ZM CZENIOWE P KANIE SI OWNIKÓW HYDRAULICZNYCH

Transkrypt

1 DIAGNOTYKA ZM CZENIOWE P KANIE I OWNIKÓW HYDRAULICZNYCH Heronm JAKUBCZAK 1, Jerzy ROJEK 1 Poltechnka Warszawska, Instytut Maszyn Roboczych C kch ul. Narbutta 84, 0-54 Warszawa, fax: , e-mal: hja@smr.pw.edu.pl Instytut Podstawowych Problemów Technk PAN ul. w tokrzyska 1, Warszawa, fax: , e-mal: jrojek@ppt.gov.pl treszczene ownk hydraulczne podlegaj w eksploatacj zmennym obc enom cyklcznym, co jest powodem ch p kana zm czenowego. Ze wzgl du na ogranczone mo lwo c montorowana procesu p kana zm czenowego w s ownkach, musz by one odpowedno odporne na p kane zm czenowe. W artykule przedstawono procedurrognozowana trwa o c zm czenowej przy zastosowanu metody napr e nomnalnych, a nast pne zweryfkowano uzyskane wynk z wynkam bada laboratoryjnych dwóch rodzajów s ownków. owa kluczowe: s ownk hydraulczne, p kane zm czenowe, trwa o. ATIGUE RACURE O HYDRAULIC CYLINDER ummary Hydraulc cylnders undergo n servce varable ampltude cyclc loadng and experence fatgue falure. Due to lmted montorng possblty of fatgue processes, hydraulc cylnders must be desgned aganst fatgue falure. A procedure of fatgue lfe predcton based on nomnal stress approach appled to hydraulc cylnders s presented n the paper. The obtaned results have been compared to those obtaned from fatgue tests carred out on such cylnders n laboratory. Keywords: hydraulc cylnders, fatgue cracks, lfe. 1. WPROWADZENIE ownk hydraulczne znajduj zastosowane w ró norodnych maszynach w eksploatacj podlegaj zmennym obc enom cyklcznym o charakterze losowym. Jest to powodem ch degradacj, przejawaj cej s m.n. w postac p kana zm czenowego, ncjuj cego s w mejscach koncentracj napr e, którym s na ogó z cza spawane. Po czena spawane s stosowane do czena przy czy olejowych, jak równe stopy s ownka z cylndrem, rys. 1. Te z cza spawane s mejscem ncjacj p kn zm czenowych obserwowanych podczas eksploatacj. Proces p kana zm czenowego s ownków hydraulcznych stosowanych w maszynach ne jest zwykle montorowany, a p kn ca s wykrywane dopero, gdy nast puje rozszczelnene s ownka wycek oleju. Z tego wzgl du, a tak e z uwag na ogranczone mo lwo c montorowana procesu zm czenowego w trakce eksploatacj s ownków hydraulcznych, du wagrzyk ada s do w a cwego procesu ch projektowana, zw aszcza w zakrese odporno c na p kane zm czenowe.. OBCI ENIA IOWNIKÓW HYDRAULICZNYCH Rys.1. Z cza spawane w s ownku hydraulcznym Obc ena, jakm s ownk hydraulczne podlegaj w eksploatacj przedstawono schematyczne na Rys. 3. W perwszym przypadku s ownk przenos obc ena cskaj ce, a c nene p obc a stron bezt oczyskow cylndra. Przy tym obc enu wst puj dwa skrajne przypadk, zw zane z po o enem t oka:

2 6 DIAGNOTYKA Dla wszystkch po o e, za wyj tkem skrajnego lewego po o ena t oka, c nene p w s ownku jest równowa one par s zewn trznych 1 : = 1 = pa (1) x = pa o /A c (6) 4. Dla skrajne lewego po o ena t oka s y zewn trzne s co najmnej równe sle 3, czyl: Wynkem oddza ywana c nena na cank cylndra s napr ena obwodowe, z, podczas, gdy napr ena osowe, x, s równe zero. A c A o A p x = 4 A o (7) Napr ene osowe mo e by oblczone z zale no c: x = ( - pa o )/A c (8) a jego warto maksymalna jest os gana gdy c nene w s ownku, p = 0, wówczas: x = /A c (9) Rys.. Obc ene s ownka s am cskaj cym. W lewym skrajnym po o enu t oka s y zewn trzne s