Arbori, o analiza a modului de defeciune i a efectelor acestuiaIng. Davideanu Grigore

Pe masura ce domeniul industrial devine din ce in ce mai sofisticat, se pare ca arborii rupti se intalnesc din ce in ce mai rar. Insa, atunci cand unul se rupe, sunt la fel de multe teorii cu privire la cauza defectiunii cati sunt de multi oameni implicati.Fie ca e vorba de motoare, pompe, planetare auto sau orice alt tip de echipament industrial, analiza defectiunii arborilor este deseori inteleasa gresit, fiind perceputa ca dificila si scumpa. Pentru majoritatea arborilor analiza ar trebui sa fie relativ simpla. Asta deoarece in mod tipic fractura ofera indicii puternice despre tipul si magnitudinea fortelor din arbore cat si a directiei in care au fost aplicate. Piesele stricate vor spune exact ce sa intamplat.

Fig.1 Aspectul unei defectiune cauzate de suprasarcina difera daca materialul arborelui este ductil sau casant.Sunt doar 4 metode elemetare de defectiune:Coroziune, uzura, suprasarcina si oboseala. Primele doua (coroziune si uzura) aproape niciodata nu provoaca defectiuni ale arborilor si in ocaziile rare cand o fac lasa dovezi clare. Din celelalte doua metode, oboseala este mai des intalnita decat defectiunea datorita suprasarcinilor. (A se tine cont ca de multe ori coroziunea lucreaza impreuna cu oboseala).

Aceasta lucrare se va axa pe defectele rezulate din suprasarcini si factori de oboseala.

Defecte la suprasarcinaDefectiunile la suprasarcini sunt cauzate de forte ce depasesc limita elasticitatii sau rezistenta la rupere a materialului. Precum este ilustrat in Fig.1, aspectul unei defectiuni la suprasarcina variaza deca materialul arborelui este casant sau ductil.Nici un material nu este absolut casant sau ductil. Arborii utilizati la majoritatea motoarelor, reductoarelor si ventilatoarelor sunt din otel cu un contiunut redus sau mediu de carbon si relativ ductil.Drept rezultat, atunci cand sunt supuse la o suprasarcina mare se rasucesc si se deformeaza. Arborele indoit din poza 1 a fost supraincarcat masiv cu o solicitare torsionala.Cand a fost aplicata forta de defectiune?Atunci cand se cauta cauza producerii defectiunii, este important de retinut ca defectiunile de suprasarcina sunt in general cauzate de o singura aplicare de forta, pe cand defectiunile de oboseala sunt mereu rezultatul unei sarcini aplicate in mod repetat pe durata multor cicluri. Asta inseamna ca daca arborele a cedat ca urmare a unei suprasarcini, forta cauzanta a fost aplicata imediat inainte de momentul in care arborele a cedat. Similar, daca oboseala este responsabila, forta initiala ar fi putut fi aplicata timp de milioane de cicluri pana a avea loc defectiunea finala.Sunt cazuri rare in care un arbore ductil se va defecta intr-o maniera oarecum casanta. Poza 2 ilustreaza un asemenea caz (ce se intampla atunci cand un motor de 200CP, 3600RPM se opreste brusc in mers).Rezultatul e o solicitare torsioanal imensa si un arbore fisurat. Dar deoarece metalul este ductil, unghiul crapaturii nu este la 45 de grade ca in Fig.1, iar canelura este clar deformata. Cand materialele ductile sunt supraincarcate masiv si foarte repede tind sa se comporte intr-o maniera casanta.

Din fericire, ruperile de tip fragil sunt foarte rar intalnite la arborii de mecanisme. Toate fracturile date de friabilitate, sunt caracterizate de o suprafata de o rugozitate relativ uniforma (crapatura se propaga cu o viteza constanta, fiind prezente chevron marks pe suprafata. Poza 3 ilustreaza ruptura casanta a unui arbore de intrare de la un reducator mare ce a fost scapat pe jos. Ondulatiile fine ce sunt toate indreptate spre stanga canelurii se denumesc chevron marks.Ocazional, o portiune de arbore poate fi cementata pentru a reduce rata de uzura. Poza 4 ilustreaza zona canelata si cementata de pe un arbore de la o pompa hidraulica, incluzand exterior durificat, inelul din jurul circumferintei cu o textura foarte diferita de majoritatea arborelui si chevron marks-urile care indica spre punctul de origine al defectiunii. Bazandu-ne pe felul in care fractura sa propagat dea dreptul prin arbore, fractura ar fi putut fi corelata atat cu incovoiere sau tensiune. Suprafata relativ uniforma totusi ne spune ca fractura este de natura casanta (a fost produsa de aplicarea unei singure forte). In continuare, deoarece este imposibil sa aplici o tensiune semnificativa pe o canelura, analiza poate spune cu siguranta ca defectiunea a fost provocata de o singura forta de incovoiere.

