de Petru CÂRDEI
În acest articol se va expune cazul unei structuri supuse analizei structurale în scopul îmbunătătirii parametrilor functionali. Structura subiect este cutitul complet al aparatului de tăiere al combinelor de recoltat cereale (fig. 1). Acest ansamblu, sub forma constructivă aflată curent în exploatare, are probleme mari, remarcate în primul rând de utilizatori. Beneficiarii acestui tip de utilaje au reclamat cedarea prematură a structurii (cutitul complet), uneori după câteva zeci de ore de functionare (chiar numai 20 de ore), avându-se în vedere durata unei campanii de recoltare: 200 - 600 ore anual.
Se detasează componentele: capul de transmitere a miscării, actionat la gaura din peretele frontal, grinda suport a lamelor, în care sunt montate lamele prin nituire si întăritura care se suprapune peste capul de transmitere a miscării. Acest ansamblu efectuează o miscare de translatie (cazul ideal - translatie pură) perturbată pe directia unei axe orientate după grinda suport a lamelor. Pe parcursul zonei de miscare a cutitului, se găsesc 10 - 15 ghidaje care limitează miscarea pe cele două directii perpendiculare la directia de translatie si perpendiculare între ele (vezi fig. 2). Miscarea se face cu aproximativ 540 de cicluri pe minut, valoare mare pentru o structură cu dimensiuni destul de mari. Amplitudinea acestei miscări este cuprinsă între 76,2 si 84,4 mm.
Mecanismul de actionare este de tip saibă oscilantă. Mecanismul se poate amplasa astfel încât manivela care transmite miscarea la capătul cutitului să se miste în planul orizontal (planul de translatie al structurii), sau astfel încât manivela să oscileze într-un plan vertical planului de translatie al cutitului. Prima variantă este mai veche, cea pentru care s-a optat în prezent fiind ultima, aceasta fiind si una din cauzele micsorării duratei de viată a structurii.
Pentru a găsi cauza cea mai probabilă (mai precis pentru a ierarhiza cauzele cele mai probabile) care produc fenomenul de cedare prematură a structurii studiate, am luat în considerare următoarele cauze posibile:
Fiecare dintre aceste fenomene sunt modelabile cu ajutorul programelor de analiză structurală (am lucrat cu programul COSMOSM 1.65).
Dacă structura ar functiona în regim ideal, adică fără a tine seama de perturbatia oscilatorie produsă de mecanismul de actionare, atunci, considerând numai fortele produse de tăierea masei rezultate care (se aplică pe lame pentru modelele mai complexe care contin si lamele, respectiv în nodurile care corespund găurilor pe grinda suport, pentru modelele mai simple), fortele de frecare cu ghidajele si forta inertială, rezultă tensiuni mici în raport cu tensiunile limită de oboseală, curgere si cu atât mai mult decât tensiunea limită de rupere, asa cum se vede în fig. 3. Ca urmare, proiectarea pentru regimul de lucru ideal este corectă, oferind chiar un mare coeficient de sigurantă. Tensiunea maximă este de aproximativ 126 - 128 MPa care, chiar multiplicată cu un coeficient de concentrare a sarcinii cu valoarea 1.4 - 1.5, nu produce nici măcar pericolul cedării prin oboseală. S-au calculat si frecventele proprii constatându-se că nu se poate vorbi de rezonantă sau bătăi.
Acest model a luat în consideratie primele trei cauze posibile, enumerate mai sus si, în consecintă, a rămas de luat în consideratie cea de-a patra cauză posibilă.
Înainte de a trece la analiza comportamentului structurii în cazul solicitării perturbatoare, pentru a pune în gardă cititorul, mentionez că grinda suport si întăritura sunt construite din otel OL60, iar capul de transmitere a miscării , din OL38. Pentru aceste oteluri s-a lucrat cu următoarele valori: sr=380 - 420 MPa, sc=190 - 220 MPa, sr=294 MPa pentru OL38 si sr=650 MPa, sc=330 MPa, sRi=325 MPa, sRt=205 MPa pentru OL60. Atât pentru studiul descris până acum, cât si pentru cel care urmează, modelul cel mai simplu folosit, este acela al unei grinzi cu sectiune variabilă în trepte. Grinda are trei portiuni caracteristice: portiunea care contine capul de transmitere a miscării, cu grinda suport a lamelor si întăritura, portiunea formată din grinda suport a lamelor cu întăritura si a treia portiune, formată numai din grinda suport a lamelor.
Modelul cu complexitate imediat următoare este acela care contine si lamele (modelate ca plăci subtiri), iar în final, modelul cel mai complex va respecta geometria structurii fizice, ceva mai bine, descriind separat capul de transmitere al miscării, cuplat cu grinda suport a lamelor si întăritura, modelat ca grinzi bidimensionale.
