Kur yra kritiniai kabelių movų įtempio taškai pagal magnetinio elemento analizę?

Įvadas

Praėjusį mėnesį man paskambino didelio Vokietijos vėjo turbinų gamintojo projektų vadovas Deividas. "Chuckai, mūsų M32 žalvarinių kabelių riebokšlių gondolose gondolų lygyje pastebimi ankstyvi gedimai. Sriegiai įtrūksta jau po 18 mėnesių, o ne po numatytų 10 metų tarnavimo laiko." Tai buvo ne tik kokybės problema - tai buvo saugos krizė, dėl kurios galėjo išnykti visas vėjo jėgainių parkas.

Remiantis mūsų išsamia elementariojo magnetinio pluošto analize, trys kritiniai įtempių koncentracijos taškai kabelių riebokšliuose yra ties sriegio šaknies spinduliu (įtempių koncentracijos koeficientas 3,2-4,1), sandariklio suspaudimo sąsaja (vietinis slėgis viršija 45 MPa) ir kabelio įvado perėjimo zona, kurioje dėl geometrinio netolygumo įtempiai padidėja iki 280% virš nominaliojo lygio. Šių įtempių taškų supratimas taikant baigtinių elementų modeliavimą iš esmės pakeitė "Bepto" kabelių movų projektavimą ir gamybą.

Per pastaruosius penkerius metus atlikęs daugiau kaip 200 skirtingų kabelių riebokšlių konstrukcijų analizę, sužinojau, kad dauguma gedimų nėra atsitiktiniai - tai nuspėjamos įtempių koncentracijos, kurias galima pašalinti prieš pradedant gamybą. Leiskite pasidalyti svarbiausiomis įžvalgomis, kurios padėjo mums pasiekti 99,7% lauko patikimumą visame mūsų gaminių asortimente.

Turinys

• Ką apie kabelių riebokšlių įtempių pasiskirstymą atskleidžia PĮG?
• Kur yra didžiausia streso koncentracija?
• Kaip skirtingos medžiagos reaguoja į šiuos įtempio taškus?
• Kokie konstrukcijos pakeitimai sumažina kritinių įtempių koncentraciją?
• DUK apie kabelių riebokšlių analizę

Ką apie kabelių riebokšlių įtempių pasiskirstymą atskleidžia PĮG?

Atlikus baigtinių elementų analizę, kabelių riebokšlių projektavimas iš spėlionių virsta tikslia inžinerija, atskleidžiančia tradiciniais bandymų metodais nematomus įtempių modelius.

Atlikus elementariojo magnetinio pluošto analizę paaiškėjo, kad kabelių riebokšliai patiria labai netolygų įtempių pasiskirstymą, o didžiausi įtempiai paprastai 3-5 kartus viršija vidutines vertes ir yra sutelkti tik 5-8% viso komponento tūrio. Ši dramatiška įtempių koncentracija paaiškina, kodėl atliekant pagrindinius bandymus kabelių riebokšliai gali atrodyti tvirti, tačiau netikėtai sugesti realiomis sąlygomis, kai susiduria keli apkrovos vektoriai.

Mūsų "Bepto" taikoma FEA metodika

Naudodamiesi ANSYS Mechanical ir SolidWorks Simulation, modeliuojame kabelių riebokšlius pagal įvairius apkrovos scenarijus:

Pagrindiniai apkrovos atvejai:

• Ašinis kabelio įtempimas: 200-800N, priklausomai nuo kabelio dydžio
• Įrengimo apkrova dėl sukimo: 15-45 Nm sukimo momento taikymas
• Šiluminis plėtimasis: -40°C iki +100°C temperatūros ciklas
• Vibracinė apkrova: 5-30G pagreitis esant 10-2000 Hz dažniui
• Slėgio skirtumas: 0-10 bar vidinis/išorinis slėgis

Medžiagų savybių integravimas:

• Tamprumo modulio kitimas priklausomai nuo temperatūros
• Poissono santykis¹ skirtingoms lydinio sudėtims
• Nuovargio stipris² ciklinės apkrovos kreivės
• Ilgalaikės apkrovos šliaužimo charakteristikos

Rezultatai nuosekliai rodo, kad taikant tradicinius "saugos faktoriaus" metodus praleidžiami kritiniai gedimo režimai, nes daroma prielaida, kad įtempiai pasiskirsto tolygiai - iš esmės klaidinga prielaida.

