Износ металлоконструкций при вибрации

• Механизм износа металлоконструкций при вибрации
• Виды износа металлоконструкций при вибрации
• Усталостный износ
• Фреттинг
• Абразивный износ
• Влияние вибрации на динамические нагрузки в конструкциях
• Особенности износа в типичных узлах металлоконструкций
• Методы оценки износа металлоконструкций при вибрации
• Физико-механические процессы, ускоряющие износ
• Пути снижения износа металлоконструкций от вибрации
• Важность правильного проектирования для виброустойчивости
• Важность профилактических мер

При эксплуатации металлоконструкции неизбежно подвергаются вибрации. Не имеет значения, где именно они используются – на промышленном предприятии, строительном или инфраструктурном объекте. Даже небольшие, но регулярные колебания постепенно вызывают микроподвижки и микротрещины, снижающие со временем стабильность и надежность конструкции. Их причиной являются динамические, циклические и ветровые нагрузки, технологические процессы и резонансные явления. Их воздействие сказывается в виде появления деформаций, коррозии, ослабления соединений, усталости металла – так сказывается влияние вибрации на долговечность металлоконструкций.

Механизм износа металлоконструкций при вибрации

Воздействуя на контактные поверхности, циклические и вибрационные колебания постепенно вызывают усталостный износ металла. Он проявляется в виде множественных микроподвижек, микротрещин и микропроскальзываний в поверхностных слоях, которые накапливаются под воздействием регулярного негативного воздействия.

• Микроподвижки. Проявляются в виде микродвижений в месте соприкосновения металлоконструкции с источником вибрации. В данном случае говорят о фреттинг-износе — амплитуда здесь минимальна, но колебательные движения для металла ощутимы. Микроподвижки проявляются на микро- и макроуровне – в виде царапин, загрязнений, бороздок в месте контакта в первом случае и в виде более обширных участков износа, но визуально менее заметных. Фреттинг-износ определяют по микросрезам с орнаментом, характерным для регулярных колебаний.
• Микропроскальзывания. Представляют собой смещение под воздействием вибрации примыкающих друг к другу элементов. Проявляются в виде самопроизвольного отвинчивания, расстыковки, смещения плоскостей, разбалтывания соединений. Чем выше амплитуда колебаний, тем чаще и сильнее возникают микропроскальзывания.
• Микротрещины. Возникают под воздействием циклических колебаний в наиболее подверженных им местах. В таких точках повышенного напряжения зарождаются глубинные структурные дефекты. Постепенно микротрещины проникают вглубь металла и, достигнув критического размера, проявляются снаружи в виде питтинга, выкрашивания, шелушения.

Для каждого вида износа характерны свои проявления, вовремя заметив которые, можно предпринять меры по предотвращению разрушительных процессов.

Виды износа металлоконструкций при вибрации

Вибрационные воздействия сокращают рабочий цикл металлоконструкции, снижая ее прочность и долговечность. Они являются причиной усталостного, абразивного и фреттинг-износа.

Усталостный износ

Его провоцируют циклические нагрузки, вызывающие микротрещины в структуре металла. Они образуются в местах повышенного напряжения и постепенно разрастаются. На поверхности такие повреждения проявляются в виде волнообразных мелких трещинок и линий, расходящихся веером от эпицентра. Эти повреждения усугубляются дефектами сварки, ранее полученными царапинами. Например, усталостный износ подкрановой балки грузоподъемного крана проявляется в виде трещин в швах и прилегающих к ним областях, расшатывании заклепок и болтов, растрескивании металла вне соединений. Для долгосрочной эксплуатации металлоконструкций усталостный износ наиболее опасен.

Фреттинг

Возникает в результате колебательных микроподвижек условно неподвижных соединений. Он часто затрагивает двигатели и турбины, находящиеся под постоянной вибрационной нагрузкой, поверхности под высоким контактным давлением, а также возникает при недостаточной смазке соприкасающихся элементов. Фреттинг-износ чаще всего встречается в замковых, заклепочных, резьбовых, шлицевых, болтовых, штифтовых, фланцевых соединениях. На скорость развития такого износа влияет контактное давление (чем оно выше, тем сильнее разрушительные явления), температура и влажность воздуха (чем ниже первая и выше вторая, тем интенсивнее развивается коррозия), амплитуда подвижек в диапазоне 50–500 мкм.

Абразивный износ

Причиной этого вида износа является воздействие на металл твердых частиц, царапающих и режущих его поверхность. Трение может происходить вследствие качения, ударения, скольжения, когда более тяжелое и твердое тело воздействует на более мягкий материал. В результате такого взаимодействия на последнем остаются следы трения, бороздки, риски, царапины, канавки. Еще одна причина абразивного износа заключается в воздействии на металл мелкодисперсных частиц смазки, его соприкосновение с сыпучими материалами, а также содержащейся в воздухе пылью или взвесью. Абразивному износу регулярно подвергаются ковши экскаваторов при работе с песком и гравием, песковые насосы, рабочие части земснарядов, гидротурбины, металлоконструкции на территории цементных заводов.

В условиях промзоны одна и та же металлоконструкция может одновременно подвергаться нескольким видам вибрационного воздействия. Например, испытывать усталостный и фреттинг-износ.

