Tìm kiếm tài liệu miễn phí

Đánh giá khả năng tăng tuổi thọ mỏi của kết cấu hàn khi được xử lý bằng phương pháp rung khử ứng suất dư

Nội dung bài viết trình bày về nguyên tắc, khi loại bỏ được các ứng suất dư này sẽ làm tăng tuổi thọ mỏi của kết cấu hàn, tuy nhiên khi thực hiện quá trình khử ứng suất dư bằng phương pháp rung động, kết cấu lại phải chịu tác động của tải trọng cưỡng bức có cường độ lớn với tần số nhất định, điều này sẽ gây ra tổn thương mỏi cho kết cấu và có thể làm giảm tuổi thọ của chúng. Mời các bạn tham khảo!



Đánh giá tài liệu

0 Bạn chưa đánh giá, hãy đánh giá cho tài liệu này


  • 5 - Rất hữu ích 0

  • 4 - Tốt 0

  • 3 - Trung bình 0

  • 2 - Tạm chấp nhận 0

  • 1 - Không hữu ích 0

Mô tả

Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ

Đánh giá khả năng tăng tuổi thọ mỏi của kết cấu hàn
khi được xử lý bằng phương pháp rung khử ứng suất dư
Bùi Mạnh Cường*, Nguyễn Văn Dương
Khoa Cơ khí, Học viện Kỹ thuật quân sự
Ngày nhận bài 17/10/2017; ngày chuyển phản biện 23/10/2017; ngày nhận phản biện 20/11/2017; ngày chấp nhận đăng 28/11/2017

Tóm tắt:
Ứng suất dư sinh ra trong quá trình hàn phần lớn là các ứng suất có hại, làm cong vênh, nứt gẫy chi tiết, đặc biệt
làm giảm tuổi thọ mỏi của kết cấu. Về nguyên tắc, khi loại bỏ được các ứng suất dư này sẽ làm tăng tuổi thọ mỏi của
kết cấu hàn, tuy nhiên khi thực hiện quá trình khử ứng suất dư bằng phương pháp rung động, kết cấu lại phải chịu
tác động của tải trọng cưỡng bức có cường độ lớn với tần số nhất định, điều này sẽ gây ra tổn thương mỏi cho kết
cấu và có thể làm giảm tuổi thọ của chúng. Về vấn đề này, các nghiên cứu trong và ngoài nước rất ít được công bố.
Trong bài báo này, các tác giả trình bày kết quả nghiên cứu, khảo sát và so sánh mức độ thay đổi tuổi thọ mỏi của
kết cấu ứng dụng trên chi tiết trục căng xích máy xúc ЭКГ-5А sau khi hàn phục hồi và được xử lý khử ứng suất dư
bằng phương pháp rung động.
Từ khóa: Kết cấu hàn, rung khử ứng suất dư, ứng suất dư.
Chỉ số phân loại: 2.3

Evaluating the possibility of increasing
the fatigue life of welded structures
by the vibratory residual stress relief method
Manh Cuong Bui*, Van Duong Nguyen
Faculty of Mechanical Engineering, Military Technical Academy
Received 17 October 2017; accepted 28 November 2017

Abstract:
Residual stresses produced in the welding process mostly are harmful ones
which make the welded structures be bent and cracked, and specially reduce
the life of the structures. Applying the residual stress relief method will
increase the age of the connectors; however, when performing the process of
balancing with vibration, the connectors must be influenced by the load at a
high frequency. This will damage the connectors and may reduce their age.
However, domestic and foreign research on this issue is rarely published.
In this paper, the authors present the results of research, investigation and
comparison of the change in the fatigue life of the structures applied on the
ЭКГ-5А contact shaft after restoration welding and being processed by the
vibratory residual stress relief method.
Keywords: Residual stress, vibratory residual stress relieving, welded structures.
Classification number: 2.3

