Μελέτη Μηχανισµών Αστοχίας Μεταλλικού ίσκου Πέδησης Π. Μπουρνέλης 1, Α. Τσολάκης 1, Π. Ψυλλάκη 1,*, Γ. Πανταζόπουλος 2, Α. Βαζδιρβανίδης 2,. Κάραλης 3 1 Τµήµα Μηχανολογίας, Σ.Τ.ΕΦ./ Τ.Ε.Ι. Πειραιά, Θηβών 250 και Π. Ράλλη, 122 44 Αιγάλεω, Ελλάδα. 2 Ελληνικό Κέντρο Ερεύνης Μετάλλων (ΕΛ.Κ.Ε.ΜΕ.) Α.Ε., Πειραιώς 252, 177 78 Αθήνα, Ελλάδα. 3 Σχολή Ναυτικών οκίµων, Τέρµα Χατζηκυριακού, Χατζηκυριάκειο, 185 39 Πειραιάς, Ελλάδα. Περίληψη Η παρούσα εργασία αφορά τη συστηµατική εφαρµογή µεθοδολογίας ανάλυσης αστοχίας, προκειµένου να εκτιµηθεί το κύριο αίτιο που οδήγησε στην πρόωρη αστοχία ενός δίσκου πέδησης δικύκλου υψηλού κυβισµού. Η διάρκεια ζωής τέτοιων στοιχείων καθορίζεται ως συνάρτηση της µείωσης του πάχους τους, λόγω της αναµενόµενης φθοράς τους κατά τη χρήση. Στην εξεταζόµενη περίπτωση και πριν επέλθει η κατ αυτήν την έννοια απαξίωση του δίσκου, παρατηρήθηκε ανάπτυξη ρωγµών σε περιοχές των οπών ψύξης, οι οποίες διαδιδόταν ακτινικά, προς το κέντρο περιστροφής. Σε πρώτο στάδιο, η ανάλυση του προβλήµατος περιλάµβανε τον πλήρη εργαστηριακό χαρακτηρισµό του υλικού του δίσκου, των επιφανειών φθοράς καθώς και των επιφανειών θραύσης στο επίπεδο των ρωγµών. Συµπληρωµατικά, πραγµατοποιήθηκε ανάλυση µε τη χρήση πεπερασµένων στοιχείων για τον υπολογισµό της κατανοµής των αναπτυσσόµενων τάσεων και µετατοπίσεων, προκειµένου να ερµηνευθεί η θέση του σηµείου έναρξης της ρωγµάτωσης. Λέξεις-κλειδιά: Σύστηµα πέδησης, ανάλυση αστοχίας, φθορά λόγω τριβής, ρωγµάτωση, πεδίο τάσεων 1. Εισαγωγή και ιστορικό χρήσης Η κατασκευή τροχοφόρων οχηµάτων περιλαµβάνει την ενσωµάτωση επιµέρους τριβοσυστηµάτων, όπως αυτά της πέδησης [1] και της σύµπλεξης [2], η καλή λειτουργία και η ελεγχόµενη φθορά των οποίων είναι κρίσιµης σηµασίας για την ασφάλεια των επιβατών. Τα συστήµατα αυτά αποτελούνται από ένα µεταλλικό στοιχείο υψηλής αντοχής σε φθορά συνήθως χυτοσίδηρο, δισκοειδούς γεωµετρίας, επί του οποίου κατά τη χρήση ολισθαίνει αναλισκόµενο στοιχείο από σύνθετο υλικό, µε ταυτόχρονη εφαρµογή πίεσης, το ύψος της οποίας εξαρτάται από τις συνήθειες του οδηγού. Η επιτρεπόµενη, αναπόφευκτη φθορά του µεταλλικού στοιχείου καθορίζεται από τον κατασκευαστή του συστήµατος και συνήθως δίδεται ως η µέγιστη αποδεκτή για ασφαλή χρήση, µείωση του πάχους του δίσκου. Σχ.1 Στοιχείο µηχανής, που εµφάνισε πρόωρη αστοχία. Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η πρόωρη αστοχία δίσκου πέδησης δικύκλου (Σχ. 1), µετά από ~50.000 km περιοδικής χρήσης του. Πρόκειται για µεταλλικό στοιχείο που φέρει στο σώµα του οπές ψύξης σε ακτινική, εξάκις επαναλαµβανόµενη διάταξη 3-2-2. Το όριο φθοράς που δίδεται από τον
κατασκευαστή του είναι µείωση του αρχικού του πάχους κατά 1 mm. Σε περιοδικό έλεγχο και ενώ η µείωση του πάχους ήταν 0,6 mm, -εντός των ορίων ασφαλούς χρήσης- παρατηρήθηκε ανάπτυξη ακτινικών ρωγµών (Σχ. 2) προς το κέντρο περιστροφής, οι οποίες εµφανίσθηκαν σε τρεις από τις έξι εξώτερες οπές ψύξης, µε διευθύνσεις διάδοσης που σχηµάτιζαν µεταξύ τους γωνία 120. Σχ.2 Εµφάνιση ακτινικής ρωγµής στις εξώτερες οπές ψύξης του στοιχείου. 2. Μεθοδολογία ανάλυσης Προκειµένου να αξιολογηθούν όλοι οι πιθανοί παράγοντες που οδήγησαν στην πρόωρη αστοχία του στοιχείου και να εκτιµηθεί ο βαθµός συνέργειάς τους, εφαρµόσθηκε η µεθοδολογία Ανάλυσης Αστοχίας που παρουσιάζεται στο Σχ. 3. Σχ.3 Στάδια της µεθοδολογίας ανάλυσης αστοχίας που εφαρµόσθηκε και επιµέρους ερωτήµατα που απαντήθηκαν.