najwy ej równe sle 1, czyl: = A () Obok napr e obwodowych w cylndrze powstaj równe napr ena osowe, które mo na oblczy z zale no c: x = (pa - )/A c (3) Maksymalna warto napr e osowych wyst puje w przypadku, gdy s y zewn trzne s równe zero: x = pa/a c (4) Gdy s y zewn trzne obc aj ce s ownk s rozc gaj ce (rys. 3), c nene pojawa so strone t oczyskowej. p Rys.3. Obc ene s ownka s am rozc gaj cym Przy tym obc enu wst puj dwa skrajne przypadk, zw zane z po o enem t oka: 3. Dla wszystkch po o e, za wyj tkem skrajnego lewego po o ena t oka, c nene p w s ownku jest równowa one par s zewn trznych 3 : = 3 = pa o (5) Wynkem oddza ywana c nena na cank cylndra s napr ena obwodowe z, podczas, gdy napr ena osowe x s oblczane z zale no c: Ten przypadek obc ena wymaga szczególnej uwag przy projektowanu mechanzmów nap dowych maszyn z wykorzystanem s ownków hydraulcznych. Nap dzane elementy maszyn roboczych pownny by wyposa one w specjalne zderzak, zapobegaj ce powstawanu nadmernej s y rozc gaj cej w s ownku. 3. WYMIAROWANIE TRWA O CIOWE I OWNIKÓW HYDRAULICZNYCH Proces wymarowana trwa o cowego elementów konstrukcyjnych sk ada s z nast puj cych kroków: Okre lena potencjalnych mejsc ncjacj p kn zm czenowych (karbów), tzw. PO, Wyboru metody prognozowana trwa o c zm czenowej, Okre lena charakterystyk zm czenowych adekwatnych do wybranych karbów, Okre lena napr e stosowne do wymaga wybranej metody oceny trwa o c. Powszechne stosowan metodrognozowana trwa o c zm czenowej elementów konstrukcyjnych jest metoda napr e nomnalnych. Powszechno ta wynka z takch powodów, jak prostota metody, weloletne do wadczene w jej stosowanu oraz ogromna lo nagromadzonych nformacj dotycz cych wykorzystywanej charakterystyk zm czenowej krzywej Wöhlera (-N). Krzywe -N dla matera u rodzmego (bez karbu) mo na wyznaczy ze wzorów przybl onych, w funkcj wytrzyma o c dora nej, R m, lub grancy plastyczno c, R e, matera u. Przyk adowo, dla obc e odzerowo t tn cych (wspó czynnk asymetr cyklu R = 0) dwa charakterystyczne punkty krzywej -N wyznacza s ze wzorów: R 1 = 0.86 R m dla N 1 = 1E+3 cykl (10) R = 0.66 R m dla N = E+6 cykl

3 DIAGNOTYKA W odnesenu do z czy spawanych, krzywe - N s zawarte w welu normach, b d nnych dokumentach przepsach bran owych (d wgowych, kolejowych, morskch). ownk hydraulczne podlegaj norme dotycz cej zbornków c nenowych [1]. Idea metody napr e nomnalnych jest przedstawona na rys. 4. Krzywe -N dla elementów z karbem s zw zane z krzywym matera u rodzmego poprzez wspó czynnk dza ana karbu, K. Jego warto mo na okre l równe ze wspó czynnka koncentracj napr e, K, uwzgl dnaj c wra lwo matera u na dza ane karbu, q: K = 1 + q ( K 1) (11) Warto tego wspó czynnka zale y ne tylko od matera u, ale równe od ostro c karbu, merzonej za pomocromena, r. Im ostrzejszy karb (w kszy gradent napr e ), tym mnejsza jest warto wspó czynnka wra lwo c q (Petersen): q = 1/ (1 +a/r) (1) gdze a jest sta, oblczan wed ug zale no c Petersena: Zakres napr e a = (69/R m ) 1.8 [mm] dla R m [MPa] (13) n 1 max n n3 n p n 4 N N N 0 m const cykle R W Rys.4. Idea metody napr e nomnalnych R WK RW Warto zwróc uwag, e krzywe -N dla elementów z karbem s nachylone pod w kszym k tem (mnejsza warto wyk adnka m) n krzywa matera u rodzmego. Przyjmuje s nawet, e warto R 1 (dla N 1 = 1000 cykl) jest sta a, nezale ne od ostro c karbu, co oznacza