ANALIZA PRZYCZYN POWSTAWANIA PÊKNIÊÆ ZMÊCZENIOWYCH W KONSTRUKCJI BÊBNA PÊDNEGO MASZYNY WYCI GOWEJ

Transkrypt

1 Andrzej MECHANICS CICHOCIÑSKI, Bogus³aw ADECKI ANALIZA Vol. 24 No. PRZYCZYN POWSTAWANIA PÊKNIÊÆ ZMÊCZENIOWYCH... Andrzej CICHOCIÑSKI *, Bogus³aw ADECKI * ANALIZA PRZYCZYN POWSTAWANIA PÊKNIÊÆ ZMÊCZENIOWYCH W KONSTRUKCJI BÊBNA PÊDNEGO MASZYNY WYCI GOWEJ STRESZCZENIE W chwili obecnej eksploatowana jest jeszcze pewna iloœæ 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 zmêczeniowym. W celu wyjaœnienia przyczyn zaistnia³ej sytuacji, autorzy wykonali analizê wytrzyma³oœciow¹ z wykorzystaniem metody elementów skoñczonych (MES), której wyniki zosta³y zweryfikowane przez przeprowadzenie odpowiednich pomiarów tensometrycznych. Wykonane badania i analizy wykaza³y, e bezpoœredni¹ przyczyn¹ powstawania pêkniêæ zmêczeniowych w bêbnach jest nadmierne przesztywnienie konstrukcji przeponami ³¹cz¹cymi tarcze boczne bêbna. Na tej podstawie opracowano wytyczne odnoœnie modernizacji bêbnów pêdnych omawianych urz¹dzeñ wyci¹gowych. S³owa kluczowe: wytrzyma³oœæ, 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 rigid 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 hoisting machines. Keywords: strenght, fatigue, NDT testing, FEM, hoisting machine 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 bêbnach liczne pêkniêcia o charakterze zmêczeniowym. Rys. 1. Schemat bêbna pêdnego: 1 p³aszcz bêbna, 2 tarcza boczna, 3 piasta, 4 ebro obwodowe, 5 przepona U * Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydzia³ In ynierii Mechanicznej i Robotyki; boglad@uci.agh.edu.pl 166

2 MECHANICS Vol. 24 No Wykonywane okresowo naprawy wykrywanych uszkodzeñ nie eliminuj¹ ponownego powstawania pêkniêæ w tych samych obszarach konstrukcji, a szybkie tempo rozwoju uszkodzeñ zmêczeniowych oraz wynikaj¹ca st¹d koniecznoœæ przeprowadzania czêstych napraw istotnie wp³ywa na ograniczenie bezpieczeñstwa eksploatacji i wydajnoœci tych urz¹dzeñ [3]. Sta³o siê to podstaw¹ do podjêcia badañ i analiz maj¹cych na celu wyjaœnienie przyczyn powstawania uszkodzeñ bêbnów oraz zaproponowanie takich zmian w ich konstrukcji, które wyeliminowa³yby przyczyny powstawania pêkniêæ. Cel ten zrealizowano przez wykonanie stosownej analizy wytrzyma³oœciowej bêbna pêdnego, zweryfikowanej pomiarami tensometrycznymi. W czasie opracowania modeli obliczeniowych i przygotowania pomiarów tensometrycznych wykorzystywano wyniki badañ defektoskopowych kilku bêbnów eksploatowanych zarówno w przedzia³ach klatkowych, jak i skipowych. Wykonane badania defektoskopowe przy wykorzystaniu metody magnetyczno-proszkowej pozwoli³y na ustalenie miejsc inicjacji i kierunków rozwoju pêkniêæ zmêczeniowych [1]. Przeprowadzone badania wykaza³y wystêpowanie licznych pêkniêæ o charakterze zmêczeniowym, zlokalizowanych g³ównie w z³¹czach spawanych w obszarze piast, w miejscu ³¹czenia po³ówek bêbnów oraz w tarczach bocznych i przeponach. Typowe wykryte pêkniêcia zilustrowano na rysunku ANALIZA WYTRZYMA OŒCIOWA Analizê wytrzyma³oœciow¹ bêbnów pêdnych wykonano metod¹ elementów skoñczonych (MES), przy wykorzystaniu programów komputerowych FEMAP i NE/Nastran, opieraj¹c siê na opracowanym podstawowym numerycznym modelu obliczeniowym konstrukcji bêbna pêdnego MP. Przedstawiony na rysunku 3 model obliczeniowy obejmuje po³owê bêbna pêdnego wraz z przynale n¹ mu czêœci¹ wa³u. Model ten, z³o ony z odpowiednich elementów typu p³ytowego i bry³owego, odwzorowuje w pe³ni geometriê analizowanej konstrukcji. Obci¹ enie modelu stanowi³y si³y pochodz¹ce od oddzia³ywania lin (tab. 1), jak równie ciê ar odpowiedniej czêœci konstrukcji. Obci¹ enie pochodz¹ce od si³ w linach zosta³o odpowiednio roz³o one wzd³u linii styku lin z p³aszczem bêbna. Tak przygotowany numeryczny model obliczeniowy pos³u y³ do przeprowadzenia analizy wytrzyma³oœciowej omawianych bêbnów. W efekcie wykonanych symulacji komputerowych uzyskano kompletne informacje o stanie odkszta³ceñ i naprê eñ. W dalszej czêœci artyku³u przedstawiono i omówiono wybrane wyniki obliczeñ uzyskane dla bêbna urz¹dzenia skipowego, obci¹ onego maksymaln¹ sumaryczn¹ si³¹ w linach (patrz tab. 1). a) b) Rys. 2. Pêkniêcia zmêczeniowe w obszarze tarcz bocznych: a) pêkniêcie obwodowe o d³ugoœci 185 mm oraz promieniowe o d³ugoœci 45 mm; b) pêkniêcie o d³ugoœci 195 mm w obszarze po³¹czenia przepony U z tarcz¹ boczn¹ i piast¹ 167