Tác giả liên hệ: Email: manhcuongkck@gmail.com

*

60(1) 1.2018

25

Đặt vấn đề
Khử ứng suất dư bằng phương
pháp rung động có những ưu điểm
nổi trội mà các phương pháp truyền
thống khác như già hóa tự nhiên, ủ…
không có được. Đây là phương pháp
nhanh, tiết kiệm năng lượng và không
làm thay đổi màu sắc, thẩm mỹ, tính
chất vật liệu của chi tiết. Đặc biệt,
phương pháp này cho phép khử ứng
suất dư cho kết cấu có khối lượng và
kích thước lớn mà phương pháp truyền
thống như ủ khử ứng suất dư không
thực hiện được. Vì vậy, trong những
năm gần đây phương pháp khử ứng
suất dư trong kết cấu bằng rung động
thu hút sự quan tâm nghiên cứu của rất
nhiều nhà khoa học trên thế giới, đã có
những nghiên cứu đề cập và làm sáng
tỏ ảnh hưởng của các thông số công
nghệ như tần số, cường độ đặt lực kích
thích đến hiệu quả rung khử ứng suất
dư trong kết cấu [1, 2]. Tuy nhiên, một
trong những yếu tố cơ bản, quan trọng
ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng ứng
dụng của phương pháp này trong thực
tế kỹ thuật là mức độ thay đổi tuổi
thọ của kết cấu khi được xử lý bằng

Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ

phương pháp rung khử ứng suất dư
lại rất ít được nghiên cứu và đề cập.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu, khảo
sát và so sánh mức độ thay đổi tuổi thọ
mỏi của kết cấu ứng dụng trên các chi
tiết thực tế có ý nghĩa quan trọng trong
việc ứng dụng phương pháp này vào
thực tiễn sản xuất.

Mô hình tích lũy tổn thương mỏi và
tuổi thọ mỏi của kết cấu chịu ảnh
hưởng của quá trình rung khử ứng
suất dư
Để đánh giá tuổi thọ mỏi của kết
cấu chịu ảnh hưởng của quá trình rung
khử ứng suất dư, ta sử dụng mô hình
tích lũy tổn thương mỏi tuyến tính do
Miner đề xuất [3-5]. Ở đây, ứng suất
dư đóng vai trò như ứng suất ban đầu
trong kết cấu và là ứng suất trung bình
đối với mỗi chu trình chịu tải của kết
cấu. Tổng tích lũy tổn thương mỏi
đối với chi tiết khi được xử lý bằng
phương pháp rung khử ứng suất dư và
khi không được rung khử ứng suất dư
lần lượt được xác định theo công thức
(1) và (2).
D1 = Dr + Dm



(1)

D0 = Dσm0

(2)

Trong đó, Dóm1 là tổn thương mỏi
của kết cấu trong quá trình làm việc
sau khi được rung khử ứng suất dư, có
ứng suất trung bình (ứng suất dư) ứng
với mỗi chu trình chịu tải là σm1; Dóm0
là tổn thất mỏi của kết cấu trong quá
trình làm việc khi không được rung
khử ứng suất dư, có ứng suất trung
bình (ứng suất dư) ứng với mỗi chu
trình chịu tải là σm0 ; Dr , Dóm1 và Dóm0
lần lượt được xác định theo các công
thức (3), (4), (5).

n
Dr = ∑ i
i =1 N i
R

L

Dσ m1 = ∑
i =1

niσ m1
N iσ m1

(3)

(4)

60(1) 1.2018

L

Dσ m 0 = ∑
i =1

niσ m 0
N iσ m 0

(5)

Trong đó, Ni là số chu trình tới phá
hỏng theo đường cong mỏi khi biên độ
ứng suất ở mức i sinh ra do quá trình
rung khử ứng suất dư; ni là số chu trình
lặp lại của biên độ ứng suất ở mức i
trong quá trình rung khử ứng suất dư;
R là số mức biên độ ứng suất khác
nhau trong quá trình rung khử ứng suất
dư; niσm1, niσm0 lần lượt là số chu trình
tới phá hỏng theo đường cong mỏi khi
biên độ ứng suất ở mức i và có ứng suất
trung bình lần lượt là σm1 (ứng suất dư
còn lại trong kết cấu sau khi rung), σm0
(ứng suất dư sinh ra trong kết cấu hàn
không được xử lý rung khử ứng suất
dư); niσm1, niσm0 lần lượt là số chu trình
lặp lại của biên độ ứng suất ở mức i
trong quá trình kết cấu làm việc; L là
số biên độ ứng suất khác nhau trong
quá trình làm việc của kết cấu.
Số chu trình tới phá hỏng niσm1,
niσm0 được xác định trên cơ sở đường
cong mỏi hiệu chỉnh khi kể đến yếu tố
ảnh hưởng của ứng suất trung bình σm1,
σm0 làm giảm giới hạn bền mỏi của kết
cấu theo giả thuyết của Gerber [4, 5].
N iσ mj =