ró ne warto c wyk adnka m krzywych -N dla ró nych karbów. W przypadku z czy spawanych przyjmuje s na ogó jedn warto wyk adnka m (3 lub 3.5). Krzywa -N dla s ownków hydraulcznych, podawana w norme [1] jest przedstawona na Rys. 5. Jest ona opsana nast puj cym welko cam: klas, wyra onoprzez warto ogranczonej wytrzyma o c zm czenowej R dla N = E+6 cykl wyk adnkem m=3 krzywej -N, K wyk adnkem m = 5 krzywej -N, dla odcnka przed u onego pon ej grancy zm czena R WK wyznaczonej dla N o = 5E+6 cykl, m = 3 E6 m = 5 5E6 Klasa (R ) 1E8 R WK Rys.5. Krzywa -N dla s ownków hydraulcznych cykle Przed u ene krzywej -N pon ej grancy zm czena wynka z modyfkacj hpotezy kumulacj uszkodze zm czenowych Palmgrena-Mnera. Powy sze krzywe -N dla z czy spawanych s ownków hydraulcznych gnoruj wp yw napr e rednch ze wzgl du na stnene napr e pozostaj cych, powsta ych w procese spawana. 4. WERYIKACJA PROGNOZOWANIA TRWA O CI ZM CZENIOWEJ I OWNIKÓW HYDRAULICZNYCH 4.1 Badana zm czenowe s ownków Pon ej przedstawono prób weryfkacj metody napr e nomnalnych, w zastosowanu do prognozowana trwa o c zm czenowej s ownków hydraulcznych na podstawe krzywych -N zawartych w norme [1]. Wynk prognozowanej trwa o c zostan odnesone do wynków zm czenowych bada s ownków []. Zm czenowe badana laboratoryjne prowadz s zwykle w tak sposób, aby skróc czas bada. Z tego wzgl du obc ena s ownków w tych badanach s w ksze od obc e eksploatacyjnych. Zachodz przy tym koneczno odnesena uzyskanych wynków do trwa o c w rzeczywstych warunkach eksploatacj, co ne jest jednak e przedmotem nnejszego artyku u. W przeprowadzonych badanach usun to elementy uszczelnaj ce t oka, przez co uzyskano jednoczesne obc ane strony t oczyskowej bezt oczyskowej. Wyelmnowano przy tym równe koneczno mocowana s ownka w celu wywo ana s zewn trznych, co umo lw o uproszczene budowy stanowska badawczego. Napr ena osowe w cylndrze oblczane s w tej sytuacj ze wzoru (4). Badana zm czenowe przeprowadzono przy obc enu odzerowo t tn cym (R = 0), przebeg c nena podczas badarzedstawa rys. 6 []

4 64 DIAGNOTYKA 36 C nene P max = 30.8 MPa P mn = 0 Czas Rys. 6 Przebeg c nena w badanach laboratoryjnych Przyk ad p kn ca zm czenowego powsta ego w trakce badarzedstawa rys. 7. Zancjowa o s ono w spone cz cej cylnder ze stop s ownka. Rys.7 Przyk ad p kn ca zm czenowego s ownka w badanach laboratoryjnych [] 4. Wybór potencjalnych mejsc ncjacj p kn w s ownkach Prognozuj c trwa o zm czenow badanych s ownków wybrano 4 potencjalne mejsca ncjacj p kn (PO), zlokalzowane w otoczenu przy czy (PO 1 PO 3 dotycz obu przy czy) oraz w spone cz cej cylnder ze stop s ownka (Rys. 8). to: 1. P kn ce w gran spony pachwnowej przy cza, która jest obc ona c nenem penetruj cym pom dzy przy cze cylnder,. P kn ce w ln wtopu spony pachwnowej przy cza, obc onej napr enam obwodowym w cylndrze. P kn ce to znajduje s w mejscu wskazanym strza k (przesun tym o 90 o ), 1 3 Rys. 8 Mejsca ncjacj p kn zm czenowych 4 3. P kn cem ncjuj cym s na kraw dz otworu w cylndrze na skutek dza ana napr e obwodowych, 4. P kn ce w spone, cz cej cylnder ze stop s ownka na skutek dza ana napr e osowych. 