3 Andrzej CICHOCIÑSKI, Bogus³aw ADECKI ANALIZA PRZYCZYN POWSTAWANIA PÊKNIÊÆ ZMÊCZENIOWYCH... Rys. 3. Podstawowy model obliczeniowy bêbna pêdnego MP Tabela 1 Zestawienie obci¹ eñ bêbnów Bêben przedzia³u Si³a w linach, kn Maksymalna wartoœæ ΣS 1 ΣS 2 Si³a sumaryczna P y, kn Moment M s, kn m Skipowego Klatkowego 529,5 441,1 Si³y 970,6 150,3 344,0 446,3 Momentu 790,3 174,0 444,3 341,2 Si³y 785,5 175,3 408,3 296,2 Momentu 704,5 190,6 Wybrane wyniki przeprowadzonych obliczeñ komputerowych przedstawiono w formie planów warstwicowych, obrazuj¹cych rozk³ady wartoœci przemieszczeñ lub naprê- eñ w poszczególnych obszarach modelu bêbna. Na rysunku 4 przedstawiono widok ogólny rozk³adu wartoœci naprê- eñ zredukowanych σ H w przeponach i tarczy bocznej, wyliczonych wg hipotezy Hubera von Misesa. Natomiast na rysunku 5 zaprezentowano wartoœci przemieszczenia tarczy bocznej w kierunku równoleg³ym do osi wa³u. Wykonane symulacje komputerowe wykaza³y, e decyduj¹cy wp³yw na poziom naprê eñ w bêbnach ma nie tyle wartoœæ sumarycznej si³y w linach, ile ugiêcie wa³u maszyny wyci¹gowej wywo³ane przez to obci¹ enie. Obliczenia te wykaza³y jednoczeœnie, e naprê enia o ekstremalnych wartoœciach powstaj¹ w obszarach, dla których stwierdzono powstawanie i rozwój pêkniêæ zmêczeniowych. Wykonana analiza wyników obliczeñ MES wskazuje, e sk³adowe stanu naprê enia dla przepon zmieniaj¹ swoje wartoœci okresowo, wraz ze zmian¹ ich po³o enia wywo³anego ruchem obrotowym bêbna. Wartoœci ekstremalne naprê eñ g³ównych (σ 1 i σ 2 ) osi¹gniête zostaj¹ w przypadku, gdy przepona zajmuje po³o enie równolegle do wypadkowej si³ w linach noœnych, to znaczy gdy le y ona w p³aszczyÿnie maksymalnego ugiêcia wa³u. Dalsza szczegó³owa analiza wyników przeprowadzonych obliczeñ MES wykaza³a, e naprê enia o ekstremalnych wartoœciach dla ca³ego bêbna zlokalizowane s¹ w przeponach w miejscu ich po³¹czenia z piast¹ wa³u (rys. 4), a wiêc tam, gdzie najczêœciej obserwowane by³o wystêpowanie pêkniêæ zmêczeniowych. Celem okreœlenia wp³ywu d³ugoœci i geometrii rozwijaj¹cego siê w obszarze przepony pêkniêcia na wartoœæ naprê eñ powstaj¹cych w bêbnie, na podstawie zidentyfikowanego dla tego obszaru konstrukcji mechanizmu rozwoju pêkniêæ, przeprowadzono rozszerzon¹ analizê MES uwzglêdniaj¹c¹ sukcesywny przyrost d³ugoœci pêkniêcia, co zilustrowano na rysunku 6. Poszczególne modele obliczeniowe (M) odpowiada³y kolejnym etapom wzrostu d³ugoœci pêkniêcia: MA linia A-B, MB linia A-B-C-D, MC linia A-B-C-E. W tabelach 2 i 3 zestawiono ekstremalne wartoœci naprê- eñ g³ównych σ 1, σ 2 i naprê eñ zredukowanych σ H w przeponach i tarczy bocznej dla wszystkich analizowanych modeli. 168