Defectiuni provocate de obosealaOboseala este data de stresuri ciclice, iar fortele care provoaca defectele de oboseala sunt considerabil mai mici decat cele care provoaca deformarea plastica. Complicand si mai mult situatia, coroziunea va reduce rezitenta la oboseala a unui material. Cu cat anume o reduce depinde de severitatea coroziunii si numarul de cicluri de stres. Odata ce sunt vizibile cu ochiul liber, crapaturile vor creste intotdeauna perpendicular pe planul de stres maxim. Figura 2 arata plaurile de fractura generate de 4 tipuri comune de forte de oboseala. Deoarece proprietatile sectiunii se vor modifica pe masura ce crapatura creste, este imperativ ca analistul sa examineze atent la punctul de unde defectul incepe sa determine directia fortelor. De exemplu, desi este comun ca oboseala torsionala sa initieze un defect, majoritatea propagarii crapaturii poate avea loc sub tensiune. Asta deoarece arborele a fost slabit iar frecventa de rezonanta torsionala sa schimbat.

Starea sau rugozitatea suprafetei fracturii este unul din cei mai importanti indici in analiza unei defectiuni, datorita diferentei dintre suprasarcini si oboseala. La suparasarcini (deorece fisura se propaga cu o viteza constanta) suprafata este de o rugozitate uniforma pe cand crapaturile induse de oboseala cresc dealungul suprafetei cu viteze din ce in ce mai mari. Drept rezultat fractura tipica de oboseala prezinta o fata relativ neteda langa origine(i) si se termina intr-o fractura finala relativ rugoasa.O defectiune simpla determinata de oboseala la incovoiere este ilustrata in Fig. 3. Crapatura a pornit de la origine, si a crescut incet prin zona de oboseala (ZO). Cand a ajuns la limita zonei instantanee (ZI), rata de crestere a crapaturii a crescut colosal aceasta traversand ZI cu aproximativ 2400m/sec. In timpul perioadei de crestere in zona FZ, pot aparea schimbari in incarcarea arborelui ce apar ca semne de progresie.

Sarcini de rotatie sau incovoierea in plan...Pentru ca defectiunea datorita oboselii sa ia loc, fortele trebuiesc aplicate de multe ori. Desi sunt si defectiuni oligociclice, majoritatea defectiunilor industriale date de oboseala au loc dupa mai mult de 1.000.000 cicluri. O trasatura valoroasa in interpretarea defectului este propagarea fisurilor astfel incat aspectul suprafetei ne spune cum a fost sarcina aplicata.Daca crapatura se propaga drept pe diagonala arborelui (Fig.3), forta ce a cauzat-o trebuie sa fie o sarcina de incovoiere ce actioneaza intr-un singur plan.

Figurile 4 si 5, ilustreaza exemple de incovoiere torsionala. Diferenta dintre aceste doua defectiuni este faptul ca fractura din arborele din Fig.4 are o singura origine, pe cand in Fig.5 are multiple origini. Uitandu-ne la cele doua schite, vedem ca ZI din Fig.4 este cea mai mare dintre cele doua, lucru ce indica ca sarcina exercitata asupra arborelui la momentul defectiunii era mai mare ca in Fig.5. De asemena analiza arata, ca desi, Fig.5 era mai putin incarcata, are mai multe fracturi de origine, indicand o concetrare mare de stres, cum ar in cazul unui arbore cu trepte sau de raza foarte mica. Planele dintre orginile adiacente ale fisurii ce cresc perpendicualr pe directia de propagare se numes ratchet marks.Cateva exemple de incovoiere in plan si de rotatie sunt aratate in pozele 5 si 6.