Πέραν της µακροσκοπικής οπτικής παρατήρησης για τον εντοπισµό των περιοχών αστοχίας που έχρηζαν περαιτέρω εργαστηριακής διερεύνησης, πραγµατοποιήθηκε µεταλλογραφική παρατήρηση για τον εντοπισµό προϋπαρχόντων ελαττωµάτων µικροδοµής και παρατήρηση σε Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης των επιφανειών θραύσης στο επίπεδο των ρωγµών του υλικού για τον εντοπισµό του είδους θραύσης. Επιπλέον, έγινε παρατήρηση των επιφανειών φθοράς των δυο µερών του τριβοσυστήµατος, για τον εντοπισµό πιθανών ενδείξεων µη σταθερής γραµµικής φθοράς, λόγω ενεργοποίησης δευτερογενών µηχανισµών αποµάκρυνσης υλικού. Τέλος, πραγµατοποιήθηκε αριθµητικός υπολογισµός του συστήµατος µε τη µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων, προκειµένου να ερµηνευθεί η θέση εµφάνισης των ρωγµών και να εκτιµηθούν τα πεδία θερµοκρασιών και τάσεων που αναπτύσσονται από την περιοδική χρήση, λαµβάνοντας υπ όψιν τις οδηγικές συνήθειες του αναβάτη. 3. Εργαστηριακά ευρήµατα 3.1. Ανάλυση µικροδοµής και ταυτοποίηση υλικού Η χηµική ανάλυση του υλικού του δίσκου πέδησης όπως µετρήθηκε µε την τεχνική της Φασµατοσκοπίας Οπτικής Εκποµπής, παρουσιάζεται στον Πίνακα 1. Η χηµική αυτή σύσταση ταυτοποιείται µε εκείνη του µαρτενσιτικού ανοξείδωτου χάλυβα AISI 410. Πίνακας 1: Χηµική σύσταση υλικού (% κ.β.) C Ni Cr Mn Si Mo Cu V Fe 0,06 0,16 12,70 1,52 0,30 0,048 0,018 0,02 Bal. Παρατήρηση σε Οπτικό και Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης (Σχ. 4) ανέδειξε οµοιόµορφη µικροδοµή, µε µέσο µέγεθος κόκκων ~ 10 µm, καθώς και απουσία πόρων ή εγκλεισµάτων. Τόσο η µεταλλογραφική παρατήρηση, όσο και η µικροσκληροµέτρηση διαφορετικών περιοχών του στοιχείου έδειξε ότι το τµήµα του δίσκου που µετέχει στο τριβοσύστηµα έχει υποστεί θερµική κατεργασία σκλήρυνσης. Συγκεκριµένα, η µικροσκληρότητα του υλικού στην περιοχή των ακτίνων (Σχ. 4α) βρέθηκε να είναι 315 HV0,5, ενώ εκείνη του υλικού στο κύριο σώµα του δίσκου, που µετέχει στο τριβοσύστηµα, βρέθηκε να είναι 415 HV0,5. Σχ.4 Μικροδοµή του υλικού: (α) Περιοχή ακτίνων, (β) Περιοχή κύριου σώµατος δίσκου. 3.2. Μελέτη των επιφανειών θραύσης Η παρατήρηση των επιφανειών θραύσης στο επίπεδο των ρωγµών ανέδειξε την ενεργοποίηση τριών µηχανισµών (Σχ. 5), που συνήργησαν στη διάδοσή τους: (α) Ψαθυρή κόπωση (Σχ. 5α), σε περιοχές της διαµέτρου της οπής, ενδεικτική της έναρξης ρωγµάτωσης σε συνθήκες υπερφόρτισης του συστήµατος και διάδοσης υπό καθεστώς ολιγοκυκλικής καταπόνησης. (β) Περικρυσταλλική διάβρωση του ανοξείδωτου χάλυβα (Σχ. 5β), ενδεικτική της αύξησης της θερµοκρασίας κατά τη χρήση του συστήµατος.
