• Nem Talált Eredményt

Üzemi körülmények között végzett szilárdsági mérések

In document Vasúti jármű méréstechnika (Pldal 156-163)

6. Szilárdsági mérések

6.5. Üzemi körülmények között végzett szilárdsági mérések

Törések, repedések, stb. fellépése esetén azok okának felderítésében sokszor az üzemi kö-rülmények között végrehajtott mérések nyújthatnak segítséget. Mivel a vasúti járművekre ható terhelések nagysága az időben általában változik, a terhelések időfüggvényeinek frekvenciája is sokszor tág határok között ingadozik, ezért a járművek alkatrészeinek igénybevétele fárasz-tó jellegű. Emiatt a mérések eredményeit is a kifáradási számításokban szokásos módszerek-kel módszerek-kell értémódszerek-kelnünk.

A vasúti járművek igénybevétele az egyes üzemmódokhoz tartozó terhelések jellegzetes függvénye. Ezek az üzemmódok például az indítás folyamata, a fékezés folyamata, futás pá-lyaívben, stb., illetve ezek kombinációi. Ezért az üzemi körülmények között végzendő szilárd-sági mérések megkezdése előtt meg kell állapítani, hogy milyen üzemi körülmények között,

il-letve terheléskombinációk között kell a méréseket végrehajtani. Bizonyos üzemmódok állan-dó és változó terheléseket egyaránt okoznak, például az indítási folyamat alatt a hajtó nyoma-ték érnyoma-téke állandó, illetve csak lassan változik, viszont a hajtáslánc egyes elemeitől származ-hatnak időben változó, sokszor periodikus nyomaték-összetevők, például fokozat-átkap-csolások alatt. A többé-kevésbé állandó sebességgel történő futás alatt a terhelés állandó ösz-szetevője viszonylag kisebb, a változó terhelés-összetevő nagyobb. Mindezekből következik, hogy az egyes járműalkatrészek többnyire kifáradásra vannak igénybe véve.

Az időben gyorsan változó igénybevételek miatt az igénybevételek mérésére csak a nyúlás-mérő bélyegek alkalmazása jöhet szóba. Ha az alkatrészben fellépő feszültségről feltételezzük, hogy egytengelyű (például viszonylag hosszú, csak a végein terhelt alváztartók közepe táján), akkor egyszerű, egy-irányban mérő bélyeget alkalmazhatunk, ekkor a regisztrált ε(t) nyúlás-idő függvényből adódó ζ(t) feszültség-nyúlás-idő függvény:

) végrehajtható, ennek a módját a későbbiekben tárgyaljuk.

A vasúti járműalkatrészek felületének alakváltozása (és az ébredő feszültségek állapota) sajnos csak eléggé ritkán tekinthető egytengelyűnek. Tartók csatlakozásánál, a csomólemeze-ken, a szekrényhéjazaton, stb. az alakváltozási és a feszültségi állapot a tartó felületén gyakor-latilag mindig kéttengelyű, tehát van ε1 és ε2 főnyúlás, valamint ζ1 és ζ2 főfeszültség. Így az ilyen helyeken mindig három irányban mérő bélyeget, rozettát kell alkalmaznunk.

A levezetett összefüggések, amelyekkel a rozetták három mért nyúlásából (εa, εb és εc) a két főnyúlást meg lehet határozni, elvileg változó nyúlásokra is alkalmazhatók. Ha tehát van εa(t), εb(t) és εc(t) nyúlás-idő függvényünk, az ε1(t) és ε2(t) főnyúlás-idő függvények a következő-képpen határozhatók meg:

   

2

 

2

A főnyúlás-idő függvényekből a főfeszültségeket is időfüggvények alakjában kapjuk:

( ) . ( )

A két főfeszültség-idő függvényből mindig egyenértékű (redukált) feszültséget kell megha-tároznunk, mert az értékelő módszerek mindig egyetlen ζ(t) feszültség-idő függvényt tudnak figyelembe venni. Az eddigiekben a Mohr-féle elmélet és az alakváltozási munka elmélet módszerét tekintettük át. Így az értékelésnek a mért εa(t), εb(t) és εc(t) nyúlás-idő függvények-től az n kifáradási biztonsági tényezőig vezető útja – úgy tűnik – jól ki van dolgozva.

