Ймовірнісна оцінка напружено‑деформованого стану вала барабана зерноочисного сепаратора за умов втомного руйнування
DOI:
https://doi.org/10.31359/2311-441X-2025-27-117Ключові слова:
вал барабана, зерноочисний сепаратор, зварні з’єднання, втомна довговічність, концентрація напружень, залишкові напруження, криві втоми, ймовірнісні методи, скінчено‑елементний аналізАнотація
Стаття присвячена розрахунково‑експериментальному аналізу валу решітчастого барабана комбінованого зерноочисного сепаратора з урахуванням статичних і циклічних навантажень та стохастичної природи втомного руйнування зварних з’єднань. Об’єктом дослідження є вал барабана, навантажений рівномірно розподіленими й зосередженими згинаючими зусиллями від власної ваги, маси барабана і зернового вороху, а також крутним моментом приводу. Оцінювання напружено‑деформованого стану скінчено‑елементної моделі, побудованої в Autodesk Inventor, підтвердило достатній запас статичної міцності для різних варіантів конструкції. Водночас виявлено локальні зони концентрації напружень у місцях зварних швів, де коефіцієнт запасу міцності може опускатися нижче одиниці, що є критичним при дії змінних навантажень. Розрахунки втомної довговічності виконано за допустимими напруженнями з використанням медіанних кривих втоми з ймовірнісною оцінкою, що враховує розподіл амплітуд напружень та рівень залишкових напружень, які виникли в процесі зварювання. Показано, що високі залишкові напруження суттєво знижують ресурс, тоді як оптимізація технології зварювання з метою гарантованого забезпечення повного провару та післязварювальної термообробки сприяє значному підвищенню довговічності. Запропоновано комплекс таких конструктивно‑технологічних заходів, як уточнення геометрії валу, застосування підсилюючих елементів у зонах зародження тріщин, попередній підігрів та контроль якості зварювання для зниження залишкових напружень. Результати мають практичну цінність для проєктування, модернізації та забезпечення експлуатаційної надійності сепараторів у зернопереробних лініях.
Посилання
1. Савченко В. Б., Полтавченко О. В., Попко К. Г. Аналіз умов роботи і розрахунок валу сепаратора КБС 1240 на статичну міцність // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства. Вип. 205 «Проблеми надійності машин». – 2019. – С. 330–338.
2. Савченко В. Б., Свіргун О. А., Свіргун В. В., Марченко М. В. Розрахунок вала барабана сепаратора // Матеріали ІV Міжнар. наук.-практ. конф. «Підвищення надійності і ефективності машин, процесів і систем». – Кропивницький : ЦНТУ, 2022. – 192 с.
3. Свіргун О. А., Савченко В. В., Свіргун В. В., Мазко І. Р. Оцінка статичної міцності барабана сепаратора // Проблеми надійності та міцності машин і споруд: матеріали Всеукр. наук.-практ. конф. – Харків : ДБТУ, 2023. – С. 38–40.
4. Свіргун О. А., Савченко В. Б., Свіргун В. В., Іванова Т. С. Дослідження можливостей конструктивного удосконалення барабану зернового сепаратора // Молодь і технічний прогрес в АПВ: матеріали Міжнар. наук.-практ. конф. – Харків : ДБТУ, 2024. – С. 559–561.
5. Свіргун О. А., Савченко В. Б., Свіргун В. В., Іванова Т. С. Дослідження втомних пошкоджень в зварних з'єднаннях вал сепаратора – маточина барабана // Молодь і індустрія 4.0 в XXI столітті: матеріали ХХI Міжнар. форуму молоді. – Харків : ДБТУ, 2025. – С. 90–91.
6. ДБН В.2.6-198:2014. Конструкції будівель і споруд. Сталеві конструкції. Норми проектування, виготовлення і монтажу. – Київ : Мінрегіон України, 2014. – 205 с.
7. EUROCODE 3: Design of Steel Structures. Part 1–9: Fatigue. – BS EN 1993-1-9:2014. – 2014. – 36 p.
8. Hobbacher A. F., Baumgartner J. Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components. – Cham : Springer; IIW, 2024. – 199 p. – DOI: 10.1007/978-3-031-57667-6.
9. Maddox S. J., Razmjoo G. R. Interim fatigue design recommendations for fillet welded joints under complex loading // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. – 2001. – Vol. 24. – P. 329–337.
10. Niemi E., Fricke W., Maddox S. J. Fatigue Analysis of Welded Components. – Cambridge : Woodhead Publishing, 2006.
11. Fricke W. Guideline for the Fatigue Assessment by Notch Stress Analysis for Welded Structures. – Cambridge : IIW, 2008. – IIW Doc. XIII-2240r1-08/XV-1289r1-08.
12. Rother K., Fricke W. Effective notch stress approach for welds having low stress concentration // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2016. – Vol. 147. – P. 12–20. – DOI: 10.1016/j.ijpvp.2016.09.008.
13. Lazzarin P., Lassen T., Livieri P. A notch stress intensity approach applied to fatigue life predictions of welded joints with different local toe geometry // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. – 2003. – Vol. 26. – P. 49–58.
14. Lazzarin P., Sonsino C. M., Zambardi R. A notch stress intensity approach to assess the multiaxial fatigue strength of welded tube-to-flange joints subjected to combined loadings // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. – 2004. – Vol. 27. – P. 127–140.
15. Livieri P., Lazzarin P. Fatigue strength of steel and aluminium welded joints based on generalised stress intensity factors and local strain energy values // International Journal of Fracture. – 2005. – Vol. 133. – P. 247–276.
16. Lazzarin P., Livieri P., Berto F., Zappalorto M. Local strain energy density and fatigue strength of welded joints under uniaxial and multiaxial loading // Engineering Fracture Mechanics. – 2008. – Vol. 75. – P. 1875–1889.
17. Susmel L. Multiaxial notch fatigue. – Cambridge : Woodhead Publishing, 2009.
18. Susmel L., Askes H. Modified Wöhler Curve Method and multiaxial fatigue assessment of thin welded joints // International Journal of Fatigue. 2012. Vol. 43. P. 30–42.
19. Meneghetti G., Guzzella C. The peak stress method to estimate the mode I notch stress intensity factor in welded joints using three-dimensional finite element models // Engineering Fracture Mechanics. – 2014. – Vol. 115. – P. 154–171.
20. Meneghetti G., De Marchi A., Campagnolo A. Assessment of root failures in tube-to-flange steel welded joints under torsional loading according to the Peak Stress Method // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. – 2016. – Vol. 83. – P. 19–30.
21. Fass M., Hecht M., Baumgartner J. et al. Evaluation of the approach based on the maximum principal stress from the IIW-Recommendation for welded joints under proportional, multiaxial stress states // Welding in the World. – 2023. – Vol. 67. – P. 2323–2332. – DOI: 10.1007/s40194-023-01571-x.
22. Pedersen M. M. Multiaxial fatigue assessment of welded joints using the notch stress approach // International Journal of Fatigue. – 2016. – Vol. 83. – P. 269–279.
23. Gough H. J., Pollard H. V. The strength of metals under combined alternating stresses // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. 1935. Vol. 131(1). P. 3–103.
