszym stopniu, zaburzenia od niejednorodnoci materiau próbek czy rónic, pozornie tych samych procesów obróbkowych. Jednak stosujc analiz pasmow, uzyskano dostateczn rozrónialno wybranych procesów technologicznych. Zaobserwowane zmiany modulacyjne, skadowych wokó czstoci drga wasnych umoliwiajce okrelenie i klasyfikacj najbardziej kontrastowych, ze wzgldu na naprenia w warstwie wierzchniej, obróbek tj. szlifowania i dogniatania. Zatem, stosujc metody diagnostyki wibroakustycznej moliwa jest detekcja informacji nie tylko o wystpieniu uszkodze powierzchniowych, ale równie wykrycie uszkodze wystpujcych w rdzeniu próbki. Moliwym staje si podjcie próby poznania natury przeduonej trwaoci zmczeniowej, szczególnie okrelenie wpywu czynników, które na obecnym etapie bada naley zaliczy do najbardziej istotnych. 4. PODSUMOWANIE Prowadzenie przyspieszonych testów zmczeniowych na ultrasonicznym stanowisku badawczym z czstotliwoci wymusze z przedziau 0 30 khz, pozwala sprowadzi okres bada do ekonomicznie akceptowalnego czasu (odpowiednio 0 9 cykli mona uzyska w czasie 30 godzin). Moliwym staje si podjcie próby poznania natury przeduonej trwaoci zmczeniowej, szczególnie okrelenie wpywu nastpujcych czynników: zjawiska przeduonego okresu nukleacji; moliwoci wystpienia wyduonego okresu propagacji pknicia; obecnoci resztkowych napre ciskajcych w warstwie wierzchniej i ich wpywu na spowolnione zjawisko propagacji nieduych pkni; zjawiska spowolnionego rozwoju pknicia w obecnoci wodoru w otoczeniu wtrce niemetalicznych; zjawiska umocnienia próbki wywoanego nieregularnym obcieniem podczas przyspieszonych bada stanowiskowych; wpywu wysokoczstotliwociowego wymuszenia i towarzyszcego temu wzrostu temperatury na wiarygodno ultrasonicznych zmczeniowych bada przyspieszonych. Zatem, gównym rezultatem jest opracowanie i budowa odpowiedniego stanowiska do bada gigacyklowych procesów zmczeniowych oraz procedur badawczych uwzgldniajcych, niepodejmowane do tej pory na wiecie próby wykorzystania w prognozowaniu gigacyklowej trwaoci zmczeniowej cech sygnaów wibroakustycznych. 2 seria po eliminacji Rys. 9. Paszczyzna klasyfikacji serii pomiarów [4]

11 23 Przedstawione w pracy rozwaania skoniy Autorów do przedstawienia propozycji stanowiska laboratoryjnego do bada gigacyklowych procesów zmczeniowych. Obliczono wstpne wymiary próbki (HxBxL): 8mm x 5mm x 4mm (moe by równie pyta o gruboci 8 mm i szerokoci 4 mm). Dla zadanego maksymalnego odksztacenia z zakresu 5 40 µm oraz generowanej czstotliwoci 0-20kHz dobrano ukad, który moe by zasilany napiciem 360V. Jest to generator piezoelektryczny PPA40L wspópracujcy z zasilaczem LA75C. LITERATURA []. Bathias C., Paris P.C.: Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice. Marcel Dekker, New York, [2]. Kujawski D.: K eff parameter under reexamination. International Journal of Fatigue, Vol. 25, 2003, str [3]. Marines I., Bin X., Bathias C.: An understanding of very high cycle fatigue of metals. International Journal of fatigue, Vol. 25, 2003, str [4]. Forrester B.D.: Advanced Vibration Analysis Techniques for Fault Detection and Diagnosis in Geared Transmission Systems. PhD Thesis, Swinburne University of Technology, 996. [5]. Radkowski S.: Wibroakustyczna diagnostyka uszkodze niskoenergetycznych, Instytut Technologii Eksploatacji, Warszawa-Radom, [6]. Zawisza M. Wykorzystanie informacji zawartej w sygnale wibroakustycznym do oceny prawdopodobiestwa wystpienia awarii w przekadni zbatej. Rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska, Wydzia SiMR, [7]. Stanz-Tschegg S.E.: Fracture mechanisms and fracture mechanics at ultrasonic frequencies. Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct., Vol. 22, 999, str [8]. Buchinger L., Stanzl S., Laird C.: Dislocation structures in copper single crystals fatigued at low temperature. Philosophical Magazine, Vol. 50 (2), 984, str [9]. Ebara R.: Corrosion fatigue in practical problems, w Nisitani H. (edytor): Comp. And Exp. Fract. Mech. UK, Comp. Mech. Publ., 994, str [0]. Wang Q., Bathias C.: Réalisation d un système de fatigue vibratoire sur tôles minces. Partie I: Conception et mise au point. Contrat Renault-Rapport 96-2, ITMA/CNAM, 996. []. Mason W.P.: Use of high amplitude strains in studying wear and ultrasonic fatigue in metals, w WELL J.M. at all. (edytorzy): Ultrasonic Fatigue, Proc. Of the First International Conference on Fatigue and Corrosion Fatigue up to Ultrasonic Frequencies. The Metallurgical Society of AIME, 982, str [2]. Mayer H.R., Tschegg E.K., Stanzl- Tschegg S.E.: High-cycle fatigue measurements on ceramic materials in combined loading (cyclic torsion and static compression) w Pineau A. (edytor): Proc. Of Fourth International Conference on Biaxial and Multiaxial Fatigue, ESIS, Vol. 2, 994, str [3]. Bathias C.:A survey of the progress of piezoelectric fatigue machines concept. Fatigue, 2002, str [4]. Radkowski S., Szczurowski K., Zduniak A.: Zaleno struktury czstotliwociowej SWA od rodzaju obróbki technologicznej elementu. Materiay IX Francusko-Polskiego Seminarium Naukowego Mechaniki, IPBM, Warszawa 200. dr in. Marcin JASISKI adiunkt w Pracowni Wibroakustyki Instytutu Podstaw Budowy Maszyn Politechniki Warszawskiej. W pracy naukowej zajmuje si diagnostyk wibroakustyczn i modelami empirycznymi. Stanisaw RADKOWSKI profesor w Instytucie Podstaw Budowy Maszyn Politechniki Warszawskiej kierownik zespou naukowego Diagnostyki Technicznej i Analizy Ryzyka. Prezes Polskiego Towarzystwa Diagnostyki Technicznej. W pracy naukowej zajmuje si diagnostyk wibroakustyczn i analiz ryzyka technicznego.