Azonban a tapasztalatok szerint e képletek használatakor célszerű óvatosnak lenni. A fő-nyúlások képleteiben található négyzetre emelések eredménye mindig pozitív előjelű mennyi-ség. Ha tehát a mért alkatrészre váltakozó előjelű, lengő terhelés hat, aminek következtében a fellépő nyúlások is minden valószínűség szerint ugyancsak lengő jellegűek lesznek, a főnyúlá-sok számításánál viszont a négyzetre emelések és gyökvonáfőnyúlá-sok eredményeként a kapott nyú-lás-függvény több összetevője csak pozitív értékeket fog felvenni, így ez a belőlük számított főfeszültségek számértékét várhatóan ugyancsak befolyásolja.

Az egyenértékű (redukált) feszültségek időfüggvényeinek meghatározásakor nem szabad elfelejtenünk, hogy mind a Mohr-, mind az alakváltozási munka elméletével kapott eredmé-nyeket csak statikus terhelésekre ellenőrizték. A Mohr-elmélet képleteinek használatakor ha mindkét főfeszültség azonos előjelű, az egyenértékű feszültség előjele is ez lesz, de ha a két előjel különbözik, a Mohr-elmélet csak pozitív eredményt ad. Az alakváltozási munka elméle-tével kapott eredmény előjele csak pozitív előjelű lehet, akárhogyan is váltakozik a két főfe-szültség előjele.

A felsorolt bizonytalanságokat úgy védhetjük ki, hogy a folytonos nyúlási időfüggvények értékelését annak rendje-módja szerint elvégezzük, viszont akár az értékelés előtt, vagy utána célszerű megtekinteni a nyúlás-idő függvények diagramjait. Amennyiben mindhárom függ-vény előjele állandó (akár pozitív, akár negatív, csak előjelet ne váltson), akkor az értékeléssel nincs semmi probléma. Ha viszont bármelyik nyúlás-idő függvény görbéje előjelet vált, akkor a számított egyenértékű feszültség előjelével szemben óvatosnak kell lenni, kétes esetben in-kább a rosszabbat kell választani. A következőkben ismertetett biztonsági tényező kiszámítá-sánál ezt úgy vehetjük figyelembe, hogy valamivel nagyobb biztonsági tényezőt kell megen-gedhetőnek tekintenünk.

Mindezek előre bocsátásával most rátérhetünk a használható kifáradási értékelési módsze-rek áttekintésére. Mint említettük, a mérés Megrendelőjével meg kell állapodni a mérés során tekintetbe vett üzemmódokban. Mindegyik üzemmódban, minden egyes kiválasztott mérőhe-lyen egy-egy egyenértékű (redukált) ζi,j(t) feszültség-idő függvényt kapunk, ahol i a mérőhely indexe, j pedig az üzemmód indexe. A 6.15. ábrán láthatunk egy-egy lehetséges részletet az egyes ζi,j(t) függvények diagramjaiból.

(t)

(t) (t)

i,j

t i,j+1

n és így tovább:

i = 1, N j = 1, M

t t

i,j+2

U (t)2 j, j+1, j+2-ik üzem m ód

Feszültség-idö függvények:

i-ik m éröhely

U (t)1

6.15. ábra. Időben változó jelek kiértékelése.