Poza 5 prezinta un arbore de la un motor de 200CP si 1180RPM care a cedat in mai putin de o zi. Lipsa urmelor de progresie inseamna ca sarcina de oboseala a fost constanta. Zona Instantanee este relativ mare, indicand ca arborele era puternic incarcat.Fisurile apar in numeroase zone in jurul arborelui, trimitand la un defect datorita indoirii de rotatie. Numarul foarte mare de ratchet marks concentrate in susul si josul fotografiei ne fac sa suspectam ca arborele nu era drept. Totusi, la momentul inspectiei sa gasit drept cauza principala sistemul de antrenare cu curea. De fapt, flancurile rolei erau atat de uzate incat curelele mergeau pe fundul canalului. Aceasta situatie aproximativ a dublat efortul de incovoiere exercitat asupra arborelui.

Arborele din Poza 6, a fost pe un lift de la un combinat siderurgic. Suprafata este cel mai neteda in dreptul canelurii pentru pana si devine progresiv mai rugoasa pe masura ce crapatura se propaga dealungul arborelui. Numeroasele semne de progresie ce inconjuara minuscula ZI si schimbarea de aspect a suprafetei la aproximativ 40% din lungimea arborelui de la ZI sugereaza ca ceva sa schimbat in timpul propagarii fisurii, ori ca liftul nu a fost folosit pe o perioada indelungata.Aceste aspecte indica un defect ce creste incet, si faptul ca rezistenta la oboseala a fost posibil redusa substantial de coroziunea prin frecare.

Defectiuni datorita oboselei torsionalePana la aparitia variatoarelor de viteza (VSD), defectiunile date de oboseala de torsiune erau rare: Proiectantii echipamentelor puteau anticipa vitezele de operare si frecventele de excitatie si proiectau in jurul lor. Scopul unui (VSD) este de a permite opererea la o game larga de viteze. Asta, din nefericire, a dus la multe defectiuni de motoare si arbori datorita factorilor de oboseala torsionala.Pe cand cele mai des intalnite crapaturi generate de obosela torsionala incep la coltul ascutit (concentrator de tensiune) de la baza canalului de pana, atunci cand cuplajele sunt prost montate, un alt mod comun de defectiune este crapatura diagonala a arborelui (de ex Fig.2).

Poza 7 arata capatul avariat al unui arbore de motor cu un cuplaj foarte prost montat (cu joc), ce a dus la izbirea repetata a penei in lateralul canalului ducand la dezvoltarea unei fisuri de oboseala. (Nu este neobisnuit sa vezi cazuri unde crapatura sa propagat in jurul intregului arbore, lasand doar un ciot.)Poza 8 arata ambele jumatati a unui arbore de ventilator, ce a cedat datorita oboselei torsionale, la scurt timp dupa ce fabrica a trecut la un VSD. Unghiul de 45 de grade la axa centrala este un semn sigur al stresurilor torsionale, pe cand schimbarea rugozitatii de alungul arborelui indica drept cauza fortele de oboseala.Eforturile de oboseala torsionala trec adeasea neobservate (pana cand este prea tarziu) deoarece muncitorii nu inteleg ce vad. De exemplu, ambii arbori de pompa din poza 9 au cedat datorita oboselii torsionale agravate de o reducere in rezistenta datorita corziunii. Unii sar uita la suprafata fracturii arborelui din dreapta si ar crede a fost produs de indoire la rotatie. Insa la o examinare mai amanuntita, se vad numeroasele ratchet marks la un unghi de 45 de grade fata de axa arborelui (un semn clar al eforturilor de oboseala torsionala cu numeroase origini)

Masuri de precautie si interpretarea indiciilor

Pe cand cea mai veche parte a unui defect dat de oboseala are in mod tipic cea mai neteda suprafata (cel putin 98% din cazuri), este vital sa verificam atent piesa defecta in zona de origine. Suprafata arborelui va descrie forta.Cel mai important lucru de retinut din aceasta lucrare este faptul ca fisura se propaga mereu perpendicular pe planul se stres maxim.De multe ori am vazut arbori, unde forta originala era de torsiune, cu o mica crapatura unghiulara, insa majoritatea propagarii fiind facut sub incovoiere, pacalind inspectorii ca forta principala a fost incovoierea.Nu va lasati pacalit asa.