Analýza vlivu deformace svařováním na únavovou životnost válečkového řetězu
Zavedení
Jako důležitá základní součást široce používaná v různých mechanických převodových a dopravních systémech má výkon a životnostválečkový řetězmají zásadní vliv na spolehlivost a provozní účinnost celého zařízení. Mezi mnoha faktory, které ovlivňují únavovou životnost válečkových řetězů, je deformace svařováním důležitým aspektem, který nelze ignorovat. Tento článek se podrobně zabývá mechanismem vlivu, stupněm vlivu a odpovídajícími kontrolními opatřeními deformace svařováním na únavovou životnost válečkových řetězů s cílem pomoci odborníkům v souvisejících odvětvích lépe porozumět tomuto problému, aby mohli přijmout účinná opatření ke zlepšení kvality a spolehlivosti válečkových řetězů, prodloužení jejich životnosti a zajištění stabilního provozu mechanického systému.
1. Struktura a princip činnosti válečkového řetězu
Válečkový řetěz se obvykle skládá ze základních komponent, jako je vnitřní deska řetězu, vnější deska řetězu, čep, pouzdro a kladka. Jeho principem fungování je přenos výkonu a pohybu prostřednictvím záběru zubů kladky a řetězového kola. Během procesu přenosu jsou různé komponenty válečkového řetězu vystaveny komplexnímu namáhání, včetně tahového napětí, ohybového napětí, kontaktního napětí a rázového zatížení. Opakované působení těchto namáhání způsobí únavové poškození válečkového řetězu a v konečném důsledku ovlivní jeho únavovou životnost.
2. Příčiny deformace při svařování
Ve výrobním procesu válečkových řetězů je svařování klíčovým postupem používaným ke spojení vnější desky řetězu s čepovým hřídelem a dalšími součástmi. Deformace při svařování je však během svařování nevyhnutelná. Mezi hlavní důvody patří:
Příkon tepla při svařování: Během svařování způsobuje vysoká teplota generovaná obloukem lokální a rychlé zahřátí svařence, což má za následek roztahování materiálu. Během procesu ochlazování po svařování se svařenec smršťuje. V důsledku nerovnoměrné rychlosti ohřevu a ochlazování svařované oblasti a okolních materiálů vzniká svařovací napětí a deformace.
Omezení tuhosti svařence: Pokud svařenec není během svařování pevně upevněn, je pravděpodobnější, že se v důsledku svařovacího napětí deformuje. Například při svařování některých štíhlých vnějších řetězových desek se řetězová deska může po svařování ohnout nebo zkroutit, pokud není k dispozici vhodná svorka k jejich upevnění.
Nevhodné pořadí svařování: Nevhodné pořadí svařování povede k nerovnoměrnému rozložení svařovacího napětí, což následně zhorší stupeň deformace svařování. Například při vícevrstvém svařování, pokud se svařování neprovádí ve správném pořadí, mohou být některé části svařence vystaveny nadměrnému svařovacímu napětí a deformovat se.
Nesprávné parametry svařování: Nesprávné nastavení parametrů, jako je svařovací proud, napětí a rychlost svařování, může také způsobit deformaci svaru. Například pokud je svařovací proud příliš velký, svařenec se přehřeje, což zvýší přívod tepla a povede k větší deformaci svaru; pokud je rychlost svařování příliš pomalá, oblast svaru zůstane příliš dlouhá, což také zvýší přívod tepla a způsobí deformaci.
3. Mechanismus vlivu deformace svařováním na únavovou životnost válečkového řetězu
Vliv koncentrace napětí: Deformace svařováním způsobí lokální koncentraci napětí v součástech, jako je vnější řetězová deska válečkového řetězu. Úroveň napětí v oblasti koncentrace napětí je mnohem vyšší než v ostatních částech. Při působení střídavého napětí je v těchto oblastech větší pravděpodobnost vzniku únavových trhlin. Jakmile únavová trhlina začne vznikat, bude se pod působením napětí dále rozšiřovat, což nakonec způsobí zlomení vnější řetězové desky, čímž selže válečkový řetěz a sníží se jeho únavová životnost. Například vady svařování, jako jsou důlky a podříznutí na vnější řetězové desce po svařování, vytvoří zdroj koncentrace napětí, což urychlí vznik a rozšiřování únavových trhlin.
Odchylky geometrického tvaru a problémy s párováním: Deformace svařováním může způsobit odchylky v geometrii válečkového řetězu, což vede k jeho nesrovnalosti s ostatními součástmi, jako jsou ozubená kola. Například ohybová deformace vnější článkové desky může ovlivnit celkovou přesnost rozteče válečkového řetězu a způsobit špatný záběr mezi válečkem a zuby ozubeného kola. Během převodu tento špatný záběr generuje dodatečné rázové zatížení a ohybová napětí, což zhoršuje únavové poškození různých součástí válečkového řetězu a tím snižuje únavovou životnost.
Změny vlastností materiálu: Vysoká teplota během svařování a následný proces ochlazování způsobí změny vlastností materiálu v oblasti svařování. Na jedné straně může materiál v tepelně ovlivněné zóně svařování zaznamenat zhrubnutí zrn, zpevnění atd., což má za následek sníženou houževnatost a plasticitu materiálu a větší náchylnost ke křehkému lomu při únavovém zatížení. Na druhé straně se zbytkové napětí generované deformací svařování superponuje k pracovnímu napětí, což dále zhoršuje napjatý stav materiálu, urychluje hromadění únavového poškození a tím ovlivňuje únavovou životnost válečkového řetězu.