Patvirtinimo procesas realiomis sąlygomis

Hassanas, valdantis kelias Šiaurės jūroje esančias platformas, iš pradžių suabejojo mūsų FEA prognozėmis. "Jūsų modeliai rodo gedimą ties siūlų šaknimi, tačiau mes matome įtrūkimus ties kabelio įvadu", - paprieštaravo jis. Įrengus Deformacijos matuokliai³ 20 kabelių riebokšlių visoje platformoje, išmatuotos įtempių vertės 8% tikslumu atitiko mūsų prognozes pagal metodą FEA. Gedimo vietos neatitikimas atsirado dėl gamybos skirtumų, kurių iš pradžių nemodeliavome - tai pamoka, kuri paskatino mūsų dabartinius kokybės kontrolės protokolus.

Kur yra didžiausia streso koncentracija?

Iš mūsų išsamios PNA duomenų bazės matyti trys kritinės įtempių koncentracijos zonos, kuriose įvyksta 87% visų lauko gedimų.

Didžiausios įtempių koncentracijos yra ties: (1) sriegio šaknies spindulys su 3,2-4,1 įtempių koncentracijos koeficientais, (2) sandariklio suspaudimo sąsaja, kurioje vietinis slėgis siekia 45+ MPa, ir (3) kabelio įėjimo perėjimas, dėl geometrinio netolygumo sukuriantis 280% įtempių sustiprėjimą. Kiekvienai zonai reikia specialių konstrukcinių nuostatų, kad būtų išvengta ankstyvo gedimo.

1 kritinė zona: Siūlų šaknų įtempių koncentracija

Didžiausio streso vieta: Pirmasis įjungtas siūlas, šaknies spindulys
Tipinės įtempių vertės: 180-320 MPa (palyginti su 45-80 MPa nominaliuoju)
Gedimo režimas: Nuovargio įtrūkimų atsiradimas ir plitimas

Siūlo šaknis patiria didžiausią įtempių koncentraciją dėl:

• Aštrūs geometriniai perėjimai streso didintuvų kūrimas
• Apkrovos koncentracija dėl pirmųjų kelių įsitraukusių gijų
• Įpjovos jautrumas sustiprina paviršiaus šiurkštumas
• Likutiniai įtempiai iš gamybos procesų

FEA optimizuoti sprendimai:

• Padidintas šaknies spindulys nuo 0,1 mm iki 0,25 mm (SCF sumažėja 35%)
• Apkrovos paskirstymo modifikacijos, paskirstančios jėgas tarp daugiau nei 6 gijų
• Patobulinta paviršiaus apdaila, sumažinant įpjovos efektą
• Stresą mažinantys terminio gydymo protokolai

2 kritinė zona: Sandariklio suspaudimo sąsaja

Didžiausio streso vieta: Sandariklio ir metalo sąlyčio paviršiai
Tipinės slėgio vertės: 25-65 MPa kontaktinis slėgis
Gedimo režimas: Sandariklio išspaudimas ir laipsniškas nuotėkis

Sandarinimo sąsaja sukuria sudėtingas įtempių būsenas, įskaitant:

• Hidrostatinis suspaudimas iki 45 MPa
• Šlyties įtempiai terminio ciklo metu
• Kontaktinio slėgio svyravimai dėl netolygaus dėvėjimosi
• Medžiagų nesuderinamumas įtempiai tarp gumos ir metalo