C
(σ −1i ) m



(6)

Trong đó, σ-1i được xác định theo
giả thuyết của Gerber [5].
2

 σ 
σ ai
= 1 −  mj 
σ −1i
 σB 

Hay:

σ −1i =

σ ai
2
 σ mj 
1− 

 σB 

(7)

(8)

Ở đây, σmj ( j = 0,1) là ứng suất trung
bình hay ứng suất dư trong kết cấu khi
không được xử lý rung khử ứng suất
dư và khi được rung khử ứng suất dư;
σai là biên độ ứng suất trong mỗi chu
trình chịu tải i; σB là giới hạn bền kết
cấu; C là hệ số đường cong mỏi.

26

Kết cấu trong quá trình làm việc
được xem là bị phá hỏng vì mỏi khi
tổng tổn thất mỏi tích lũy bằng 1 [3-5],
hay từ các phương trình (3), (4), (5),
ta có kết cấu được xử lý rung khử ứng
suất dư cũng như kết cấu không được
rung khử ứng suất dư sẽ bị phá hỏng vì
mỏi trong quá trình làm việc nếu tương
ứng thỏa mãn các điều kiện sau:
Dr + Dσ m1 =
1

(9)

Dσ m 0 = 1

(10)

Từ điều kiện (9), (10), ta xác định
được tuổi thọ mỏi trung bình (số chu
trình làm việc đến hỏng) của kết cấu
khi được rung khử ứng suất dư và của
kết cấu khi không được rung khử ứng
suất dư lần lượt theo các công thức
như sau:



__

N r= (1 − Dr )



i m

(11)

i m
i m

L

__

N0 =

∑ nσ
i =1
L

i m0

niσ m 0

i =1 N iσ m 0

(12)

Các công thức (11), (12) là cơ sở
để đánh giá khả năng tăng tuổi thọ mỏi
của kết cấu nhờ phương pháp rung khử
ứng suất dư.

Kết quả thực nghiệm và thảo luận
Để minh họa vấn đề đánh giá khả
năng tăng tuổi thọ mỏi của kết cấu
dạng hàn khi được xử lý bằng phương
pháp rung khử ứng suất dư, ta xem xét
bài toán rung khử ứng suất dư cho trục
căng xích máy xúc ЭКГ-5А được phục
hồi bằng phương pháp hàn ngõng trục
phải tại vị trí R12 vào thân trục (hình
1). Trục căng xích máy xúc làm từ thép
40X, có mô đun đàn hồi E = 2,17.105
Mpa; mật độ ρ = 7,85 kg/m3; σB = 610
MPa; σ-1 = 430 Mpa [3, 4].

Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ

Hình 1. Trục căng xích máy xúc ЭКГ-5А.

Sự hình thành ứng suất dư do hàn
phục hồi và quá trình rung khử ứng
suất cho trục căng xích máy xúc ЭКГ5А được phân tích trên cơ sở phương
pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm
ANSYS của Mỹ, được đo kiểm tra lại
bằng phương pháp khoan lỗ theo tiêu
chuẩn ASTM E837-01 [6] trên thiết
bị và tem đo chuyên dụng của nhóm
nghiên cứu (hình 2). Kết quả phân bố
ứng suất dư do hàn phục hồi được thể
hiện trên hình 3. Bảng 1 thể hiện kết
quả phân tích ứng suất dư và đo kiểm
tại vị trí sát cạnh mối hàn. Dựa vào
bảng 1 ta thấy, kết quả phân tích và đo
kiểm khá gần nhau, sai số không quá
10%.

Hình 3. Phân bố ứng suất dư trên trục căng xích sau khi hàn phục hồi.