Minden egyes mérőhelyen, minden egyes figyelembe vett üzemmódban a Tjel hosszúságú ζi,j(t) feszültség-idő függvényt Nk darab ζi diszkrét feszültség-számérték képviseli (a további-akban feltételezzük, hogy az értékelést digitális számítógéppel hajtjuk végre, bár az értékelési műveleteket analóg áramkörökkel is el lehetne végezni). Ugyanazon mérőhelyen az egyes üzemmódokhoz tartozó feszültség-idő függvényeket célszerű mind külön kiértékelni, mert amint a továbbiakban látni fogjuk, a kifáradási biztonsági tényező számértékét az is

befolyá-solja, hogy mekkora a feldolgozott feszültség-idő függvényben a ζm középfeszültségnek és a ζa feszültség-amplitúdónak az aránya. Ezért minden egyes ζi,j(t) feszültség-idő függvénynek kell a ζm,i,j középfeszültsége és ζa,i,j amplitúdója (6.16. ábra):

egyenértékü:

t

(t)

i,j

m t

(t)

eg y en

a

6.16. ábra. Feszültség középérték és amplitúdó.

Megjegyezzük, hogy a kifáradási biztonsági tényező számítási eljárásában az egyenértékű ζegyen(t) feszültségfüggvény körfrekvenciáját nem veszik számításba.

Az egyenértékű ζm középfeszültség és ζa feszültség-amplitúdó meghatározására többféle módszer lehetséges, ilyen például az előforduló amplitúdók sűrűségfüggvényének meghatáro-zása, majd ebből az amplitúdók várható értékének meghatározása ([26]-4. fejezet, 39.o.), ha-sonló eredményre juthatunk a ζ(t) jel szintátlépési számainak meghatározásával ([1]191.o.).

Kihasználva azt a tényt, hogy a kifáradási biztonság értékelésére szolgáló módszerek általában nem veszik figyelembe a ζ(t) jelnek a frekvenciától való függését, az egyenértékű ζm középfe-szültség és ζa feszültség-amplitúdó meghatározásának egy viszonylag egyszerű módszere az lehet, amit a Futásminősítő mérések értékelésénél már bemutattunk. A módszer a következő-képpen határozza meg a ζm középfeszültséget és ζa feszültség-amplitúdót a Tjel hosszúságú ζ(t) jelből, illetve a digitálissá konvertált Nk darab diszkrét ζi feszültségértékből (i = 1,…Nk) határozzuk meg.

A ζm középfeszültség számítása a

Tjel

jel

m t dt

T1 . 0 ( ).

, illetve

Nk

i i k

m N1 . 1

kéőlet

alapján történik, vagyis ez a ζi feszültségértékek várható értéke, illetve a ζ(t) jel középértéke.

Ennek ismeretében képezünk az eredeti ζ(t) feszültségfüggvényből egy „nullközepű” ζ0(t) fe-szültségfüggvényt analóg jel esetén a 0(t) (t)m, összefüggéssel, illetve a digitális je-lek esetében az i-ik új feszültségérték:0,i i m ;i 1,..., Nk.

Az egyenértékű ζa feszültség-amplitúdót úgy kaphatjuk meg, mint a nullközepű ζ0(t) fe-szültségfüggvény, illetve a ζ0,i feszültségértékek négyzetes középértékének négyzetgyökét (RMS), majd annak a √2-szeresét vesszük:

Tjel

jel

RMS t dt

T1 . 0 0( ).

, illetve:

Nk

i i k

RMS N 1

2 ,

. 0

1 és ezekből: a RMS . 2. Mivel a ζa feszültség-amplitúdó és a ζm középfeszültség egymáshoz képest nagyon eltérő arányúak lehetnek, ennek az aránynak egyik szokásos indexszáma az r aszimmetria-tényező:

max min

r

Az r aszimmetria-tényező jellegzetes értékeihez tartozó feszültségfüggvények a 6.17. ábrán láthatók. Az aszimmetria-tényező segítségével szokták jelölni a lengő és lüktető feszültség-függvény legnagyobb ζmax és legkisebb ζmin feszültségértéket, valamint a ζa amplitúdót és a ζm középértéket:

lengő ζ(t) feszültség: ζmax = ζ-1 , ζmin = - ζ-1 , ζa,-1 = ζ-1 és ζm,-1 = 0 lüktető ζ(t) feszültség: ζmax = ζ0 , ζmin = 0 , ζa,0 = ζ0/2 és ζm,0 = ζ0/2 .

