WALCZAKI OBROTOWE
W wielu przypadkach, elementem niezbędnym
do przeprowadzenia szczegółowej diagnostyki obiektu typu walczak obrotowy są obliczenia wytrzymałościowe jego komponentów. Pozwalają one bowiem jednoznacznie rozróżnić, czy ewentualne awarie obiektu związane są z nieprawidłowymi warunkami jego eksploatacji, czy z błędami wykonania danego detalu, czy też wynikają z błędów konstrukcyjnych spowodowanych niewłaściwą oceną obciążenia.
W ramach diagnostyki walczaków obrotowych, dla obiektów uznanych za wiotkie, rutynowo przeprowadzane są analizy stanu naprężenia płaszcza. Wykonywane są one metodą OEM (odkształcalnych elementów skończonych), najczęściej w sposób uproszczony, w oparciu o model belkowy, zgodnie z założeniem, że na stan naprężenia decydujący wpływ mają naprężenia normalne, wywołane momentem gnącym.
Stan odkształcenia powłoki jest określony wartością strzałki ugięcia jej osi. Parametr ten jest niezbędny
do wyznaczenia właściwych pozycji rolek nośnych. Ponadto, w niektórych przypadkach, w ramach analizy danych z inspekcji i jako element opracowywania wytycznych, wyliczane są dodatkowo (przy zastosowaniu ogólnie dostępnych formuł analitycznych): naprężenia w wałach rolek nośnych i bieżniach pierścieni biegowych, jak również naprężenia powierzchniowe w strefie kontaktu pierścieni z rolkami nośnymi.
Dla większości zastosowań takie uproszczone obliczenia okazują się całkowicie wystarczające.
Ujęcie to nie jest jednak w pełni satysfakcjonujące tam, gdzie mamy do czynienia z wytrzymałością złożoną, a uproszczenia zastosowane w klasycznych metodach fakt ten pomijają.
Do czynników, wpływających na wierność odwzorowania rzeczywistych warunków obciążenia w modelu matematycznym, zaliczyć można:
- zjawisko karbu, czyli wpływ lokalnych i gwałtownych zmian kształtu detalu na koncentrację naprężeń w obrębie tych zmian; wpływ ten w modelu belkowym lub w klasycznych metodach analitycznych nie jest ujmowany lub uwzględniany jest poprzez współczynniki, których wartości są określone jedynie na drodze doświadczalnej;
- efekt sposobu podparcia / zamocowania detalu, które w rzeczywistości ma charakter powierzchniowy, a nie punktowy jak to jest przyjmowane w metodzie analitycznej lub numerycznej analizie opartej na modelu liniowym;
- wpływ rozkładu obciążenia, gdzie w metodach uproszczonych obciążenie najczęściej zastępuje się siłą lub momentem skupionym przyłożonymi w jednym lub w kilku punktach modelu;
- kontakt pomiędzy detalami; w obliczeniach wytrzymałościowych posługujemy się modelem obciążenia średniego bez uwzględniania efektów lokalnych a dopuszczalny nacisk powierzchniowy, uwzględniany w modelu liniowym nie jest tym samym co naprężenie w strefie kontaktu, wyliczane w oparciu o trójwymiarowy model nieliniowy.
Wyszczególnione powyżej aspekty ujmowane są
w metodzie elementów skończonych wykorzystującej wielowęzłowe przestrzenne elementy trójwymiarowe (tzw. 3D MES).
Metoda ta, dostępna w formie rozbudowanego oprogramowania inżynierskiego, zapewnia możliwość bardzo szczegółowego określenia dystrybucji naprężeń w każdym z elementów walczaka. Umożliwia również wyznaczenie deformacji / odkształcenia
/ przemieszczenia w dowolnym przekroju danego detalu oraz jego wpływ na obciążenie innych detali.
Kluczem do uzyskania prawidłowych wyników jest odpowiednia identyfikacja modelu oraz wierne odwzorowanie go w postaci trójwymiarowej bryły,
na której powierzchnie należy nałożyć trafnie zidentyfikowane co do wartości i kierunku obciążenia (w tym termiczne), a samą bryłę poprawnie „zakotwiczyć”
w przestrzeni poprzez nadanie jej ograniczeń ruchu (przez tzw. odebranie jej stopni swobody).
Nie jest to praca prosta. Wymaga wielu lat systematycznie zdobywanego doświadczenia, w tym właściwego doboru oraz dogłębnego zrozumienia istoty metody numerycznej.
Możemy z dumą wskazać, że inżynierowie ZMP dysponują zarówno odpowiednim spektrum oprogramowania (korzystamy głównie z produktów firmy Autodesk), jak i niezbędnym wieloletnim doświadczeniem nabytym przy realizacji tego typu prac.
Obliczenia wytrzymałościowe realizujemy od pierwszych lat istnienia firmy.