Влияние вибрации на динамические нагрузки в конструкциях

Регулярная вибрация постепенно разрушает металлоконструкцию за счет изменения типовых динамических нагрузок:

• усиливается амплитуда и частота нагрузок в узлах сопряжений - появляются резонансные явления;
• меняются условия трения и контактного давления в паре соприкасающихся поверхностей;
• увеличиваются температурные деформации участков, которые уже начали разрушаться из-за остаточного напряжения, возникшего вследствие нагрева и последующего неравномерного охлаждения.

Устранить внешнюю вибрацию фактически невозможно. Ее длительное воздействие на металлоконструкцию приводит к усталостному износу, ослаблению соединений, появлению микротрещин, прогибов и искажению формы.

Особенности износа в типичных узлах металлоконструкций

Износ металлоконструкций при вибрации проявляется в ослаблении болтовых соединений, постепенном разрушении сварных швов, повреждении посадочных поверхностей гаек и подшипников.

• Болтовые соединения под влиянием вибрации разбалтываются, элементы крепежа деформируются. К ротационному и неротационному ослаблению добавляется коррозия и усталость металла.
• Микроразрушения в сварных швах, появившиеся из-за вибрации, ослабляют их, снижают их герметичность и надежность конструкции в целом. Проявляются в виде микротрещин, шлаковых включений, пор, слоистых трещин.
• Посадочные поверхности гаек и подшипников под влиянием вибрации смещаются, что приводит к самопроизвольному отвинчиванию гаек, углублению и растрескиванию дорожек качения.

Во избежание серьезных деформаций важно регулярно проводить осмотр, проверять соединения и своевременно принимать меры по укреплению конструкции, усилению швов и замене крепежа.

Методы оценки износа металлоконструкций при вибрации

Степень износа металлоконструкций при вибрации определяют при помощи расчетных, диагностических методов и испытаний.

• Вибродиагностика. С ее помощью исследуются параметры вибрации. Для их анализа используется диагностика по общему уровню вибрации, по спектральным диаграммам, по соотношению пика и фона вибросигнала, по акустической эмиссии.
• Спектральный анализ колебаний с использованием виброанализаторов. Позволяет обнаружить на ранней стадии дефекты, незаметные при визуальном осмотре.
• Визуальный контроль подразумевает осмотр элементов конструкции, сварных соединений, защитного покрытия, состояния болтовых и заклепочных соединений.
• Инструментальные методы оценки износа предполагают ультразвуковую дефектоскопию, проведение радиографического контроля и применение методов электромагнитной индукции.

Визуальный осмотр первичен. Его проводят с применением уровня, лупы, рулетки, отвеса, молотка, шаблонов и тонкой проволоки. Решение о применении других методов оценки износа принимается по результатам визуального контроля. 

Физико-механические процессы, ускоряющие износ

Негативное влияние вибрации на долговечность металлоконструкций усиливается следующими физико-механическими процессами.

• Трение постепенно «съедает» объем, размеры и форму деталей, возможен также отрыв частичек металла и целых элементов. Для снижения последствий трения на трущиеся поверхности наносят защитное покрытие или специальные смазки.
• Электрохимические реакции на виброактивных поверхностях подразумевают контакт металла с коррозийной средой. Причиной электрохимической коррозии может быть взаимодействие металла с морской водой, почвой, солевым, кислотным или щелочным раствором. В результате появляются следы коррозии, разрушающей металл.
• Особенности материала и покрытия деталей. На скорость износа влияет твердость и структура металла. Так стальные конструкции изнашиваются быстрее, чем чугунные. Для повышения износостойкости элементы металлоконструкций подвергают хромированию, высокочастотной металлизации, вибродуговой наплавке.

Повысить износостойкость конструкции позволяет правильный ее расчет, оптимальный выбор металла, узловых соединений и защитного покрытия.

Пути снижения износа металлоконструкций от вибрации

Снизить воздействие вибрации на металлоконструкцию помогает регулярный мониторинг ее состояния и регулярное техническое обслуживание. В ходе последнего осматриваются все узлы и соединения, анализируется их состояние, затягиваются болты, проверяются и уплотняются швы, восстанавливается защитное покрытие.

Если под воздействием вибрации произошли подвижки элементов, и геометрия конструкции нарушена, проводится ее балансировка. Для снижения параметров вибрации применяется демпфирование – снижение уровня вибрации за счет многослойных защитных покрытий, использования промежуточных упругих слоев, композиционных материалов, обустройства насыпей.

Для защиты металлоконструкции от вибрации предназначена также виброизоляция. Она предполагает установку виброизоляторов между самой конструкцией и источником вибрации. В этом качестве используются резиновые, пружинные, комбинированные виброизоляторы и виброподложки.

Снизить износ металлоконструкции помогают специальные износостойкие покрытия – это металлополимерные и композитные, эластомерные, полиуретановые, термонапыляемые составы и жидкая резина.

Важность правильного проектирования для виброустойчивости

Залогом износоустойчивости любой металлоконструкции является ее правильное проектирование. На стадии расчетов учитываются и анализируются все факторы, влияющие на ее виброустойчивость при эксплуатации. К ним относится определение источника вибрации, ее характера и интенсивности, учет динамических нагрузок, резонансных частот, распределения массы, жесткости узлов, структуры металла, условий эксплуатации, выбор соединений и амортизирующих систем, способов снижения вибрации.

Важность профилактических мер

Долговечность и надежность металлоконструкции обеспечивает не только грамотный проект, но и своевременная профилактика виброизноса. Профилактические меры предусматривают регулярную диагностику и обслуживание конструкции, своевременный ремонт, восстановление защитных покрытий, усиление швов, замену деформированных элементов.