Аналіз впливу деформації зварювання на втомну довговічність роликового ланцюга
Вступ
Як важливий базовий компонент, що широко використовується в різних механічних трансмісійних та конвеєрних системах, продуктивність та термін службироликовий ланцюгмають вирішальний вплив на надійність та ефективність роботи всього обладнання. Серед багатьох факторів, що впливають на втомний термін служби роликового ланцюга, деформація зварювання є важливим аспектом, який не можна ігнорувати. У цій статті буде детально досліджено механізм впливу, ступінь впливу та відповідні заходи контролю деформації зварювання на втомний термін служби роликового ланцюга, з метою допомогти практикам у суміжних галузях краще зрозуміти цю проблему, щоб вжити ефективних заходів для покращення якості та надійності роликового ланцюга, продовження терміну його служби та забезпечення стабільної роботи механічної системи.
1. Будова та принцип роботи роликового ланцюга
Роликовий ланцюг зазвичай складається з основних компонентів, таких як внутрішня ланцюгова пластина, зовнішня ланцюгова пластина, штифт, втулка та ролик. Його принцип роботи полягає в передачі потужності та руху через зачеплення зубців ролика та зірочки. Під час процесу передачі різні компоненти роликового ланцюга піддаються складним напруженням, включаючи розтягувальні напруження, напруження згину, контактні напруження та ударне навантаження. Повторна дія цих напружень спричиняє втомне пошкодження роликового ланцюга та зрештою впливає на його довговічність.
2. Причини деформації зварювання
У процесі виробництва роликових ланцюгів зварювання є ключовим процесом, який використовується для з'єднання зовнішньої пластини ланцюга з валом-штифтом та іншими компонентами. Однак деформація зварювання неминуча в процесі зварювання. Основні причини включають:
Підведення тепла при зварюванні: Під час зварювання висока температура, що генерується дугою, призводить до локального та швидкого нагрівання зварного шва, що призводить до розширення матеріалу. Під час процесу охолодження після зварювання зварний шво стискається. Через нерівномірну швидкість нагрівання та охолодження зони зварювання та навколишніх матеріалів виникають зварювальні напруги та деформації.
Обмеження жорсткості зварного елемента: Якщо зварний елемент не жорстко закріплений під час процесу зварювання, він, швидше за все, деформується під дією зварювального напруження. Наприклад, під час зварювання деяких тонких зовнішніх ланцюгових пластин, якщо немає належного затискача для їх фіксації, ланцюгова пластина може зігнутися або деформуватися після зварювання.
Неправильна послідовність зварювання: Неправильна послідовність зварювання призведе до нерівномірного розподілу зварювальних напружень, що, у свою чергу, посилить ступінь деформації зварювання. Наприклад, при багатопрохідному зварюванні, якщо зварювання виконується не в правильному порядку, деякі частини зварної конструкції можуть піддаватися надмірним зварювальним напруженням та деформуватися.
Неправильні параметри зварювання: Неправильне налаштування таких параметрів, як зварювальний струм, напруга та швидкість зварювання, також може спричинити деформацію зварювання. Наприклад, якщо зварювальний струм занадто великий, зварний виріб перегріється, що збільшить підведення тепла та призведе до більшої деформації зварювання; якщо швидкість зварювання занадто низька, зона зварювання залишатиметься занадто довго, що також збільшить підведення тепла та спричинить деформацію.
3. Механізм впливу деформації зварювання на втомну довговічність роликового ланцюга
Вплив концентрації напружень: Деформація зварювання спричиняє локальну концентрацію напружень у таких компонентах, як зовнішня ланцюгова пластина роликового ланцюга. Рівень напружень у зоні концентрації напружень значно вищий, ніж в інших деталях. Під дією змінного напруження ці ділянки більш схильні до утворення тріщин від втоми. Після виникнення тріщини від втоми вона продовжуватиме розширюватися під дією напруження, що зрештою призведе до розриву зовнішньої ланцюгової пластини, що, своєю чергою, призведе до руйнування роликового ланцюга та зменшення його терміну служби. Наприклад, дефекти зварювання, такі як виїмки та піднутрення на зовнішній ланцюговій пластині після зварювання, утворюють джерело концентрації напружень, що прискорює утворення та розширення тріщин від втоми.
Відхилення геометричної форми та проблеми з узгодженням: Деформація зварювання може спричинити відхилення в геометрії роликового ланцюга, що призведе до його невідповідності з іншими компонентами, такими як зірочки. Наприклад, деформація згину зовнішньої ланки може вплинути на загальну точність кроку роликового ланцюга, що призведе до поганого зачеплення між роликом та зубцями зірочки. Під час процесу передачі це погане зачеплення створюватиме додаткові ударні навантаження та напруги згину, що посилюватиме пошкодження від втоми різних компонентів роликового ланцюга, тим самим зменшуючи термін служби.
Зміни властивостей матеріалу: Висока температура під час зварювання та подальший процес охолодження призведуть до змін властивостей матеріалу в зоні зварювання. З одного боку, матеріал у зоні термічного впливу зварювання може зазнати укрупнення зерен, загартування тощо, що призводить до зниження в'язкості та пластичності матеріалу, а також до більшої схильності до крихкого руйнування під навантаженням від втоми. З іншого боку, залишкові напруження, що виникають внаслідок деформації зварювання, будуть накладатися на робочі напруження, ще більше посилюючи напружений стан матеріалу, прискорюючи накопичення пошкоджень від втоми та, таким чином, впливаючи на довговічність роликового ланцюга.
