Analiza przyczyn pęknięć spoiny między wałem a wałem bębna dźwigu

Niniejsza analiza pęknięć spoiny bębna dźwigu analizuje przypadek, w którym w długo eksploatowanym dźwigu doszło do pęknięcia spoiny między płytą środnika bębna a wałem bębna. Chociaż widoczne uszkodzenie wydaje się być lokalnym problemem zmęczenia metalu, jego przyczyny mogą obejmować konstrukcję, procedurę spawania, stan materiału, przenoszenie naprężeń, jakość produkcji i montażu oraz warunki eksploatacji.

1. Związek między bębnem dźwigu, płytą środkową, piastą i wałem

W urządzeniach dźwigowych bęben jest kluczowym elementem przekładni, służącym do nawijania liny i podnoszenia lub ciągnięcia ładunku. Powłoka bębna przenosi linę, a płyty środnikowe są zazwyczaj umieszczone na obu końcach powłoki, aby połączyć powłokę z piastą lub wałem.

W typowej konstrukcji piasta jest przyspawana do środka płyty środnika. Piasta jest następnie połączona z wałem bębna za pomocą klina, a wał jest podparty łożyskami. W tym przypadku płyta środnika jest przyspawana bezpośrednio do wału bębna, a wał bębna jest wałem długim.

Płyta środkowa jest zatem nie tylko płytą łączącą. Przenosi ona również moment obrotowy i siłę promieniową między płaszczem bębna a wałem bębna. W ogólnych opracowaniach dotyczących awarii bębnów często wspomina się o pęknięciach zmęczeniowych jako o warunku wymiany; ten przypadek dokładniej wyjaśnia, dlaczego pęknięcia mogą zaczynać się wokół spoiny między płytą środkową a wałem.

2. Dlaczego pęknięcie pojawia się w pobliżu wału bębna

Z mechanicznego punktu widzenia, środnik bębna to cienka blacha poddawana skręcaniu, zginaniu, rozciąganiu-ściskaniu oraz ścinaniu w płaszczyźnie. W pobliżu wału bębna może jednocześnie wystąpić kilka niekorzystnych warunków: nagła zmiana przekroju, wpływ spoiny i obciążenie cykliczne.

2.1 Koncentracja naprężeń w wyniku nagłej zmiany przekroju

W obszarze w pobliżu wału bębna konstrukcja przechodzi ze stosunkowo grubego wału w cieńszą płytę środnika. W celu osiowego pozycjonowania i spawania, odsadzenie wału jest często umieszczane w odpowiednim położeniu płyty środnika. Jeśli promień przejścia jest zbyt mały lub przejście nie jest płynne, może wystąpić koncentracja naprężeń.

Wady spoiny, takie jak podtopienia i niepełne przetopienie, również mogą stać się przyczyną powstawania pęknięć.

2.2 Obciążenie cykliczne i udarowe

Podczas pracy bębna siła rozciągająca generowana przez nawijanie liny stalowej jest przenoszona przez płaszcz bębna na płytę środnika, a następnie na wał bębna. Każde nawijanie i podnoszenie powoduje powtarzające się obciążenie tego obszaru, co może działać jak zmęczenie niskocykliczne połączone z lokalnym obciążeniem udarowym.

2.3 Naprężenia szczątkowe podczas spawania

Po zespawaniu płyty środnika i wału bębna, obszar spoiny ulega lokalnemu skurczowi pod wpływem wysokiej temperatury i chłodzenia. Jeśli konstrukcja spawana nie zostanie całkowicie wyżarzona lub odprężona po spawaniu, wokół spoiny pozostają resztkowe naprężenia rozciągające. Nałożenie się tych resztkowych naprężeń rozciągających wraz z obciążeniem roboczym zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia pęknięć.

3. Proces rozwoju pęknięcia płyty środnikowej

Rozwój pęknięć można podzielić na trzy etapy.

Pierwszym etapem jest inicjacja. W stopie spoiny lub promieniu przejściowym, mikroskopijne defekty mogą stać się źródłem pęknięć pod wpływem łącznego działania naprężeń szczątkowych i roboczych podczas spawania.

Drugim etapem jest propagacja. Podczas każdej operacji podnoszenia obciążenie podąża tą samą ścieżką przenoszenia, a naprężenie szczytowe powtarza się. Pęknięcie stopniowo rozprzestrzenia się wzdłuż granicy ziaren materiału. Powierzchnia pęknięcia może wykazywać cechy promieniowe lub skorupowe.

Trzecim etapem jest pęknięcie. Gdy pozostały odcinek roboczy nie jest już wystarczający do przenoszenia obciążenia, może nastąpić nagłe pęknięcie kruche, któremu może towarzyszyć rozerwanie płyty środnika lub oderwanie się od wału bębna.