(γ) Ολκιµης θραύσης (Σχήµα 5γ), σε περιοχές µπροστά από το µέτωπο της ρωγµής, ενδεικτική της σηµαντικής καταπόνησης του «υγιούς» υλικού, λόγω της διάδοσης της ρωγµής Σχ. 5 Μικρογραφίες χαρακτηριστικών περιοχών της επιφάνειας θραύσης: (α) Ενδείξεις κόπωσης, (β) Ιχνη περικρυσταλλικής διάβρωσης, (γ) Ολκιµη θραύση. 3.3. Μελέτη των επιφανειών τριβής Η παρατήρηση των επιφανειών τριβής του δίσκου (Σχ. 6) δεν έδωσε ενδείξεις µη αναµενόµενων φαινοµένων φθοράς του υλικού. ιακρίνονται περιοχές άροσης κατά τη διεύθυνση ολίσθησης µε σηµειακές περιοχές οξείδωσης (Σχ. 6α), σηµείο επίσης ενδεικτικό της ανάπτυξης υψηλών θερµοκρασιών στην επιφάνεια επαφής µε το αναλισκόµενο στοιχείο (Σχ. 7). Με τη χρήση Οπτικού Προφιλόµετρου προσδιορίσθηκε ότι, σε διεύθυνση κάθετη στις αύλακες άροσης, το στοιχειώδες µήκος επαναλαµβανόµενου ανάγλυφου ήταν 1,8 mm, ενώ το µέγιστο βάθος και η µέγιστη υψοµετρική διαφορά της κατατοµής 8 και 16 µm, αντίστοιχα (Σχ. 6β, 6γ). Σχ. 6. Φθορά δίσκου πέδησης: (α) Μικρογραφία επιφάνειας τριβής/ φθοράς, (β) Εικόνα οπτικού προφιλοµέτρου, (γ) Κατατοµή υψοµετρικού ανάγλυφου σε ευθεία κάθετη στη διεύθυνση ολίσθησης. Η παρατήρηση της επιφάνειας φθοράς του αναλισκόµενου στοιχείου, επίσης έδωσε ενδείξεις οµοιόµορφης γραµµικής φθοράς µε την εµφάνιση αυλακώσεων άροσης κατά τη διεύθυνση ολίσθησης (Σχ. 7α). Μεταλλογραφικός έλεγχος της µικροδοµής (Σχ. 7β), στοιχειακή µικροανάλυση (Σχ. 7γ), καθώς και περίθλαση ακτίνων Χ έδειξαν ότι πρόκειται για σύνθετο υλικό µεταλλικής µήτρας µε ενίσχυση κεραµικών σωµατιδίων. Συγκεκριµένα, ανιχνεύθηκε η ύπαρξη επιµήκων σωµατιδίων οξειδίου του πυριτίου (SiO 2 ), µέγιστης διάστασης ~150 µm, και σωµατιδίων γραφίτη, µικρότερου µεγέθους, οµοιογενώς διεσπαρµένων σε µήτρα χαλκού.
