Analisi delle cause delle cricche nella saldatura tra l'anima del tamburo della gru e l'albero

Questa analisi delle cricche di saldatura del tamburo di una gru esamina un caso in cui una gru in servizio da lungo tempo ha sviluppato delle cricche nella saldatura tra la piastra dell'anima del tamburo e l'albero del tamburo. Sebbene il danno visibile sembri essere un problema di fatica del metallo localizzata, le cause sottostanti potrebbero riguardare la progettazione strutturale, la procedura di saldatura, le condizioni del materiale, il trasferimento delle sollecitazioni, la qualità di fabbricazione e assemblaggio e le condizioni operative.

1. Relazione tra il tamburo della gru, la piastra dell'anima, il mozzo e l'albero

Nelle attrezzature di sollevamento, il tamburo è un componente chiave della trasmissione, utilizzato per avvolgere la fune metallica e sollevare o trainare il carico. Il corpo del tamburo sostiene la fune metallica, mentre delle piastre di collegamento sono solitamente disposte alle due estremità del corpo per connetterlo al mozzo o all'albero.

In una struttura comune, il mozzo è saldato al centro della piastra dell'anima. Il mozzo è quindi collegato all'albero del tamburo tramite una chiavetta, e l'albero è supportato da cuscinetti. In questo caso, la piastra dell'anima è saldata direttamente all'albero del tamburo, e l'albero del tamburo è un albero lungo.

La piastra di collegamento non è quindi solo una piastra di raccordo. Trasmette anche coppia e forza radiale tra il guscio del tamburo e l'albero del tamburo. Le fonti generali sui guasti dei tamburi spesso citano le cricche da fatica come causa di sostituzione; questo caso analizza più specificamente i motivi per cui le cricche possono iniziare in corrispondenza della saldatura tra la piastra di collegamento e l'albero.

2. Perché la crepa appare vicino al lato dell'albero del tamburo?

Dal punto di vista meccanico, la piastra dell'anima del tamburo è una piastra sottile soggetta a torsione, flessione, tensione-compressione e taglio nel piano. In prossimità dell'albero del tamburo, possono verificarsi contemporaneamente diverse condizioni sfavorevoli: un brusco cambio di sezione, l'influenza della saldatura e il carico ciclico.

2.1 Concentrazione delle sollecitazioni dovuta a un improvviso cambiamento di sezione

Nella zona prossima all'albero del tamburo, la struttura passa da un albero relativamente spesso a una piastra d'anima più sottile. Per il posizionamento assiale e la saldatura, spesso viene predisposta una spalla dell'albero in corrispondenza della piastra d'anima. Se il raggio di transizione è troppo piccolo o la transizione non è graduale, possono verificarsi concentrazioni di sollecitazioni.

Difetti di saldatura come sottosquadri e penetrazione incompleta possono anch'essi diventare fonti di innesco di cricche.

2.2 Sollecitazioni cicliche e carichi d'impatto

Quando il tamburo è in funzione, la forza di trazione generata dall'avvolgimento della fune metallica viene trasferita attraverso il guscio del tamburo alla piastra dell'anima e quindi all'albero del tamburo. Ogni azione di avvolgimento e sollevamento applica un carico ripetuto a quest'area, che può agire come fatica a basso numero di cicli combinata con carico d'impatto localizzato.

2.3 Tensioni residue di saldatura

Quando la piastra dell'anima e l'albero del tamburo vengono saldati insieme, la zona di saldatura è soggetta ad alte temperature locali e a contrazione da raffreddamento. Se la struttura saldata non viene completamente ricotta o distensione dopo la saldatura, permangono tensioni residue di trazione attorno alla saldatura. Quando queste tensioni residue di trazione si sovrappongono al carico di esercizio, aumenta la probabilità di innesco di cricche.

3. Processo di sviluppo della fessura della piastra Web

Lo sviluppo della fessura può essere osservato in tre fasi.

La prima fase è l'innesco. Alla radice della saldatura o nel raggio di transizione, i difetti microscopici possono diventare fonti di cricche sotto l'azione combinata delle tensioni residue di saldatura e delle tensioni di lavoro.

La seconda fase è la propagazione. Durante ogni operazione di sollevamento, il carico segue lo stesso percorso di trasferimento e la sollecitazione di picco si ripete. La cricca si propaga gradualmente lungo il bordo del grano del materiale. La superficie di frattura può presentare caratteristiche radiali o a guscio.