4. Аналіз впливу деформації зварювання на втомну довговічність роликових ланцюгів
Експериментальні дослідження: Завдяки великій кількості експериментальних досліджень можна кількісно проаналізувати вплив деформації зварювання на довговічність роликових ланцюгів. Наприклад, дослідники провели випробування на довговічність роликових ланцюгів з різним ступенем деформації зварювання та виявили, що коли деформація зварювання зовнішньої ланки перевищує певну межу, довговічність роликового ланцюга значно зменшується. Експериментальні результати показують, що такі фактори, як концентрація напружень та зміни властивостей матеріалу, спричинені деформацією зварювання, скорочують довговічність роликового ланцюга на 20–50%. Конкретний ступінь впливу залежить від ступеня деформації зварювання та умов роботи роликового ланцюга.
Аналіз числового моделювання: За допомогою методів числового моделювання, таких як метод скінченних елементів, можна глибше вивчити вплив деформації зварювання на довговічність роликового ланцюга. Створюючи модель скінченних елементів роликового ланцюга, враховуючи такі фактори, як зміни геометричної форми, розподіл залишкових напружень та зміни властивостей матеріалу, спричинені деформацією зварювання, моделюється та аналізується розподіл напружень та поширення тріщин від втоми роликового ланцюга під навантаженням від втоми. Результати числового моделювання взаємно перевіряються з експериментальними дослідженнями, що додатково уточнює механізм та ступінь впливу деформації зварювання на довговічність роликового ланцюга та забезпечує теоретичну основу для оптимізації процесу зварювання та структурного проектування роликового ланцюга.
5. Заходи щодо контролю деформації зварювання та покращення втомної довговічності роликового ланцюга
Оптимізація процесу зварювання:
Виберіть відповідний метод зварювання: Різні методи зварювання мають різні характеристики підведення тепла та впливу тепла. Наприклад, порівняно з дуговим зварюванням, зварювання в середовищі захисного газу має переваги низького підведення тепла, високої швидкості зварювання та малої деформації зварювання. Тому для зменшення деформації зварювання при зварюванні роликових ланцюгів слід надавати перевагу передовим методам зварювання, таким як зварювання в середовищі захисного газу.
Розумне регулювання параметрів зварювання: залежно від матеріалу, розміру та інших факторів роликового ланцюга, зварювальний струм, напруга, швидкість зварювання та інші параметри точно контролюються, щоб уникнути деформації зварювання, спричиненої надмірними або занадто малими параметрами зварювання. Наприклад, за умови забезпечення якості зварювання, зварювальний струм і напруга можуть бути відповідним чином зменшені, щоб зменшити підведення тепла під час зварювання та, таким чином, зменшити деформацію зварювання.
Використовуйте відповідну послідовність зварювання: для конструкцій роликових ланцюгів з кількома проходами зварювання послідовність зварювання повинна бути раціонально організована таким чином, щоб рівномірно розподілити зварювальні напруги та зменшити локальну концентрацію напружень. Наприклад, послідовність зварювання симетричним зварюванням та сегментованим зворотним зварюванням може ефективно контролювати деформацію зварювання.
Застосування пристосувань: Проектування та використання відповідних пристосувань має вирішальне значення для контролю деформації зварювання роликових ланцюгів. Перед зварюванням зварну деталь міцно фіксують у правильному положенні за допомогою пристосувань, щоб обмежити її рух та деформацію під час зварювання. Наприклад, використовуючи метод жорсткої фіксації та застосовуючи відповідне затискне зусилля до обох кінців зовнішньої пластини ланцюга, можна ефективно запобігти деформації згину під час зварювання. Водночас, після зварювання, пристосування також може бути використане для корекції зварної деталі, щоб ще більше зменшити деформацію зварювання.
Термічна обробка та корекція після зварювання: Термічна обробка після зварювання може усунути залишкові напруження зварювання та покращити властивості матеріалу зони зварювання. Наприклад, належний відпал роликового ланцюга може подрібнити зернистість матеріалу в зоні зварювання, зменшити твердість та залишкові напруження матеріалу, а також покращити його в'язкість та стійкість до втоми. Крім того, для роликових ланцюгів, які вже зазнали деформації зварювання, можна використовувати механічну корекцію або корекцію полум'ям, щоб відновити їхню форму, близьку до проектної, та зменшити вплив відхилення геометричної форми на довговічність.
6. Висновок
Деформація зварювання має значний вплив на довговічність роликових ланцюгів. Концентрація напружень, відхилення геометричної форми та проблеми з узгодженням, а також зміни властивостей матеріалу, що виникають внаслідок цього, прискорюють пошкодження роликових ланцюгів від втоми та скорочують термін їх служби. Тому в процесі виробництва роликових ланцюгів необхідно вживати ефективних заходів для контролю деформації зварювання, таких як оптимізація технології зварювання, використання пристосувань, проведення післязварювальної термічної обробки та корекції тощо. Завдяки впровадженню цих заходів можна значно покращити якість та надійність роликових ланцюгів, а також подовжити їхню довговічність, тим самим забезпечуючи стабільну роботу механічних передач та конвеєрних систем, а також надаючи міцну підтримку виробництву та розвитку суміжних галузей.
Час публікації: 04 червня 2025 р.