A ζa egyenértékű feszültség-amplitúdó és ζm középfeszültség ismeretében foghatunk hozzá a fáradási szilárdsági mérések értékeléséhez. A fáradási szilárdsági mérések kiértékelő mód-szerei általában egy n kifáradási biztonsági tényezőt határoznak meg a szerkezeti anyagok fá-radási teherbírása alapján. Ennek a bemutatásához tekintsük át a szerkezeti acélanyagok fára-dási teherbírását megadó diagramokat, azok között is elsősorban a Smith diagramot. A Smith-diagramot a 6.18. ábra mutatja be.

= 0

m in

(t)

m in

m ax

t t

(t)

m in

m ax

t

m ax

(t)

(lüktető)

= 0 .0 r =

(általános eset)

> 0 .0 r = m in

m ax m ax

m in = -1 .0 (lengő)

m in m ax

r =

6.17. ábra. Az aszimmetria tényező különböző jelek esetén.

A Smith-diagram a ζm középfeszültség függvényében ábrázolja a ζmax és ζmin legnagyobb és legkisebb feszültségeket. Így egy jellegzetes, görbe vonalakkal határolt, zárt görbét kapunk.

A két görbeág a ζm = 0 helyen a lengő feszültség legnagyobb ζmax = ζ-1 , valamint a legkisebb ζmin = - ζ-1 értékéből indul. Az origóból induló 45 -os egyenes tartalmazza a legnagyobb és a legkisebb feszültségértékek számtani középértékét, vagyis a ζm középfeszültséget. Ahol a fe-szültség eléri a ζF folyáshatárt, ott a zárt görbét korlátozzák.

6. SZILÁRDSÁGI MÉRÉSEK 165

m ax

- - 1

- 1 m ax m in

0 F

m *

B F

m

ma

B

*

0 B

ma

m in

F - 1

6.18. ábra. Smith-diagram.

m ,0 a,0

a,-1 a

m

* B

F

a

0

m

B m ,0

6.19. ábra. Haigh-diagram.

Az eredeti Smith-diagramot enyhe íveltségű görbék határolták, ezt a diagramon látható módon egyenes szakaszokkal szokták közelíteni. A diagramon bejelöltük az r = -1 lengő, és az r = 0 lüktető feszültségfüggvények legkisebb és legnagyobb értékeit is, valamint egy általá-nosabb eset (ζm - ζa) értékpárját is.

Elterjedt a Smith-diagramnak egy egyszerűbb változata is, a Haigh-diagram (6.19. ábra):

A Haigh-diagram a Smith-diagramnak a középfeszültség 45 -os egyenese feletti része, a ζm

középfeszültség függvényében van ábrázolva a ζa feszültség-amplitúdó. A diagram jellegzetes pontjai megfelelnek a Smith-diagram jellegzetes pontjainak: a diagram a ζa,-1 pontból (megfe-lel a lengő feszültség ζ-1 pontjának) indul, a töréspont a ζ* értékű középfeszültségnél van, majd a ζF értékű középfeszültségnél lesz zérus. A lüktető feszültség ζm,0 középfeszültségét és ζa,0 amplitúdóját az origóból induló 45 -os egyenes és a diagram határvonalának metszéspont-ja admetszéspont-ja meg.

A kifáradási biztonsági tényező meghatározására használt módszereket e két diagram segít-ségével mutatjuk be. A legegyszerűbb eset az, amikor tiszta lengő igénybevétel esetében (6.18. ábra) ζm = 0 és az ébredő feszültség amplitúdója ζa . A Smith-diagramon a ζm = 0 ér-tékhez a ζ-1 és a - ζ-1 kifáradási határok tartoznak, ezeket kell összehasonlítanunk:

fel m éret

gát a

terhelés teherbírás n

. . .