Hình 2. Tem đo ứng suất dư.
Bảng 1. Ứng suất dư (Von-Mises)
(MPa) tại cạnh mép hàn trên trục
căng xích máy xúc ЭКГ-5А trước khi
rung khử ứng suất dư.
Kết
quả

phỏng

Kết quả đo
theo phương
pháp khoan lỗ
theo tiêu chuẩn
ASTM E837-01

Sai số
(%)

195,3

210,9

8%

60(1) 1.2018

Hình 4. Rung khử ứng suất dư cho chi tiết trục căng xích.

Quá trình rung khử ứng suất dư
cho trục căng xích được tiến hành theo
khuyến cáo chung của phương pháp
rung khử ứng suất dư trong khoảng
thời gian 5 phút, tại tần số cộng hưởng
của kết cấu 30 Hz (hình 4). Sự thay đổi
ứng suất theo thời gian tại điểm cạnh
mép hàn trong quá trình rung khử ứng
suất dư được thể hiện trên hình 5.

27

Từ đồ thị hình 5 ta thấy, quá trình
tích thoát ứng suất dư thực sự chỉ xảy
ra trong vài trăm chu kỳ đầu, sau đó ổn
định và không đổi. Phân bố ứng suất
dư trên trục căng xích sau quá trình
rung khử được thể hiện trên hình 6.
Trục căng xích sau khi rung khử ứng
suất dư được đo kiểm bằng tem đo và
thiết bị chuyên dụng của nhóm tác giả
tại cạnh mép hàn, gần vị trí đo trước

Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ

đó, kết quả mô phỏng và đo kiểm được
thể hiện trên bảng 2.
Trục căng xích sau khi hàn phục
hồi phải làm việc trong điều kiện chịu
uốn dưới tác dụng của tải trọng dạng
mạch động ở 2 đầu trục với cường
độ lực là 40.000 N, phân bố ứng suất
trong quá trình làm việc của trục căng
xích được thể hiện trên hình 7.

Hình 5. Sự thay đổi ứng suất theo thời gian tại điểm cạnh mép hàn trong quá
trình rung khử ứng suất dư.

Hình 6. Phân bố ứng suất dư trên trục căng xích sau khi rung khử ứng suất dư.
Bảng 2. Ứng suất dư (Von-Mises) (MPa) tại cạnh mép hàn trên trục căng xích
sau khi rung khử ứng suất dư.
Kết quả mô phỏng

Kết quả đo theo phương pháp
khoan lỗ theo tiêu chuẩn ASTM
E837-01

Sai số (%)

76,1

68,1

-10%

Dựa vào sự thay đổi ứng suất theo
thời gian trong quá trình rung khử ứng
suất dư (hình 5) và ứng suất sinh ra
trong quá trình trục căng xích làm việc
(hình 7), nhóm nghiên cứu tiến hành
tính toán tuổi thọ mỏi cho trục căng
xích máy xúc ЭКГ-5А trên cơ sở sử
dụng tổ hợp chương trình DAFLAPS
[5, 7, 8]. Đây là tổ hợp chương trình
đã được nhóm tác giả nghiên cứu, xây
dựng tại phòng thí nghiệm cơ điện tử
thuộc Trường Đại học Kỹ thuật tổng
hợp quốc gia Irkutsk (Liên bang Nga)
và đã được cấp bằng sở hữu trí tuệ [7].
Kết quả phân tích tuổi thọ mỏi cho trục
căng xích trong hai trường hợp khi trục
căng xích được xử lý bằng công nghệ
rung khử ứng suất dư và khi không
được rung khử ứng suất dư thể hiện
trên bảng 3. Kết quả tính toán ta thấy
rằng tuổi thọ mỏi của trục căng xích có
thể tăng lên trên 30% khi được xử lý
bằng công nghệ rung khử ứng suất dư
trong thời gian 5 phút, tuy nhiên khi
tăng thời gian rung khử ứng suất dư
lên 35 phút tuổi thọ của nó lại giảm
(bảng 4).
Bảng 3. Tuổi thọ mỏi (số chu trình
làm việc đến hỏng) của trục căng
xích máy xúc ЭКГ-5А khi rung khử
ứng suất dư và khi không được rung
khử ứng suất dư - thời gian rung 5
phút.

(A)
(B)
Hình 7. Phân bố ứng suất trên trục căng xích trong quá trình làm việc trong
2 trường hợp sau khi được rung khử ứng suất dư (A) và khi không được rung
khử ứng suất dư (B).