Zastosowanie
- wyznaczenie naprężeń oraz odkształceń, w tym przyrównanie uzyskanych wyników do wartości dopuszczalnych dla zastosowanych materiałów, zarówno z punktu widzenia wytrzymałości doraźnej, jak i zmęczeniowej, w odniesieniu do:
- płaszcza walczaka, z ukierunkowaniem na miejsca
newralgiczne w postaci okolic włazów,
miejsc podparć, obszarów podpierścieniowych,
etc.,
- układu nośnego (pierścieni biegowych i rolek
nośnych, czopów, panewek),
- dennic i czopów
(dotyczy głównie młynów kulowych),
- elementów sekcji napędowej (wieniec / zębnik
przekładni otwartej),
- sprzęgieł, łożysk i innych elementów przenoszenia
napędu;
- wyznaczenie i analiza naprężeń kontaktowych (głównie w odniesieniu do obszaru styku rolki nośnej z pierścieniem biegowym lub zębów przekładni otwartej),
- zaproponowanie zmian konstrukcyjnych i/lub materiałowych celem dopasowania się z naprężeniami do limitów wynikających z naprężeń dopuszczalnych dla zastosowanych lub nowo zaproponowanych materiałów;
- obliczenia weryfikacyjne, celem potwierdzenia skuteczności zaproponowanych lub już zaimplementowanych zmian;
- analiza wpływu pasowań w połączeniach detali (dotyczy złożeń typu wał – bieżnia rolki nośnej, płaszcz
– pierścień biegowy);
- na podstawie powyższego, dobór znormalizowanych części maszyn (np. sprzęgieł, łożysk, silników, reduktorów).
Powyższe usługi oferujemy zarówno w odniesieniu do obiektów nowych lub projektowanych (jako weryfikacyjne), jak i do obiektów już istniejących (pod kątem określenia stopnia wykorzystania ich limitów wytrzymałości oraz celem zaproponowania ulepszeń modernizacyjnych).
INNE OBIEKTY TECHNICZNE
Bazując na wieloletnich doświadczeniach z przeprowadzonych analiz wytrzymałościowych walczaków obrotowych, inżynierowie ZMP, podejmują się również analogicznych analiz w odniesieniu do innych obiektów technicznych.
Oprócz analiz wytrzymałościowych o charakterze czysto statycznym lub quasi statycznym wykonujemy również obliczenia dynamiczne, w których uwzględniana jest chwilowa zmienność obciążeń. Ma
to istotne znaczenie w przypadku diagnozowania stanu maszyn wirnikowych, maszyn z wirującymi elementami konstrukcyjnymi, lub maszyn o udarowym charakterze pracy (przesiewacze, separatory wibracyjne itp.).
Drgania maszyn są z reguły zjawiskiem niekorzystnym, powodującym zmniejszenie żywotności elementów konstrukcyjnych w wyniku występowania obciążeń udarowych i/lub zmęczeniowych. Elementy maszyny lub konstrukcji poddanej obciążeniom statycznym mogą wykazywać wytrzymałość teoretycznie nieograniczoną. Tymczasem obciążenie zmienne,
o amplitudzie odpowiadającej wartości obciążenia statycznego i wysoko cyklowym charakterze zmian, spowoduje uszkodzenie elementu w skończonym czasie.
Aby prawidłowo określić przyczynę i charakter wzbudzenia wykonujemy analizy modalne oraz analizy typu ODS (Operating Deflection Shape). Badania te wspomagane są analizami dynamicznymi, dzięki czemu możliwe jest określenie zarówno częstości drgań własnych, jak też postaci tych drgań. Wyznaczenie naprężeń dynamicznych w maszynach o udarowym charakterze pracy, a także drgających rurociągach jest zadaniem niezwykle trudnym, ale możliwym przy odpowiednim zapleczu i doświadczeniu.
Zastosowanie analizy numerycznej pozwala ominąć ograniczenia pomiarowe występujące przy badaniu obiektów rzeczywistych.
Przykładowo, parametry drgań wybranych przekrojów rurociągu można zmierzyć bezstykowo (wibrometrem laserowym) nawet, gdy miejsca te nie są łatwo dostępne. Określenie naprężeń występujących w tych przekrojach w warunkach przemysłowych jest jednak znacząco trudniejsze. Można je natomiast wyznaczyć przy wykorzystaniu analizy numerycznej – wykonanej właśnie na podstawie pomiaru drgań.
W przypadku braku dokumentacji technicznej
obiektu, lub w przypadku niepewności, co do jej wiarygodności, nieodzownym elementem poprzedzającym wykonanie obliczeń wytrzymałościowych,
jest opracowanie trójwymiarowego modelu bryłowego. W tym zakresie wykorzystujemy laserowy skaning
3D (patrz odrębne materiały reklamowe).