4 MECHANICS Vol. 24 No Rys. 4. Rozk³ad wartoœci naprê eñ zredukowanych σ H, MPa w przeponach i tarczy Rys. 5. Rozk³ad wartoœci przemieszczeñ tarczy v x, mm przepona piasta A B C D E tarcza Rys. 6. Schemat rozwoju pêkniêcia 169

5 Andrzej CICHOCIÑSKI, Bogus³aw ADECKI ANALIZA PRZYCZYN POWSTAWANIA PÊKNIÊÆ ZMÊCZENIOWYCH... Model obliczeniowy Tabela 2 Zestawienie ekstremalnych wartoœci naprê eñ w przeponie Po³o enie przepony powy ej wa³u poni ej wa³u Wartoœci naprê eñ, MPa σ H σ 1 σ 2 σ H σ 1 σ 2 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 Model obliczeniowy Tabela 3 Zestawienie ekstremalnych wartoœci naprê eñ w tarczy W tarczy powy ej wa³u Wartoœci naprê eñ, MPa poni ej wa³u σ H σ 1 σ 2 σ H σ 1 σ 2 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 Analiza wykonanych obliczeñ MES wskazuje, e rozwój pêkniêcia wzd³u linii A-B (model MA) nie ma praktycznie wp³ywu na stan naprê eñ i odkszta³ceñ w tarczy. Je eli jednak pêkniêcie rozwinie siê do punktu D lub E, czyli dojdzie do tarczy bocznej, dalszy jego rozwój nastêpowaæ bêdzie w tarczy, wywo³uj¹c uszkodzenia zilustrowane na rysunku 2a. Przedstawione powy ej wyniki obliczeñ wskazuj¹, e bezpoœredni¹ przyczyn¹ powstawania i rozwoju pêkniêæ jest znaczne przesztywnienie konstrukcji bêbna przez przepony. Przepony lokalnie ograniczaj¹ odkszta³cenia tarcz bocznych wywo³ywane ugiêciem wa³u, co powoduje cykliczne, zgodne z obrotami bêbna pêdnego naprzemienne œciskanie i rozci¹ganie mimoœrodowe przepon. W konsekwencji wywo³uje to, w najbardziej wytê onych obszarach przepon i tarcz bocznych bêbnów, powstawanie pêkniêæ o charakterze zmêczeniowym. Fakt ten potwierdzaj¹ wyniki obliczeñ i pomiarów tensometrycznych przedstawione na rysunku 7 i zebrane w tabeli 4. Uzyskane rezultaty obliczeñ wskazuj¹ na to, e usuniêcie œrodkowej czêœci przepon wraz z ³¹cz¹cym je pierœcieniem mo e mieæ korzystny wp³yw na stan naprê- eñ w miejscu ich po³¹czenia z tarczami. Dlatego te przygotowano dodatkowy model obliczeniowy MK, ró - ni¹cy siê od wczeœniejszych modeli tym, e usuniêto w nim poziom¹ czêœæ przepon, pozostawiaj¹c tylko ich pionowe fragmenty po³¹czone z tarczami bocznymi. Rozk³ad naprê eñ zredukowanych w przeponach i tarczy bocznej uzyskany dla tego modelu przedstawiono na rysunku 8. Usuniêcie œrodkowej czêœci przepon w istotny sposób, jak na to wskazuj¹ zestawione w tabelach 2 i 3 wyniki obliczeñ, obni a poziom naprê eñ w obszarach powstawania pêkniêæ. Nie powoduje natomiast istotnej zmiany w wartoœci i rozk³adzie naprê eñ w tarczach bocznych i p³aszczu bêbna. Nale y tu zaznaczyæ, e usuniêcie œrodkowej czêœci przepon nie spowodowa³o istotnej zmiany ugiêcia wa³u pêdnego. Na podstawie informacji podanych w [2] dotycz¹cych wytrzyma³oœci zmêczeniowej z³¹czy spawanych klasy D wykonanych ze stali gatunku St3S mo na przyj¹æ, e wytrzyma³oœæ ta dla spoiny doczo³owej rozci¹ganej wynosi R w = 45 MPa, natomiast dla spoiny pachwinowej œcinanej R w = 27 MPa. W tej sytuacji wyliczone wartoœci naprê eñ wskazuj¹, e przyczyn¹ powstawania i rozwoju pêkniêæ zmêczeniowych w bêbnie jest przekroczenie wartoœci wytrzyma³oœci zmêczeniowej z³¹czy spawanych. 170