4.3 Parametry charakterystyk zm czenowej Parametry charakterystyk zm czenowej (krzywych -N) dla poszczególnych PO zosta y zestawone w tabel 1. W ostatnej kolumne podano odpowednk krzywych -N w stosowanej norme [1]. Dla PO 4 stnej dwe mo lwo c wyboru charakterystyk zm czenowej, ró n ce s jako c wykonana spony. Mnejsza warto R w tabel 1 odnos s do spony wykonanej z wad w postac braku przetopu. Dla PO (otwór w cylndrze) krzyw -N wyznaczono wykorzystuj c wzory (10-13) na podstawe wytrzyma o c dora nej stal t5 (R m = 600 MPa), z której wykonano badane s ownk. Warto wspó czynnka koncentracj napr e K =.1 ustalono na podstawe wynków numerycznej analzy napr e [3]. Korzystaj c z zale no c Petersena (7) wyznaczono nast pne wspó czynnk dza ana karbu K =.05. Ró n s on neznaczne od K ze wzgl du na stosunkowo du y prome otworu w cylndrze. Warto wyk adnka m = 7.7 krzywej -N dla PO wyznaczono korzystaj c z zale no c podanych wzorem (10). Tab. 1. Parametry krzywych -N dla wybranych PO P Ops R [MPa] R WK [MPa] m Karb [1] O 1 Gra spony pachwnowej Lna wtopu spony pachwnowej 3 Kraw d otworu w cylndrze Gra spony Okre lene napr e dla potencjalnych mejsc ncjacj p kn w s ownkach Napr ena w wybranych PO musz by wyznaczone stosowne do wymaga wybranej metody prognozowana trwa o c. W tym przypadku s to napr ena nomnalne, które b d oblczone jako napr ena w sponach dla PO 1 PO 4 oraz jako napr ena obwodowe w cylndrze dla PO PO 3.

5 DIAGNOTYKA Napr ena nomnalne w sponach PO 1 PO 4 oblczono wed ug uproszczonego modelu, przedstawonego na Rys. 9, z zale no c x A A c R t( R t ) gdze: A powerzchna obc ona c nenem, p, w s ownku A c powerzchna przekroju obc onego napr enem, x R prome wewn trzny (R = D /) t grubo cank przekroju ( t = t w dla PO 1 ) d D t w t D o D Rys. 9 Modele do wyznaczena napr e w sponach (14) Napr ena obwodowe dla PO PO 3 wyznaczono stosuj c wzory na napr ena w cylndrach grubo cennych. W ksza warto napr e wyst puje wewn trz cylndra (PO ): z max o o R R (15) R R a mnejsza na zewn trz cylndra (PO 3 ): gdze z mn o R (16) R R R o prome zewn trzny Tab.. Napr ena nomnalne dla wybranych PO P Ops Napr - ena H-1 [MPa] H- [MPa] O 1 Gra spony osowe pachwnowej Lna wtopu spony pachwnowej 3 Kraw d otworu w cylndrze 4 Gra spony x obw. zmn obw. zmax osowe x Warto c oblczonych napr e dla dwóch badanych s ownków hydraulcznych zameszczono w tabel. ownk te ró n s neznaczne rednc cylndra. 4.5 Trwa o badanych s ownków Dla wybranych PO wyznaczono trwa o zm czenowoprzez odnesene napr e podanych w tabel (zakres) do krzywych -N opsanych parametram zameszczonym w tabel 1. Wynk oblcze zameszczono w tabel 3. Wskazuj one, ze najs abszym mejscem mo e by spona czo owa cz c cylnder ze stop s ownka, o le b dze wykonana w sposób new a cwy, tzn. bez pe nego przetopu. Przy poprawnym wykonanu tej spony, najs abszym mejscem b dze lna wtopu spony pachwnowej przy cza s ownka na odcnku równoleg ym do tworz cej cylndra. Tab. 3. Prognozowana trwa o zm czenowa [cykle] PO Ops H-1 H- 1 Gra spony pachwnowej przy cza Lna wtopu spony pachwnowej przy cza Kraw d otworu w cylndrze Gra spony cylndra Lczby cykl obc e uzyskane w badanach laboratoryjnych s ownków hydraulcznych podano w tabel 4 wraz z nformacj o mejscu ncjacj p kn zm czenowych. W przypadku s ownka H-1 prognoza trwa o c zm czenowej jest bardzo dobra zarówno w odnesenu do lczby cykl, jak te mejsca ncjacj p kn ca. W tym przypadku za o ene konserwatywne odno ne nskej jako c wykonana spony okaza o soprawne. Tab. 4. Eksperymentalna trwa o zm czenowa [cykle] PO Ops H-1 H- 3 Kraw d otworu w cylndrze 4 Gra spony cylndra W przypadku s ownka H- za o ene konserwatywne odno ne nskej jako c wykonana spony okaza o s nepoprawne. Warto jednak podkre l, e trwa o rognozowana przy za o enu dobrej jako c wykonana spony

