Probabilistic аssessment of the stress–strain state of the drum shaft of a grain‑cleaning separator under fatigue failure conditions
DOI:
https://doi.org/10.31359/2311-441X-2025-27-117Keywords:
drum shaft, grain‑cleaning separator, welded joints, fatigue life, stress concentration, residual stresses, S–N curves, probabilistic methods, finite‑element analysisAbstract
The paper presents a combined computational and experimental analysis of the shaft of a perforated drum in a grain‑cleaning separator, accounting for static and cyclic loads and the stochastic nature of fatigue failure of welded joints. The object of study is the drum shaft subjected to uniformly distributed and concentrated bending loads from its own weight, the mass of the drum and grain bulk, as well as the driving torque. Evaluation of the stress–strain state of a finite‑element model built in Autodesk Inventor confirmed an adequate margin of static strength for the considered design variants. At the same time, local zones of stress concentration were identified at welded seams, where the safety factor may drop below unity, which is critical under variable loading. Fatigue life calculations were performed using allowable stresses with median S–N curves and a probabilistic assessment that accounts for the distribution of stress amplitudes and the level of residual stresses generated during welding. It is shown that high residual stresses substantially reduce service life, whereas optimization of welding technology aimed at ensuring full penetration and subsequent post‑weld heat treatment significantly increases durability. A set of constructive and technological measures is proposed, including refinement of shaft geometry, application of reinforcing elements in crack initiation zones, preheating, and welding quality control to reduce residual stresses. The results have practical value for the design, modernization, and enhancement of operational reliability of separators in grain processing lines.
References
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.