60(1) 1.2018

28

Khi rung
khử ứng
suất dư

Khi không
rung khử ứng
suất dư

Sai số
(%)

4,37E+09

2,86E+09

34,6%

Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ

Bảng 4. Tuổi thọ mỏi (số chu trình làm việc đến hỏng) của trục căng xích máy
xúc ЭКГ-5А khi rung khử ứng suất dư và khi không được rung khử ứng suất dư
trong thời gian rung 35 phút.
Khi rung khử ứng suất dư

Khi không rung khử ứng suất dư

Sai số %

1,92E+09

2,86E+09

-48%

Kết luận
Ứng suất dư sinh ra trong quá trình
hàn phần lớn là có hại, làm giảm tuổi
thọ của kết cấu. Về nguyên tắc, khi
giảm được các ứng suất dư sinh ra
trong quá trình hàn sẽ làm tăng tuổi thọ
cho kết cấu. Một trong những phương
pháp có thể làm tăng tuổi thọ cho kết
cấu dạng hàn chính là ứng dụng công
nghệ rung khử ứng suất dư. Các kết
quả nghiên cứu cho thấy, ứng dụng
công nghệ rung khử ứng suất dư đối
với kết cấu dạng hàn có thể làm tăng
tuổi thọ cho chúng, trong trường hợp
này có thể làm tăng tuổi thọ cho trục
căng xích máy xúc ЭКГ-5А đến 34%.
Tuy nhiên, từ kết quả nghiên cứu cũng
cho thấy thời gian thực hiện rung quá

60(1) 1.2018

lâu không những không làm giảm ứng
suất dư mà còn làm giảm tuổi thọ của
kết cấu, thậm chí gây phá hỏng mỏi
cho kết cấu ngay trong quá trình rung
khử ứng suất dư.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyen Van Duong, Bui Manh Cuong,
Ta Dinh Xuan (2014), “Study on the Mechanical
Principle of Residual Stress Relieving in
Workpiece by Vibratory Force”, Proceedings
of the International Conference on Engineering
Mechanics and Automation-ICEMA3, ISBN:
978-604-913-367-1, pp.260-265.
[2] X.C. Zhao, Y.D. Zhang (2008),
“Simulation of vibration stress relief after
welding based on fem”, Acta Metallurgica
Sinica, 21(4), pp.289-294.
[3] Серенсен, Когаев, Шнейдерович
(1975), “Несущая способность и расчеты
деталей машин на прочность”, Руководство
и справочное пособие, Машиностроение,

29

москва, 4(1), п.488.
[4] В.П. Ко­га­ев, Н.А. Ма­ху­тов, А.П. Гу­сен­ков
(1985), Рас­че­ты де­та­лей ма­шин и кон­ст­рук­
ций на проч­ность и дол­го­веч­ность, М. Ма­ши­
но­­стро­ение.
[5] Буй Мань Кыонг, О.В. Репецкий
(2011), Свидетельство о государственной
регистрации программы для ЭВМ. №
2011613210,
Схематизация
случайных
процессов нагружения и расчет на
усталостную
прочность
(DAFLAPS_
Fatiguelife),
Федеральная
служба
по
интеллектуальной собственности, патентам и
товарным знакам.
[6] American Society for Testing and
Materials,
ASTM
Standard
E837-01:
Determining Residual stresses by the HoleDrilling Strain-Gauge Method.
[7] О. Репецкий., Буй Мань Кыонг (2012),
Прогнозирование усталостной прочности
рабочих лопаток турбомашин, Дюссельдорф:
Palmarium Academic Publishing.
[8] Bùi Mạnh Cường (2013), “Xác định các
đặc tính bền mỏi và dự đoán tuổi thọ mỏi của
các chi tiết máy và kết cấu trong thời kỳ thiết
kế trên cơ sở phương pháp số và tổ hợp chương
trình”, Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị
Cơ học toàn quốc lần thứ 9, Nhà xuất bản Bách
khoa, Hà Nội.

Tài liệu cùng danh mục Cơ khí - Chế tạo máy

Tài liệu mới download

Từ khóa được quan tâm

Có thể bạn quan tâm

Bộ sưu tập

Danh mục tài liệu