4. Analýza vlivu deformace svařováním na únavovou životnost válečkových řetězů
Experimentální výzkum: Prostřednictvím velkého počtu experimentálních studií lze kvantitativně analyzovat vliv deformace svařováním na únavovou životnost válečkových řetězů. Vědci například provedli testy únavové životnosti válečkových řetězů s různým stupněm deformace svařováním a zjistili, že když deformace svařováním vnějšího článku překročí určitou mez, únavová životnost válečkového řetězu se výrazně sníží. Experimentální výsledky ukazují, že faktory, jako je koncentrace napětí a změny vlastností materiálu způsobené deformací svařováním, zkracují únavovou životnost válečkového řetězu o 20 % – 50 %. Konkrétní stupeň vlivu závisí na závažnosti deformace svařováním a pracovních podmínkách válečkového řetězu.
Numerická simulační analýza: Pomocí numerických simulačních metod, jako je analýza konečných prvků, lze hlouběji studovat vliv deformace svařování na únavovou životnost válečkového řetězu. Vytvořením modelu válečkového řetězu s konečnými prvky, s ohledem na faktory, jako jsou změny geometrického tvaru, rozložení zbytkového napětí a změny materiálových vlastností způsobené deformací svařování, se simuluje a analyzuje rozložení napětí a šíření únavových trhlin válečkového řetězu při únavovém zatížení. Výsledky numerické simulace jsou vzájemně ověřeny s experimentálním výzkumem, což dále objasňuje mechanismus a stupeň vlivu deformace svařování na únavovou životnost válečkového řetězu a poskytuje teoretický základ pro optimalizaci svařovacího procesu a konstrukčního návrhu válečkového řetězu.
5. Opatření pro kontrolu deformace svařováním a zlepšení únavové životnosti válečkového řetězu
Optimalizace svařovacího procesu:
Vyberte vhodnou metodu svařování: Různé metody svařování mají různé charakteristiky tepelného příkonu a vlivu tepla. Například ve srovnání s obloukovým svařováním má svařování v ochranné atmosféře plynu výhody nízkého tepelného příkonu, vysoké rychlosti svařování a malé deformace při svařování. Proto by se při svařování válečkových řetězů měly upřednostňovat pokročilé metody svařování, jako je svařování v ochranné atmosféře plynu, aby se snížila deformace při svařování.
Přiměřené nastavení parametrů svařování: Svařovací proud, napětí, rychlost svařování a další parametry jsou přesně řízeny v závislosti na materiálu, velikosti a dalších faktorech válečkového řetězu, aby se zabránilo deformaci při svařování způsobené nadměrnými nebo příliš malými parametry svařování. Například za předpokladu zajištění kvality svaru lze svařovací proud a napětí vhodně snížit, aby se snížil příkon tepla při svařování a tím i deformace při svařování.
Použijte vhodnou posloupnost svařování: U válečkových řetězových konstrukcí s vícevrstvým svařováním by měla být posloupnost svařování přiměřeně uspořádána tak, aby bylo možné rovnoměrně rozložit svařovací napětí a snížit lokální koncentraci napětí. Například posloupnost svařování symetrickým svařováním a segmentovaným zadním svařováním může účinně řídit deformaci svařování.
Použití upínacích přípravků: Návrh a použití vhodných upínacích přípravků je klíčové pro řízení deformace válečkových řetězů při svařování. Před svařováním je svařenec pevně upevněn ve správné poloze pomocí upínacích přípravků, aby se omezil jeho pohyb a deformace během svařování. Například použitím metody tuhého upevnění a aplikací vhodné upínací síly na oba konce vnější desky řetězu lze účinně zabránit ohybové deformaci během svařování. Zároveň lze po svařování upínací přípravek použít také ke korekci svařence, aby se dále snížila deformace při svařování.
Tepelné zpracování a korekce po svařování: Tepelné zpracování po svařování může eliminovat zbytkové pnutí při svařování a zlepšit materiálové vlastnosti oblasti svařování. Například správné žíhání válečkového řetězu může zjemnit zrnitost materiálu ve svarové oblasti, snížit tvrdost a zbytkové pnutí materiálu a zlepšit jeho houževnatost a odolnost proti únavě. Kromě toho lze u válečkových řetězů, které již vytvořily deformaci při svařování, použít mechanickou korekci nebo korekci plamenem k obnovení jejich tvaru blízkého návrhu a ke snížení dopadu odchylky geometrického tvaru na únavovou životnost.
6. Závěr
Deformace svařováním má významný vliv na únavovou životnost válečkových řetězů. Koncentrace napětí, odchylky geometrického tvaru a problémy s přizpůsobením a změny materiálových vlastností, které z toho plynou, urychlují únavové poškození válečkových řetězů a zkracují jejich životnost. Proto je nutné při výrobě válečkových řetězů přijímat účinná opatření ke kontrole deformace svařováním, jako je optimalizace technologie svařování, používání přípravků, provádění tepelného zpracování a korekce po svařování atd. Zavedením těchto opatření lze výrazně zlepšit kvalitu a spolehlivost válečkových řetězů a prodloužit jejich únavovou životnost, čímž se zajistí stabilní provoz mechanických převodových a dopravních systémů a poskytne se silná podpora pro výrobu a rozvoj souvisejících odvětví.
Čas zveřejnění: 4. června 2025