1257951388

3. KRYTERIA OKREŚLANIA CZASU PRACY ELEMENTÓW MASZYN W WARUNKACH PEŁZANIA

3.1. Kryteria przemieszczeniowe

Jednym z efektów pełzania jest ciągła zmiana odkształceń i przemieszczeń elementów zachodząca w czasie eksploatacji. Zjawisko to, łatwe do stwierdzenia w sposób doświadczalny, może limitować trwałość. Stąd też jednym z najwcześniej formułowanych kryteriów określających czas pracy w warunkach pełzania było kryterium przemieszczeń dopuszczalnych, zapisywane następująco:

(3.1)

U ^ ^dop

gdzie:

u = u^E + u^T + u^c,

u^E, u^T, u^c - przemieszczenie sprężyste, termiczne, pełzaniowe.

W turbinach, w szczególności turbinach gazowych, kryterium to znajduje zastosowanie zwłaszcza w odniesieniu do zespołu wirującego. Na skutek postępujących odkształceń trwałych wirnika oraz łopatek następuje stopniowa kasacja luzu promieniowego, mogąca doprowadzić w efekcie do zatarcia. Problem ten zostanie szczegółowo omówiony w pkt. 6.

Problem skasowania luzów odnosi się również do wzajemnych przemieszczeń osiowych elementów wirujących i kadłuba. I w tym przypadku proces pełzania powodujący dodatkowe ugięcia łopatek kierowniczych w turbinach reakcyjnych, jak i tarcz kierowniczych w turbinach akcyjnych może limitować trwałość turbiny. Nadmierne przemieszczenia wywołane pełzaniem mogą również doprowadzić do zluzowania połączeń skurczowych tarczy wirnikowej na wale lub pierścieni skurczowych łączących kadłuby wewnętrzne [70].

Wymienione powyżej procesy ilustrują wpływ przemieszczeń wywołanych pełzaniem na trwałość elementów turbin i zwracają uwagę na rolę kryteriów przemieszczeniowych przy określaniu bezpiecznego czasu pracy. Zastosowanie w praktyce powyższych kryteriów wymaga ustalenia dopuszczalnej wartości przemieszczeń dla danego elementu oraz metody oceny aktualnej ich wartości w czasie eksploatacji. Przemieszczenia dopuszczalne ustala się na podstawie analizy pracy danego węzła konstrukcyjnego biorąc pod uwagę zarówno własności materiału, jak i wszystkie inne zjawiska wpływające na

proces przemieszczeń (np. przemieszczenia termiczne). Ocenę aktualnych przemieszczeń wykonuje się na podstawie metod doświadczalnych (pomiary) i teoretycznych (analitycznych i numerycznych).

3.2. Kryteria zniszczenia

Długotrwała eksploatacja elementów maszyn w warunkach pełzania prowadzi do ciągłego wzrostu deformacji, a w efekcie końcowym do zniszczenia elementu. Czas i rodzaj zniszczenia mocno uzależnione są od temperatury, obciążenia i własności materiału [19, 31, 58, 88, 100, 111].

Badanie przełomu próbek wskazuje na istnienie 2 mechanizmów zniszczenia: zniszczenia ciągliwego (transkrystalicznego) i kruchego (interkrystali-cznego) [130].

W pierwszym przypadku pod działaniem względnie dużych naprężeń oraz znacznych odkształceń pełzania następuje propagacja mikroszczelin wzdłuż płaszczyzn poślizgów, doprowadzając do redukcji przekroju próbki i jej zniszczenia. W drugim przypadku pod działaniem stosunkowo małych naprężeń w wysokich temperaturach następuje tworzenie mikropęknięć na granicy ziarn. Ich wzrost oraz wzajemne zlewanie się doprowadza do osłabienia poprzecznego przekroju i kruchego zniszczenia. W tym przypadku odkształcenia próbki są niewielkie. W zakresie średnich naprężeń dokonuje się zniszczenie typu mieszanego.

Z uwagi na złożoność i wagę problemu dokładne określenie czasu zniszczenia jest jednym z podstawowych zagadnień w badaniach procesów pełzania elementów maszyn. Zagadnienie to wymaga wszechstronnego rozpatrzenia uwzględniającego różne sposoby podejścia zarówno od strony fizyki zjawiska, jak i opisów fenomenologicznych. Omówione poniżej kryteria można zasadniczo podzielić na dwie grupy. Do grupy pierwszej należą kryteria analityczne, spośród których wyróżniono:

-    kryterium naprężeniowe, gdzie decydującą rolę przy określeniu czasu zniszczenia mają naprężenia,

-    kryteria odkształceniowe, gdzie o czasie zniszczenia wnioskuje się na podstawie analizy odkształcenia,

-    kryteria energetyczne, w których wielkością kryterialną są pewne funkcje energii kumulowanej i dyssypowanej.

Drugą grupę stanowią kryteria fizykalne rozumiane jako kryteria ustalone na podstawie bezpośrednich pomiarów stanu i cech materiału najczęściej przy użyciu technik metalograficznych.

Z uwagi na fakt stosunkowo krótkiego okresu badań eksperymentalnych próbek na pełzanie, istnieje konieczność dokonywania ekstrapolacji wyników badań. Ekstrapolację taką prowadzi się zazwyczaj opierając się na tzw. para-