UDK 624.014.2:620.179.16:539.55:669.14 Strokovni članek
ISSN 1580-2949 MATER. TEHNOL. 35(5)291(2001)
Ž. BAJT ET AL.: UGOTAVLJANJE POŠKODB VRVNIH PRIŽEMK IN ANALIZA VZROKOV NJIHOVEGA NASTANKA
UGOTAVLJANJE POŠKODB VRVNIH PRIŽEMK IN ANALIZA VZROKOV NJIHOVEGA NASTANKA
AN ASSESSMENT OF THE DAMAGE TO ROPEWAY CLIPS AND AN ANALYSIS OF THE SOURCE OF THE DAMAGE
Žiga Bajt1, Viljem Kuhar1, Andraž Legat1, Mirjam Leban2, Janez Gomboc1
1Zavod za gradbeništvo Slovenije, Dimičeva 12, 1000 Ljubljana, Slovenija 2Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Smetanova 17, 2000 Maribor, Slovenija
ziga.bajtŽzag.si
Prejem rokopisa - received: 2001-02-23; sprejem za objavo - accepted for publication: 2001-08-30
Vrvna prižemka je nosilni, dinamično obremenjen konstrukcijski element, ki povezuje sedežno obešalo s transportno vrvjo sedežnice. V lanskem letu smo z neporušnimi metodami sistematično vizualno in defektoskopsko pregledali večje število prižemk in drugih vitalnih konstrukcijskih elementov sedežnic. Osnovni cilj preiskav je bil oceniti njihovo stanje, detektirati obstoječe razpoke in druge poškodbe, ki bi lahko vodile do nenadnih lomov, ter določiti obseg teh poškodb. Ultrazvočna metoda s posebej prirejeno površinsko sondo se je pokazala kot zelo primerna in izredno zanesljiva za odkrivanje razpok na prižemkah. Poleg detekcije poškodb smo z laboratorijskimi preiskavami ugotovili vzroke nastanka in širjenja razpok na prižemkah. Rezultati preiskav so pokazali, da ima material prižemk in nekaterih drugih konstrukcijskih elementov zelo majhno žilavost, kar je najverjetnejše posledica pretežno feritne mikrostrukture in neustrezne toplotne obdelave. Konstrukcijski elementi iz materiala s tako mikrostrukturo ne zagotavljajo zadostne odpornostiprotikrhkemu lomu.
Ključne besede: prižemka, ultrazvočna preiskava, žilavost, utrujenostne razpoke, ogljično jeklo
A ropeway clip is an important dynamically loaded construction element that fastens together the hanger bar and the rope. During the last year, we were involved in systematic non-destructive testing of a range of ropeway clips and some other important construction elements. The main goal of the research was to detect the existance of cracks and other types of the damage that can lead to unexpected fracture, and an evaluation of the condition of the ropeway clips. The ultrasound method, accompanied by a specially arranged ultrasound surface beam-probe proved to be the most suitable, precise and reliable method for the cracks detection on the clips. In addition, several laboratory investigations were carried out in order to find causes for the initiation and propagation of cracks in the clips. Results of laboratory examinations revealed that the material of the clips, and also of the other construction elements, had very low toughness and a coarse-grain pearlite-ferritic microstructure, which is a result of improper heat treatment. It was concluded that the construction elements made from material with this kind of structure and mechanical properties would not ensure sufficient resistance to brittle fracture.
Keywords: ropeway clip, ultrasound investigations, toughness, fatigue cracks, carbon steel
1 UVOD
Sedežnice in vlečnice na smučiščih se uporabljajo za prevoz potnikov in so izpostavljene dinamičnim obremenitvam. Večji del nosilnih elementov med vzdrževanjem po pravilniku vizualno pregledujejo vzdrževalci žičnic, pregledi nekaterih elementov pa spadajo pod tehnični pregled. Izrednidogodki, alipa sum v predloženo dokumentacijo, so lahko povod za defektoskopske preiskave in preiskave materiala, ki sicer niso predmet rednih tehničnih pregledov.