Σχ. 7. Αναλισκόµενο στοιχείο του τριβοσυστήµατος: (α) Μακρογραφία του στοιχείου, (β) Οπτική µικρογραφία της δοµής, (γ) Στοιχειακή µικροανάλυση της (β). 4. Αριθµητική προσοµοίωση Προκειµένου να ερµηνευθεί η θέση εµφάνισης της ρωγµής και να εκτιµηθούν ο χρόνος και οι συνθήκες λειτουργίας που οδήγησαν στη δηµιουργία της, έγινε αριθµητική επίλυση του προβλήµατος µε τη µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων, θεωρώντας γραµµική φθορά του δίσκου και επαναλαµβανόµενες συνθήκες φόρτισης (: συνήθεια πέδησης αναβάτη), συναρτήσει του χρόνου χρήσης. Ενδεικτικά αποτελέσµατα της αριθµητικής προσοµοίωσης παρουσιάζονται στο Σχ. 8 και αφορούν την περίπτωση ακαριαίας πέδησης, µε εφαρµογή της µέγιστης πίεσης 35 bar και µέση τιµή συντελεστή τριβής 0,53 για το δεδοµένο σύστηµα, βάσει των στοιχείων που παρέχονται από τον κατασκευαστή του δικύκλου. Χρησιµοποιήθηκαν τετράκοµβα στοιχεία, µε συµπύκνωση πλέγµατος, γύρω από τις οπές ψύξης, ενώ η περιστροφή του δίσκου ήταν δεξιόστροφη και η συνεπαγόµενη δύναµη τριβής αριστερόστροφη. Για την κατάσταση που περιγράφηκε, οι κύριες παραδοχές για την επίλυση του µοντέλου ήταν: Μηδενική µηχανική και θερµική προϊστορία του υλικού και πάχος αµεταχείριστου δίσκου υνάµεις τριβής υπολογιζόµενες βάσει της θεωρίας της «οµοιόµορφης πίεσης» [3] Αµελητέα θερµικά φορτία, λόγω της ακαριαίας πέδησης Υπολογίσθηκε η κατανοµή των ισοδύναµων τάσεων κατά von Mises (Σχ. 8α) και βρέθηκε ότι αυτές µεγιστοποιούνται (93,5 MPa) στην περιοχή της εξώτερης οπής ψύξης, ενώ ο υπολογισµός της κατανοµής των πρώτων κύριων ορθών τάσεων έδωσε µέγιστη τιµή (104 MPa) στην περιοχή, όπου παρατηρήθηκε η ανάπτυξη της ρωγµής (Σχ. 8β). Αφού ερµηνεύθηκε η θέση εµφάνισης της ρωγµής, αναλύθηκε η θερµοµηχανική καταπόνηση του δίσκου για διάφορες συνθήκες χρήσης (πίεση, χρόνος εφαρµογής και συχνότητα πέδησης) και διάφορες τιµές µείωσης του πάχους, λόγω γραµµικής αποµάκρυνσης υλικού. 5. Αξιολόγηση αποτελεσµάτων Αφού αποκλείσθηκαν ως κρίσιµες αιτίες έναρξης της ρωγµάτωσης η ύπαρξη ελαττωµάτων κατασκευής του υλικού του δίσκου και η ενεργοποίηση δευτερογενών µηχανισµών ταχείας φθοράς του λόγω τριβής ολίσθησης, η µελέτη αστοχίας του δίσκου εστιάσθηκε στον αριθµητικό υπολογισµό
των αναπτυσσόµενων θερµοκρασιακών και τασικών πεδίων, κατά τη χρήση ενός τριβοσυστήµατος µε χρονικά µεταβαλλόµενο πάχος. Αυτός επιτρέπει τον προσδιορισµό διαφόρων συνδυασµών παραµέτρων χρήσης, οι οποίες θα µπορούσαν να οδηγήσουν σε έναρξη ρωγµάτωσης µαρτενσιτικού ανοξείδωτου χάλυβα AISI 410, σκληρότητας 410 HV0,5, και διάδοσης της ρωγµής ως τελικό µήκος 2 mm. Για την εύρεση των πιθανότερων συνδυασµών ελήφθησαν υπ όψιν οι παρατηρήσεις των επιφανειών θραύσης, ότι δηλαδή πρόκειται για αστοχία λόγω ολιγοκυκλικής κόπωσης, τυπική σε περιπτώσεις υπερφόρτισης, που συνοδεύεται από σηµαντική αύξηση της θερµοκρασίας στη διεπιφάνεια λόγω τριβής ολίσθησης, σε επίπεδα που ενεργοποιούνται µηχανισµοί οξείδωσης του µετάλλου. Η συγκεκριµένη µελέτη θα µπορούσε να συµπληρωθεί µε επανασχεδιασµό τόσο της γεωµετρίας και της διάταξης των οπών ψύξης, καθώς και των κριτηρίων επιλογής του υλικού κατασκευής. Σχ. 8 Ενδεικτικά αποτελέσµατα της ανάλυσης µε χρήση πεπερασµένων στοιχείων, για την οριακή περίπτωση ακαριαίας πέδησης: κατανοµές (α) ισοδύναµων και (β) πρώτων κύριων ορθών τάσεων. Βιβλιογραφικές αναφορές 1. R. Thornton, T. Slatter, A.H. Jones, R. Lewis (2011). The effects of cryogenic processing on the wear resistance of grey cast iron brake discs. Wear, 271, 2386 2395. 2. P. Psyllaki, G. Pantazopoulos, P. Karaiskos (2012). Failure Mechanisms of an Automobile Clutch Assembly Cast Iron Pressure Plate. Journal of Failure Analysis and Prevention, 12(1), 16-23. 3. Norton R.I. (2005). Machine Design: An Intergated Approach (3 rd Ed). Prentice-Hall Inc. New Jersey, USA.