6 MECHANICS Vol. 24 No Rys. 7. Zmiany wartoœci odkszta³ceñ w punktach pomiarowych w czasie jednego cyklu pracy maszyny wyci¹gowej Numer czujnika pomiarowego Tabela 4 Zestawienie wyników pomiarów i obliczeñ Wartoœci naprê eñ [MPa] uzyskane na podstawie Pomiarów obliczeñ σ p σ H σ 1 σ 2 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 Rys. 8. Rozk³ad wartoœci naprê eñ zredukowanych σ H, MPa w przeponach i tarczy modelu MK 171

7 Andrzej CICHOCIÑSKI, Bogus³aw ADECKI ANALIZA PRZYCZYN POWSTAWANIA PÊKNIÊÆ ZMÊCZENIOWYCH UWAGI KOÑCOWE Wyniki przeprowadzonych symulacji komputerowych i pomiarów tensometrycznych wskazuj¹ jednoznacznie, e bezpoœredni¹ przyczyn¹ powoduj¹c¹ powstawanie pêkniêæ zmêczeniowych bêbnów jest nadmierne przesztywnienie konstrukcji poprzez zastosowanie przepon ³¹cz¹cych tarcze boczne bêbna. Przeprowadzone obliczenia dla modelu z usuniêtymi œrodkowymi czêœciami przepon wykaza³y, e mo liwe jest znaczne zmniejszenie wartoœci naprê eñ w obszarach powstawania pêkniêæ, a tym samym istotne podniesienie trwa³oœci zmêczeniowej ca³ego bêbna. Wyniki przeprowadzonych analiz sta³y siê podstaw¹ do opracowania dokumentacji technicznej umo liwiaj¹cej modernizacjê bêbnów pêdnych omawianych urz¹dzeñ wyci¹gowych. Literatura [1] adecki B., Cichociñski A.: Analiza przyczyn powstawania uszkodzeñ bêbnów pêdnych maszyn wyci¹gowych typu 4L 3400/2400 wraz z opracowaniem dokumentacji ich naprawy. Praca nr Kraków, Wydzia³ In ynierii Mechanicznej i Robotyki AGH 2002 [2] Warunki techniczne projektowania, wykonania i odbioru z³¹czy spawanych w obiektach, urz¹dzeniach i maszynach górniczych. Katowice, Biuro Studiów i Projektów Górniczych 1982 [3] Za³¹cznik nr 17 do Rozporz¹dzenia Ministra Przemys³u i Handlu... Tom IV (szybowy): Wymagania w zakresie budowy i obs³ugi górniczych wyci¹gów szybowych. Katowice, Wyd. KADRA