Mecanismul cu saibă oscilantă, fie amplasat orizontal, fie vertical, introduce o perturbatie prin intermediul manivelei, al cărei capăt se miscă ideal pe un arc de cerc. Astfel la o lungime de 200 mm a manivelei, perturbatia introdusă de manivelă are valoarea de 4,05 mm, pentru cursa (amplitudinea) de 76,2 mm a aparatului de tăiere. Cum în realitate cursa, pentru acoperire de rezervă, poate ajunge la peste 80 mm, perturbatia poate trece si ea de 4,5 mm. Perturbatia se exercită asupra cutitului complet, printr-o deplasare în peretele de actionare a capului de transmitere a miscării (în gaura de cuplare la manivelă). Efectul în cutitul complet este o încovoiere oscilantă, cu amplitudine care poate ajunge la 4,5 mm. Efectele unei astfel de încovoieri nu sunt dramatice atât timp cât primul ghidaj foarte restrictiv (uy=uz=0), nu este foarte apropiat de capul de transmitere a miscării. În cazul în care acest ghidaj este apropiat de zona terminală a capului de transmitere a miscării, tensiunile în zonă se pot citi în fig. 4. Chiar dacă tensiunea nu se apropie de limita de curgere a otelului din care este construită grinda, valoarea ei este suficientă pentru declansarea procesului acumulării oboselii. Acest proces este facilitat si de prezenta pe grindă a unor concentratori de tensiune care, în anumite conditii pot deveni critici, anume, asamblările lamă - grindă, prin nituri. De altfel, analiza la oboseală în zona critică a finalului capului de transmitere a miscării, a condus la concluzia că mecanismul de cedare rapidă este aproximativ următorul: oscilatiile de încovoiere produc tensiuni peste limita de oboseală în peretii găurilor niturilor aflate în vecinătatea zonei terminale a capului de transmitere a miscării; găurile se lărgesc, astfel încât niturile si grinda nu mai fac “corp comun”, iar din acest moment începe un proces de acumulare rapidă a oboselii, favorizat de un puternic concentrator de tensiune - gaura de nit liberă în grindă - care conduce foarte repede la cedare. Este firesc ca cedarea să se producă în zona terminală a capului de transmitere a miscării, mai precis dincolo de cap - pe grindă - deoarece schimbarea cea mai importantă de sectiune a cutitului complet în acea zonă, constituie un puternic concentrator de tensiune. Trebuie mentionat că ghidajele (uy=uz=0) se aplică grinzii suport cât si lamelor, pentru cele din urmă ghidaje fiind si contracutitele. Concentrările de tensiune în peretii găurilor se pot vedea în fig. 5.
Desi era de asteptat, totusi este de mentionat că aceeasi perturbatie aplicată în plan orizontal (pentru cazul în care mecanismul cu saibă oscilantă transmitea miscarea în plan orizontal) produce tensiuni sensibil mai msici, asa cum se vede în fig. 6. Acest fenomen se datorează, evident, solicitării grinzii suport a lamelor, la încovoiere pe directia de maximă rezistentă. Această concluzie explică afirmatiile celor care exploatează combinele, anume că această solutie prelungea mult durata de viată a cutitelor aducând-o la o valoare satisfăcătoare.
Asadar, cu ajutorul programelor de analiză care folosesc metoda elementelor finite, mai precis COSMOS 1.65, am putut determina principala cauză a cedării premature a structurii studiate, ba mai mult, am putut formula si un posibil mecanism al desfăsurării acestui proces.
Există, în această analiză, multe concluzii la care inginerul proiectant si cel experimentator se asteptau, se puteau intui. Utilizarea calculului numeric a permis însă estimarea precisă a valorilor tensiunilor în structură, si mai ales în zonele critice. Este interesant de mentionat că pentru o structură cu o miscare relativ simplă, dar supusă unor ghidaje, măsurarea în functiune a parametrilor de stare (deformatii, acceleratii) este extrem de dificilă, dacă nu chiar imposibilă, astfel încât calculul rămâne singura sursă de aproximare a stării structurii în functionare. Prin stare a structurii, se întelege distributia cantitativă si calitativă a deplasării relative, deformatiei specifice si tensiunii. Modalitatea cea mai bună de a compara rezultatele calculului cu realitatea, în acest caz în care măsurări experimentale pe structura în lucru sunt extrem de dificile sau imposibile, este compararea directă între harta tensiunilor si fotografia (sau starea fizică a structurii - deformatii ireversibile, ruperi) în zonele critice ale structurii. Un exemplu este starea de tensiune în jurul găurii de cuplare la manivela de actionare a capului de transmitere a miscării - fig. 5 - care se poate compara cu figurile 1, 2, 8, de asemenea concentrarea de tensiune pe grinda suport în jurul finalului capului de transmitere a miscării, cu fotografia zonei de cedare (figurile 1, 5 si 8).
Toate concluziile calculului au fost confirmate. În plus s-a estimat, prin calcul si efectul unui ghidaj strict aplicat la aripioarele capului de transmitere a miscării, ghidaj propus prin proiect. Efectele acestui ghidaj sunt, atunci când el este foarte strâns , catastrofale, mărind mult tensiunea în zonă. Dar, în plus apar si frecări mari (a se compara fig.10 cu fig. 9). Zonele de uzură se observă pe aripile capului de transmitere a miscării - fig. 9. Această încercare de a diminua perturbatia provenită de la mecanismul cu saibă oscilantă, este nu numai inutilă, dar si generatoarea altor fenomene grave, reclamate de utilizatorii combinelor: supraîncălziri până la rosu a metalului la ghidaje strânse si uzuri foarte accentuate.
Odată stabilite cauzele care generează perturbatiile de încovoiere si efectele acestora, am propus câteva solutii:
Rolul programelor de calcul nu se termină la faza de depistare a principalelor cauze a cedării premature, ci continuă cu estimarea efectelor solicitărilor în structurile alternative propuse. Se poate face calculul de verificare la rezistentă, simularea lucrului în regim dinamic, simularea socurilor, calculul la oboseală. Evident, aceste calcule nu dau verdictul definitiv, încercările fiind în continuare necesare, dar ele dau o estimare asupra stării de solicitare în structură, care de multe ori nu poate fi nici măcar măsurată experimental.