1

ahol α: feszültségtorlódási tényező;

βgát : gátlástényező (a teljes kifáradási szilárdság kifejlődésének gátlási mértéke);

βméret : az alkatrész méretétől függő tényező;

βfel : az alkatrész felületi minőségének tényezője.

A négy tényező értékeit táblázatokban lehet megtalálni, például [25]-ben, [26]-ban és [29]-ben.

Tiszta lengő terhelés és ébredő igénybevétel a gyakorlati esetek kisebb részében fordul elő, többnyire a középfeszültségre az áll, hogy m 0. Az ilyen esetekre több elmélet és mód-szer is használatban van, közöttük a két legismertebb a VDI módszer és a Soderberg módszer [25], [26], [29].

6.5.1. A VDI módszer

A VDI módszert a Smith diagram segítségével lehet legkönnyebben bemutatni (6.20. ábra).

Tegyük fel, hogy a mért ζ(t) feszültségfüggvény középfeszültsége ζm , amplitúdója ζa , így a legnagyobb feszültség ζmax = ζm + ζa , a legkisebb feszültség pedig ζmin = ζm - ζa . A VDI módszer szerint megkeressük az azonos ζm középfeszültséghez tartozó ζkif felső kifáradási ha-tár-amplitúdót, és a mért ζa feszültség-amplitúdót ζkif –hez hasonlítjuk:

fel m éret

gát a

n kif

. . .

.

[26]-ban Zsáry megjegyzi, hogy ez a módszer előnyös lehet rezonancia-problémák vizsgá-latánál, ahol feltehető, hogy a középfeszültség nem változik.

k if

- - 1

m a a

- 1 F m ax m in

* F

m

B B

6.20. ábra. A VDI módszer.

6.5.2. A Soderberg-módszer

A Soderberg-módszer is a ζa feszültség-amplitúdóhoz keresi a tönkremenetelt kiváltó ζkif

kifáradási feszültség-amplitúdót. Soderberg feltételezte, hogyha van egy ζm középfeszültségű és ζa amplitúdójú mért feszültségfüggvény, akkor a kifáradást egy ugyanilyen ζa / ζm arányú ζkif,ampkif,m igénybevétel fogja előidézni. Ezt a legegyszerűbben a Haigh-diagramon tudjuk bemutatni (6.21. ábra).

6. SZILÁRDSÁGI MÉRÉSEK 167

O m

kif,am p

a

P

a

a,-1

m

kif,m *

F B

Pkif

a

0

m

B m ,0

6.21. ábra. A Soderberg módszer.

A mért ζa feszültségamplitudó és ζm középfeszültség meghatározza a P pontot. Összekötve az O origóval, az egyenes a Haigh-diagram határgörbéjét a Pkif pontban metszi, ennek a pont-nak a koordinátái a ζkif,m középfeszültség és a ζkif,amp feszültség-amplitúdó. Ekkor a kifáradási biztonsági tényező értéke:

fel m éret

gát a

kif

fel m éret

gát a

am p

n kif

. . . .

. .

, .

A teljesség kedvéért említsük meg az orosz műszaki szakirodalomban alkalmazott Szerenszen-elméletet is. Ezen elmélet hasonlít a Soderberg-módszerhez, a Haigh-diagramnak egy egyszerűsített alakját használja. Nagyobb biztonsági tényezőt eredményez a Soderberg-módszerhez képest. Bővebbet [26]-244. oldalán, valamint [29] 4. fejezetében találhatunk.

A három elmélettel kapott ζkif feszültség-amplitúdó természetesen nem egyenlő. Mindhá-rom elmélet kidolgozói a saját elméletük műszaki alapjai mellett érvelnek, a gyakorlati hasz-nálat során lehet tapasztalatot szerezni, hogy melyik elmélet közelíti meg legjobban a valósá-got.

In document Vasúti jármű méréstechnika (Pldal 156-163)