6 66 DIAGNOTYKA 36 do dobrze zgadza s z wynkam bada laboratoryjnych. Nale y równe zauwa y, ze trwa o prognozowana dla PO 3 (otwór w cylndrze) odbega bardzo stotne od wynków do wadczalnych. Mo e to oznacza tylko tyle, e parametry krzywej -N dla otworu, wyznaczone za pomoc zale no c przybl onych ne odpowadaj rzeczywstej charakterystyce zm czenowej dla tego karbu. Mo e to by spowodowane wp ywem stanu powerzchn na kraw dz otworu, w stotny sposób obn aj cym wytrzyma o zm czenow matera u rodzmego. Nale y tu równe zwróc uwag, e wed ug przeprowadzonej prognozy trwa o c drugm najs abszym mejscem badanych s ownków jest lna wtopu spony pachwnowej (PO ). Tymczasem w trakce bada ne zanotowano adnego przypadku p kn ca w tym mejscu. Ta sytuacja mo e byowodem nedoskona o c dobranej charakterystyk zm czenowej z normy [1]. Jak zaznaczono w opse tego PO, znajduje s ono na powerzchn zakrzywonej (okr g), podczas gdy dane w norme [1] dotyczróbk prostej, a zatem ne odpowadaj dok adne takej sytuacj. W przypadku analzowanego PO karb jest znaczne agodnejszy ze wzgl du na krzywzn powerzchn cylndra, co przek ada s na znaczne w ksz trwa o zm czenow tego mejsca w stosunku do trwa o c prognozowanej. 5. PODUMOWANIE prognozowana trwa o c s ownków hydraulcznych. Innym problemem jest rozrzut danych, który w tym przypadku dotyczy z jednej strony stosowanej charakterystyk zm czenowej, z drugej za geometr s ownków, zw aszcza lokalnej geometr z czy spawanych. Uwzgl dnane tego rozrzutu danych przy wymarowanu trwa o cowym w procese projektowana jest nezb dne dla zapewnena odpowednego pozomu bezpecze stwa u ytkowanych s ownków hydraulcznych oraz maszyn, w których je zastosowano. LITERATURA [1] EN : 00. Unfred pressure vessels. Desgn. [] PW6, Task T-6.: ummary of statc fatgue tests, by Pedro Rocket.A., January 005 [3] WP Task T-.1 atgue analyss concept. atgue calculatons and ol ports desgn recommendatons, by ITR, May 005 PODZI KOWANIE Praca by a wykonana w ramach projektu PROHIPP fnansowanego przez Komsj Europejsk (NMP - CT ). Przedstawona procedura post powana przy prognozowanu trwa o c zm czenowej s ownków hydraulcznych wskazuje, e mmo prostoty wybranej metody oraz dost pno c charakterystyk zm czenowych, uzyskwane wynk ne zawsze s zgodne z eksperymentem. Warto podkre l, e w tym przypadku obc ena s ownków by y bardzo dok adne okre lone, podczas gdy obc ena eksploatacyjne s o wele bardzej z o one ze wzgl du na losowy charakter ch zmenno c w czase. Wydaje s, e g ówna przyczyna rozbe no c trwa o c prognozowanej w stosunku do wynków eksperymentu tkw w adekwatno c przyj tych charakterystyk zm czenowych do modelowana zjawska p kana zm czenowego w wybranych potencjalnych mejscach elementu konstrukcyjnego. Charakterystyk zawarte w normach, mmo do du ej lczby przypadków, nadal ne zawsze dok adne pasuj do rzeczywstego kszta tu obc ena analzowanego obszaru elementu konstrukcyjnego. Z tego wzgl du stosowane metod, umo lwaj cych dok adnejsze uwzgl dnene obc ena, geometr jako c wykonana z czy spawanych, w tym metod opartych na charakterystyce nskocyklowej matera u, b d te na mechance p kana mo e prowadz do poprawy