Для полноценного инженерного анализа необходимо рассматривать долговечность узлов и деталей агрегатов при многократном нагружении. Оценка долговечности (усталости) конструкции является важной вследствие того, что у материалов со временем снижаются их прочностные характеристики.
Например, усталость материала возникает, когда деталь подвергается повторяющимся нагрузкам, вибрациям и т.д. Со временем такие нагрузки могут привести к образованию микротрещин в материале, которые постепенно увеличиваются до тех пор, пока материал не достигнет своего предела выносливости и не разрушится.
За счет проведения оценки долговечности можно определить максимальную нагрузку, которую может выдержать деталь без усталостного разрушения, а также оценить её срок службы. Такие расчеты позволяют инженерам создавать более надёжные и долговечные конструкции.
Воздействию циклических нагрузок подвергаются узлы и агрегаты различных областей промышленности. Например, в строительстве ¬– балки зданий, в авиационной – шасси и двигатели, в энергетике – насосы, генераторы, турбины и т.д.
Насосы испытывают множество различных знакопеременных повторяющихся нагрузок, например, ротационную. В насосном агрегате колесо насоса является одним из важнейших узлов в его составе, так как именно на нем происходит повышение давления от центра к периферии. Важно не допустить преждевременного выхода из строя колеса, которое может быть достигнуто за счет кавитации, нарушения соосности вала насоса и электродвигателя и т.д.
В рамках данной работы объектом исследования является колесо центробежного насоса. Целью работы является рассмотрение долговечности колеса, совершающего определенный цикл работы, в программной среде nCode, которая позволяет произвести расчет по циклограммам, абсолютно повторяющим реальные циклограммы работы того или иного оборудования.
Геометрическая модель колеса центробежного насоса
Геометрия колеса насоса представляет собой цельную конструкцию. Геометрия колеса представлена на рисунке ниже.
Конструкция рассматриваемого колеса центробежного насоса
В данной модели объектом исследования является колесо насоса, вал же используется для корректного задания ГУ и нагрузок.
Расчет долговечности
Рассматриваемым критерием при оценке долговечности будет выступать число циклов до разрушения, принятое равным 10⁶.
Граничное условие, ограничивающее любое движение конца вала, кроме кручения вокруг своей оси, представлено на рисунке ниже.
ГУ вала насоса
Рассматриваемое колесо работает по следующей циклограмме:
- Изначально колесо работает на стационарном режиме, при котором вращение происходит с эксплуатационной скоростью.
- После стационарного режима начинаются скачки скорости вращения насоса.
- Конечной точкой является наступление стационарного режима, при котором нарушена соосность вала (отклонение на 1 градус).
Циклограмма нагружения колеса насоса
На I шаге нагружения колесо вращается с заданной скоростью, на II шаге нагружения скорость изменяется скачкообразно, на III шаге нагружения скорость возвращается к значениям I шага, но система координат вращения отклоняется на 1 градус. На всех трех шагах на колесо действует давление и сила тяжести.
Нагрузки, действующие на колесо и вал представлены на рисунке ниже.
Нагрузки, действующие на колесо и вал
ГУ и нагрузки на III шаге циклограммы повторяют I шаг за исключением отклонения СК оси вращения вала на 1 градус.
Материал колеса – сталь. Свойства стали взяты из библиотек ANSYS и nCode. Представленная выше циклограмма повторяется 5000 раз, то есть количество повторяющихся действий по циклограмме – 5000.
Результаты расчетов
На рисунке ниже представлено распределение количества циклов до разрушения.
Распределение количества циклов до разрушения колеса насоса
Как видно из данного рисунка, при смещении соосности вала больше всего усталостному разрушению подвержено место стыка между лопатками и внутренней поверхностью корпуса колеса. В рамках рассмотренного случая имеются элементы, у которых количество циклов до разрушения меньше, чем 10⁶. Следовательно, при данной циклограмме возникает опасное НДС, способное привести колесо насоса к преждевременному выходу из строя.
Заключение
Проведена оценка долговечности колеса насоса с учетом циклограммы его работы.
Из анализа результатов усталостного расчета колеса можно сделать вывод, что конструкция колеса не удовлетворяет критерию долговечности, так как количество циклов, полученных при расчете, меньше допускаемого значения.
В условиях современного мира, где все больше внимания уделяется безопасности и надежности конструкций, проведение усталостных расчетов становится особенно актуальным.
Усталостные расчеты помогают определить максимальную нагрузку, которую может выдержать материал без разрушения. Это позволяет избежать аварий и катастроф, связанных с поломкой конструкций под действием циклических нагрузок.