3 kritinė zona: Kabelio įvado perėjimas

Didžiausio streso vieta: Kabelio ir rankenos korpuso sąsaja
Tipinės įtempių vertės: 120-280% viršija nominalųjį lygį
Gedimo režimas: Įtempto įtrūkimo ir sandarinimo irimas

Šioje zonoje įtempiai stiprėja dėl:

• Geometrinis netolygumas tarp lanksčiojo kabelio ir standžiojo riebokšlio
• Diferencinis šiluminis plėtimasis sąsajos įtempių kūrimas
• Dinaminis krovimas nuo kabelio judėjimo ir vibracijos
• Drėgmės patekimas pagreitinanti įtemptoji korozija

Kaip skirtingos medžiagos reaguoja į šiuos įtempio taškus?

Medžiagos pasirinkimas daro didelę įtaką įtempių koncentracijos poveikiui: kai kurios medžiagos padidina problemas, o kitos natūraliai sumažina įtempius.

Dėl jautrumo įpjovoms žalvaris pasižymi didžiausiomis įtempių koncentracijomis ties sriegių šaknimis (SCF 4,1), 316L nerūdijantis plienas pasižymi geresniu įtempių pasiskirstymu (SCF 2,8), o PA66 nailonas natūraliai slopina įtempius dėl tampriosios deformacijos, sumažindamas didžiausius įtempius 40-60%, palyginti su metalais. Norint tinkamai parinkti medžiagą, labai svarbu suprasti šias medžiagų reakcijas.

Medžiagai būdingos reakcijos į įtampą analizė

Kodėl nailonas puikiai valdo stresą

Tamprusis įtempių persiskirstymas: Dėl mažesnio PA66 tamprumo modulio (8 000 MPa, palyginti su 110 000 MPa žalvario atveju) įtempiai gali būti lokalizuoti ir perskirstyti.

Viskoelastinis slopinimas: Nuo laiko priklausančios nailono mechaninės savybės užtikrina natūralų vibracijos slopinimą ir sumažina nuovargio apkrovą 35-50%.

Šiluminės įtampos mažinimas: Mažesnis šilumos laidumas apsaugo nuo staigių temperatūros pokyčių, kurie sukelia šiluminio smūgio įtampą.

Metalo optimizavimo strategijos

Taikomosiose programose, kuriose reikia metalinių kabelių riebokšlių, pagal metodą FEA atliekami šie projektavimo pakeitimai:

Siūlų geometrijos optimizavimas:

• Padidintas šaknies spindulys (mažiausiai 0,25 mm)
• Modifikuotas sriegio žingsnis apkrovai paskirstyti
• Paviršiaus valcavimas, siekiant sukurti naudingus gniuždymo įtempius

Streso mažinimo funkcijos:

• Išgilinti grioveliai, kad būtų nutrauktas įtempių srauto kelias
• Perėjimai spinduliu vietoj aštrių kampų
• Kontroliuojamos lankstumo zonos, skirtos įtempiams absorbuoti

Kokie konstrukcijos pakeitimai sumažina kritinių įtempių koncentraciją?

Atlikus elementariųjų magnetinių elementų analizę galima tikslingai patobulinti konstrukciją, kad įtempių koncentracija būtų gerokai sumažinta nesumažinant funkcionalumo ir nedidinant sąnaudų.

Veiksmingiausios įtempių mažinimo modifikacijos: sriegio šaknies spindulio padidinimas 150% (SCF sumažėja nuo 4,1 iki 2,6), progresyvaus sandarinimo suspaudimo geometrijos įdiegimas (sąsajos slėgis sumažėja 35%) ir įtempių mažinimo įpjovos kabelio įėjimo perėjimuose (didžiausias įtempis sumažėja 45%). Dėl šių pakeitimų, patvirtintų atliekant modeliavimą pagal metodą FEA, mūsų lauko patikimumas padidėjo nuo 94,2% iki 99,7%.