4. Najczęstsze przyczyny pękania spoiny między wałem a wałem bębna dźwigu

4.1 Czynniki konstrukcyjne

Jeśli przejście między płytą środnika a piastą lub wałkiem bębna nie ma odpowiedniego promienia, naprężenia mogą gwałtownie ulec zmianie. Jeśli grubość płyty środnika jest niewystarczająca, margines wytrzymałości zmęczeniowej również może być niewystarczający. Źle dobrane miejsce spoiny może dodatkowo zwiększyć ryzyko, zwłaszcza jeśli spoina znajduje się w strefie wysokich, a nie niskich naprężeń.

4.2 Czynniki jakości spawania

Do typowych wad spoin należą: niepełne przetopienie, wtrącenia żużla, porowatość, podtopienie i blizny po spoinach. Jeśli po spawaniu nie zostaną przeprowadzone badania nieniszczące, takie jak badania ultradźwiękowe lub radiograficzne, ukryte wady mogą pozostać w konstrukcji przez długi czas.

Niezoptymalizowane parametry spawania i niewystarczające odprężenie po spawaniu również mogą zwiększać ryzyko. W przypadku dużych konstrukcji bębnów, obróbka cieplna w celu odprężenia może być trudna do przeprowadzenia. Pełne odprężenie wibracyjne może być również trudne do zastosowania, a naturalne starzenie lub inne metody starzenia mogą być uzależnione od harmonogramu projektu.

4.3 Obciążenia eksploatacyjne wykraczające poza warunki projektowe

Długotrwałe przeciążenie przekraczające obciążenie znamionowe może zwiększyć ryzyko zmęczenia konstrukcji. Częste uruchamianie i hamowanie podczas podnoszenia może powodować duże obciążenia udarowe. Nieprawidłowe ułożenie liny na bębnie powoduje nierównomierny rozkład sił na bębnie, a lokalne naprężenia mogą być znacznie wyższe niż wartość projektowa.

4.4 Błędy produkcyjne i montażowe

Jeśli pasowanie między wewnętrznym otworem płyty nośnej a wałem jest zbyt ciasne lub zbyt luźne, początkowe naprężenie lokalne może stać się nierównomierne. Naprężenia montażowe, które nie zostały całkowicie uwolnione, mogą później łączyć się z naprężeniami roboczymi.

4.5 Korozja i czynniki środowiskowe

Gdy bęben jest narażony na długotrwałe działanie wilgotnego lub korozyjnego środowiska, obszar spoiny jest bardziej podatny na korozję. Obszary skorodowane są również częstymi miejscami powstawania mikropęknięć.

5. Kontrola, naprawa i środki zapobiegawcze

W przypadku istniejących urządzeń, wokół spoiny między płytą środnika a wałem bębna można regularnie przeprowadzać badania magnetyczno-proszkowe lub ultradźwiękowe. W przypadku stwierdzenia pęknięć, płytę środnika należy naprawić poprzez spawanie lub wymienić na czas, a także sprawdzić układ liny stalowej, aby uniknąć mimośrodowego obciążenia.

W przypadku projektowania lub produkcji nowego bębna dźwigu, promień przejścia powinien być zoptymalizowany, a pozycja spawania powinna być tak dobrana, aby w jak największym stopniu unikać obszaru maksymalnych naprężeń. Procedura spawania powinna być ściśle kontrolowana. W celu zmniejszenia naprężeń szczątkowych można zastosować spawanie wielowarstwowe i spawanie symetryczne, a w zależności od rzeczywistych warunków można zastosować starzenie wibracyjne lub naturalne.

W celu zarządzania eksploatacją należy unikać długotrwałego przeciążania oraz częstego uruchamiania i hamowania. Układ liny powinien być zgodny z obowiązującymi wymogami, a zużyte liny należy regularnie wymieniać.

Pękanie spoin bębna dźwigu zazwyczaj nie jest spowodowane pojedynczym czynnikiem. Szczegółowa analiza konstrukcji, spawania, obciążenia, montażu i środowiska pomaga ustalić źródło pęknięcia i dobrać środki zaradcze dostosowane do rzeczywistych warunków na miejscu.

Cindy

WhatsApp: +86 191 3738 6654

E-mail: cindywang@hndfcrane.com

Jestem Cindy, mam 10 lat doświadczenia w branży dźwigowej i zgromadziłam bogactwo wiedzy zawodowej. Wybrałam satysfakcjonujące dźwigi dla ponad 500 klientów. Jeśli masz jakiekolwiek potrzeby lub pytania dotyczące dźwigów, skontaktuj się ze mną, wykorzystam swoją wiedzę specjalistyczną i praktyczne doświadczenie, aby pomóc Ci rozwiązać problem!