La terza fase è la frattura. Quando la sezione residua effettiva non è più sufficiente a sopportare il carico, può verificarsi una frattura fragile improvvisa, eventualmente accompagnata da lacerazione della piastra dell'anima o separazione dall'albero del tamburo.

4. Cause comuni di fessurazione della saldatura tra l'anima del tamburo della gru e l'albero

4.1 Fattori di progettazione strutturale

Se la transizione tra la piastra dell'anima e l'albero del mozzo o del tamburo non presenta un raggio adeguato, le sollecitazioni possono variare bruscamente. Se lo spessore della piastra dell'anima è insufficiente, anche il margine di resistenza a fatica potrebbe risultare inadeguato. Una posizione di saldatura scelta in modo errato può ulteriormente aumentare il rischio, soprattutto se la saldatura si trova in una zona ad alta sollecitazione anziché in un'area a bassa sollecitazione.

4.2 Fattori di qualità della saldatura

I difetti di saldatura più comuni includono penetrazione incompleta, inclusioni di scorie, porosità, sottosquadri e cicatrici di saldatura. Se dopo la saldatura non vengono eseguiti controlli non distruttivi come controlli a ultrasuoni o radiografici, i difetti nascosti possono persistere nella struttura per lungo tempo.

Parametri di saldatura non ottimizzati e un'insufficiente distensione post-saldatura possono inoltre aumentare il rischio. Per le strutture a tamburo di grandi dimensioni, il trattamento termico di distensione può risultare difficile da eseguire. Anche la distensione da vibrazione può essere difficoltosa e l'invecchiamento naturale o altri trattamenti di invecchiamento possono essere influenzati dalle tempistiche del progetto.

4.3 Carichi operativi oltre le condizioni di progetto

Un sovraccarico prolungato oltre il carico nominale può aumentare il rischio di fatica della struttura. Avviamenti e frenate frequenti durante il sollevamento possono generare carichi d'impatto elevati. Se la fune metallica non è disposta correttamente sul tamburo, la distribuzione della forza sul tamburo diventa irregolare e le sollecitazioni locali possono essere molto superiori al valore di progetto.

4.4 Errori di fabbricazione e assemblaggio

Se l'accoppiamento tra il foro interno della piastra di supporto e l'albero è troppo stretto o troppo largo, la sollecitazione locale iniziale potrebbe risultare irregolare. La sollecitazione di assemblaggio non completamente rilasciata potrebbe successivamente sommarsi alla sollecitazione di esercizio.

4.5 Corrosione e fattori ambientali

Quando il tamburo è esposto a un ambiente umido o corrosivo per lungo tempo, la zona di saldatura è più soggetta a corrosione. Le aree corrose sono anche punti frequenti di innesco di microfratture.

5. Misure di ispezione, riparazione e prevenzione

Per le apparecchiature esistenti, è possibile eseguire regolarmente controlli con particelle magnetiche o controlli a ultrasuoni intorno alla saldatura tra la piastra dell'anima e l'albero del tamburo. Se vengono rilevate delle crepe, la piastra dell'anima deve essere riparata mediante saldatura o sostituita tempestivamente, e la disposizione della fune metallica deve essere controllata per evitare carichi eccentrici.

Nella progettazione o produzione di nuovi tamburi per gru, il raggio di transizione deve essere ottimizzato e la posizione della saldatura deve essere scelta in modo da evitare, per quanto possibile, le zone di massima sollecitazione. La procedura di saldatura deve essere rigorosamente controllata. Per ridurre le tensioni residue, si possono utilizzare saldature multipass e saldature simmetriche, e, a seconda delle condizioni, si può ricorrere all'invecchiamento tramite vibrazione o all'invecchiamento naturale.

Per una corretta gestione operativa, è necessario evitare sovraccarichi prolungati e frequenti avviamenti e frenate. La disposizione delle funi metalliche deve essere conforme alle normative vigenti e le funi usurate devono essere sostituite regolarmente.

Le crepe nelle saldature dei tamburi delle gru non sono solitamente causate da un singolo fattore. Un'analisi dettagliata della struttura, delle saldature, del carico, dell'assemblaggio e dell'ambiente circostante aiuta a individuare la fonte della crepa e a selezionare le misure correttive più adatte alle effettive condizioni del sito.

Cindy

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