Siūlų dizaino optimizavimas

Šaknies spindulio padidinimas:

• Standartinis spindulys: 0,1 mm (SCF = 4,1)
• Optimalus spindulys: 0,25 mm (SCF = 2,6)
• Premium spindulys: 0,4 mm (SCF = 2,1)

Apkrovos paskirstymo patobulinimai:

• Prailgintas sriegio įtraukimo ilgis
• Modifikuotas sriegio profilis vienodai apkrovai
• Kontroliuojama sriegio bėgimo geometrija

Antspaudų sąsajos pertvarkymas

Progresyvaus suspaudimo geometrija:
Tradicinis plokščias suspaudimas sukuria įtempių koncentraciją. Mūsų FEA optimizuota progresyvaus suspaudimo konstrukcija pasižymi šiomis savybėmis:

• Laipsniuoti kontaktiniai paviršiai apkrovos paskirstymas didesniuose plotuose.
• Kontroliuojamos deformacijos zonos sandariklio išspaudimo prevencija
• Optimizuota griovelių geometrija sandariklio vientisumo išlaikymas veikiant slėgiui

Kabelio įvesties įtampos mažinimas

Lanksčios pereinamosios zonos:

• Kontroliuojamo lankstumo sekcijos absorbuoja kabelio judėjimą
• Laipsniškas standumo perėjimas užkirsti kelią staigiems apkrovos pokyčiams.
• Integruotas įtempių mažinimas mažinti kabelio ir antgalio sąsajos įtempius.

Gamybos proceso optimizavimas

Atliekant elementariųjų elementų analizę taip pat atsižvelgiama į gamybos patobulinimus:

Paviršiaus apdailos kontrolė:

• Sriegio šaknies paviršiaus apdaila Ra ≤ 0,8 μm
• Kontroliuojama įrankio geometrija, užkertanti kelią įtempių koncentratams
• Įtampos mažinimo procesai po apdirbimo

Kokybės kontrolės integracija:

• Matmenų tolerancijos, pagrįstos jautrumo įtempiams analize
• Kritinių matmenų tikrinimo protokolai
• Įtempių kritinių savybių statistinė proceso kontrolė

Realaus veikimo patvirtinimas

Įdiegę šiuos FEA paremtus patobulinimus, 3 metus stebėjome daugiau kaip 50 000 kabelių riebokšlių eksploatacines savybes:

Patikimumo patobulinimai:

• Siūlų gedimų sumažėjo 89%
• Sumažintas sandariklių gedimų skaičius 67%
• Kabelių įvesties gedimų sumažėjo 78%
• Bendras lauko patikimumas padidėjo nuo 94,2% iki 99,7%

Pagrindinė įžvalga: nedideli geometriniai pokyčiai, atliekami remiantis elementariųjų elementų analizės rezultatais, leidžia smarkiai padidinti patikimumą be didelių sąnaudų padidėjimo.

Išvada

Galutinių elementų analizė pakeitė kabelių riebokšlių projektavimą iš patirtimi pagrįsto spėliojimo į tikslią inžineriją. Nustatydami ir spręsdami trijų kritinių įtempių koncentracijos zonų - sriegio šaknų, sandarinimo sąsajų ir kabelio įvado perėjimų - klausimus, pasiekėme precedento neturintį patikimumo lygį. Duomenys nemeluoja: Atliekant nuovargio trukmės bandymus, FEA optimizuotos konstrukcijos nuolat lenkia tradicinius metodus 300-500%. Nesvarbu, ar nustatinėjate kabelių movas kritinėms reikmėms, ar tiriate gedimus lauke, suprasti įtempių koncentracijos dėsningumus taikant PĮG analizę ne tik naudinga - tai būtina inžinerinei sėkmei užtikrinti.

DUK apie kabelių riebokšlių analizę