Rozwój pęknieć zmęczeniowych w strefie kontaktu w obecności płynu

• Autorzy: Bogdański S.
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy podjęto próbę kompleksowego ujęcia zagadnienia rozwoju powierzchniowych pęknięć zmęczeniowch powstających w strefie kontaktu toczno-ślizgowego w obecności płynu. Obecność płynu w strefie kontaktu odnosi się do warunków elasto-hydro-dynamicznego smarowania (EHD) i tarcia mieszanego (PEHD), występujących na bieżniach łożysk tocznych i powierzchniach roboczych: zębów kól zębatych, elementów tocznych łożysk, krzywek i popychaczy, narzędzi stosowanych w niektórych rodzajach obróbki mechanicznej oraz walców w walcowniach metali. Ponadto, odnosi się to także do nominalnie suchych warunków styku, takich jak np. w parze kontaktowej koło / szyna kolejowa, w których okazjonalnie może dojść do obecności płynu (np. wody deszczowej czy smaru) w sasiedztwie obszaru zawierającego pęknięcie, który jest poddawany cyklicznemu obciążeniu kontaktowemu od kół kolejowych. W pierwszym przypadku, wirujące EHD czy PEHD, obciążenie kontaktowe może prowadzić do pęknięć zmęczeniowych, rozwijających się płytko pod powierzchnią bieżni wzdłuż płaszczyzn lekko pochylonych w głąb materiału. W przypadku rozgałęzienia w kierunku powierzchni bieżni, pęknięcia te prowadzą do oddzielania się cienkich warstw materiału w postaci drobnych wykruszeń ( "pitting" ) lub charakterystycznego łuszczenia powierzchni ( "spalling" ). Rozgałęzienia w głąb materiału mogą prowadzić do pęknięć całych elementów przenoszących obciążenie kontaktowe. Podobnie w szynach kolejowych, cykliczne obciążenie kontaktowe od kół przemieszczającego sie taboru generuje pole naprężeń, którew strefie szczeliny przybiera formę nieproporcjonalnych cykli mieszanego (mixed-mode) obciążenia zmęczeniowego typu I i II. W efekcie, pęknięcia w szynach rozwijają się również płytko pod powierzchnią, zwykle w kierunku ruchu kól , a po rozgałęzieniu do góry prowadzą do wykruszeń. Rozgałęzienia pęknięć w głąb szyny mogą prowadzić do jej pęknięcia na wskroś. Obserwacje eksploatacyjne, wyniki badań eksperymentalnych oraz anaIizy toretyczne przeprowadzone w okresie ostatniego dziesięciolecia - w tym analizy indywidualne , autora oraz analizy z jego udziałem - wykazują, że rozwój pęknięć w szynach płytko pod powierzchnią jest możliwy tylko w obecności płynu. W pracy omawiane są trzy znane z literatury mechanizmy oddziaływania płynu na cykl obciążenia pęknięć w strefie kontaktu oraz jeden nowy, zaproponowany przez autora. Mechanizmy znane to: zmniejszanie tarcia w ruchu względnym ścian pęknięcia, parcie płynu penetrującego wnętrze szczeliny na jej ścianki oraz tzw. efekt zamknięcia płynu w szczelinie, powodujący rozrywanie jej wierzchołka. Nowy mechanizm polega na sprzężonym działaniu zewnętrznego obciążenia kontaktowego (np. ciśnienia w EHD filmie smarowym) z oddziaływaniem filmu ściskanego płynu (SOF) tworzącego się wewnątrz pęknięcia w przypadku obecności płynu w obszarze kontaktu (oleju w warunkach EHL i np. wody w przypadku pary kontaktowej: koło-szyna).

EN

An attempt at a complex approach to the problem of RCF crack growth in the presence of liquid was undertaken. The presence of liquid in the vicinity of the crack refers here to the conditions typical for EHD or PEHD contact couples, as well as for the occasional (incidental) presence of liquid in nominally dry conditions (rain water in rail-wheel contact, for instance). In EHL conditions, cracks are observed to propagate under hardened bearing surfaces, leading to spaIling if the cracks branch up- wards to separate a chip from the surface, or to fracture if a crack branches downwards. Similarly in rails the cyclic contact load of wheels generates a driving stress field, which interacts with the inclined surface-breaking cracks to produce a mixed-mode non-proportionaI stress history. In rails, typicaI cracks propagate at a shallow angle under the rail's running surface, primarily in the dircction of vehicle travel. These cracks may branch either up or down; the former case leading mostly to surface spalling and the latter to predominantly mode I driven cracks Iying close to the rail's transverse plane and, in the absence of corrective maintenance action, rail fracture may occur. ShaIlow cracks appear to grow only whcn the crack is filled with fluid. It was raised in 1935 by Way, that liquid can play important role in rolling contact fatigue, and it is now widely believed that liquid significantly influences the mechanisms that create the crack tip stress histories during cyclic contact loading. This role is attributed very often in literature to the three following ways: * by reducing friction between crack faces * by pressure on the crack faces as fluid fIows into the crack from the EHD film; * by the so-called "fluid entrapment effect" exerting hydrostatic pressure at the crack tip. Additionally, for comparison dry conditions are sometimes assumed, i.e. no liquid between the crack faces, which results in high friction. In the first and second ways liquid is present in the crack, but for the first case its only role is to lubricate the crack faces, which reduces the friction. The third way of modelling allows a certain volume of liquid to enter the crack interior in its initial phase of opening, becoming entrapped inside the crack during the locking phase. In this paper, the influence of liquid on crack growth is described through the four mechanisms. Three of them incorporate the ways of liquid interaction mentioned above, which have been already presented in world-wide literature including the author's individual papers, and papers which co-authors. The fourth one is a new model recently introduced by the author: This is the model of: * A coupled interaction of elastohydrodynamic oil (liquid) film (EHDOF) with squeeze oil (liquid) film (SOF). These mechanisms were used to model the response of shallow-angle RCF cracks through fracture mechanics analysis, using 2D and 3D f-lnite element stress analalysis and multi-axial (under mixed-modeI and II non-proportional load) fatigue tests to simulate the rolling contact history. The results of the FE analyses together with the empirical crack growth model derived from the above mentioned fatigue tests were used to predict the crack growth directions and rates in rails, gears and bearings. These were compared with observations from practice and experiment. Influences of rolling directions, traction, crack slope, crack lenght and friction between the crack faces have been investigated. The predicted results are encouraging in that they comply with of RCF in rails. Such cracks may branch to a mode I direction, either upwards to give surface spalling or downwards to produce a transverse fracture. Shallow cracks are able to grow when filled with fluid, due to the fluid entrapment mechanism which forces the crack faces apart, thereby permitting free shear displacement , at the crack tip, which drives the mixed-mode coplanar mechanism. As cracks dry out they arrest or branch, and on branching they propagate slowly according to the mechanisms for dry conditions. When the coplanar crack tip falls below the surface compressive layer, branching is likely if encouraged by a dry spell. In EHL conditions, the EHDOF-SOF model gives the sequence of the crack tip stress histories similar to that of fluid entrapment mechanism in rails. As the crack lenghts in these conditions are usually much smaller than in rails, the range of the SIF cycles sufficient for driving such cracks must be larger. This appears to be possible only within the model of the coupled action of EHDOF-SOF.

Słowa kluczowe

PL

pękanie zmęczeniowe; płyny

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej
• Czasopismo: Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Mechanika
• Rocznik: 1999
• Tom: z. 171
• Strony: 3--122
• Opis fizyczny: Bibliogr. 223 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Bogdański S.

• Instytut Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej Politechniki Warszawskiej