Januarja lani se je na enem od slovenskih smučišč v neurju nenadno krhko porušila vrvna prižemka. V tem času naprava ni delovala, porušitev pa je bila posledica udarnih oziroma sunkovitih dinamičnih obremenitev. Nepredvideni dogodek je bil vzrok za širše preiskave in analizo stanja prižemk in nekaterih drugih konstrukcijskih elementov na žičniških napravah. Prižemka je konstrukcijski element, ki je izpostavljen statičnim in dinamičnim obremenitvam, večinoma pri temperaturah pod lediščem1. Zaradi tega mora biti material izbran za ta konstrukcijskielement odporen protikrhkemu lomu pri nizkih temperaturah 2,3,4,5.
Osnovni cilj preiskav je bil oceniti stanje nosilnih konstrukcijskih elementov sedežnic, določiti obseg poškodb, detektirati obstoječe razpoke in raziskati vzroke njihovega nastanka ter širjenja. Glavni namen članka, v katerem smo se osredotočili izključno na preiskavo prižemk, je bil predstaviti sistem njihovega pregledovanja na terenu s poudarkom na neporušnih metodah detekcije razpok. Pri iskanju vzrokov nastanka razpok na prižemkah smo poleg osnovne analize mehanskih obremenitev določili tudi osnovne lastnosti materiala, iz katerega so bile prižemke izdelane.
2 OPIS PRIŽEMKE
Na sedežnicah opravlja vrvna prižemka funkcijo nosilnega elementa, ki povezuje obešalo in konstrukcijo sedežev s transportno vrvjo. Fiksni in premični del prižemke z vzmetnim mehanizmom prižemata transportno vrv. Fiksni del prižemke ima tri karakteristične dele: ležajni čep, telo prižemke in natekalna jezička (slika 1). Zgornji del obešala z ležajnim ohišjem je pritrjen na ležajni čep prižemke. Ležaj omogoča nihanje, oziroma gibanje obešala s sedeživ smerivožnje. Prižemke so
MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 5
291
Ž. BAJT ET AL.: UGOTAVLJANJE POŠKODB VRVNIH PRIŽEMK IN ANALIZA VZROKOV NJIHOVEGA NASTANKA
Slika 1: Karakteristični deli prižemke, njena lega na vrvi in statične
obremenitve
Figure 1: Characteristic parts of a ropeway clip, its position on the
rope, and the static loads
večinoma izdelane iz ogljičnega jekla s postopkom večfaznega kovanja v utopih, ležajni čep pa je kasneje stružen in brušen.
Glavna statična obremenitev prižemke je FOB, teža obešala s potniki (slika 2). MOB je upogibni moment, ki nastane zaradiFOB in ročice (razdalje med vrvjo in prijemališčem sile). Dinamične obremenitve povzročajo veter, tek prižemk čez kolesne baterije in vrvenice ter vkrcavanje potnikov1. Dinamične obremenitve povzro-čajo tudi izmenične torzijske obremenitve okrog navpične osi sedežnega obešala MTO (slika 2).
S stališča obremenitev je kritično mesto radij na prehodu iz ležajnega čepa v telo prižemke (slika 1), kjer je poleg oblikovnega zareznega učinka tudi največji upogibni moment ter obrabna in korozijska izpostavljenost. Kritično mesto je tudi na prižemalnem delu vrvi, kjer so utoriza natekalne jezičke.
3 UGOTAVLJANJE POŠKODB
3.1 Vizualni pregled prižemk
Privizualnem pregledu6 različnih tipov prižemk različnih proizvajalcev smo ugotovili specifične napake in poškodbe, ki so posledica obrabe, korozije in utrujenosti. Obrabljeni in deformirani so predvsem prižemalnideliin natekalnijezički(slika 1). Ostre raze in korozijske poškodbe, kipotekajo v prečnismerina os ležajnega čepa lahko delujejo zarezno in tvorijo inicialna mesta za nastanek utrujenostnih razpok7,8. Razpok v radiju na prehodu iz ležajnega čepa v telo prižemk z vizualnim pregledom zaradi grobe površinske obdelave in omejitev vizualnega pregleda nismo ugotovili. Zaradi omenjenega nenadnega loma, ki je bil razlog za obširne preiskave, ter glede na analizo obremenitev, smo radij na prehodu iz ležajnega čepa v telo prižemke sistematično pregledovaliz drugimineporušnimimetodami- z ultrazvokom, penetranti in magnetno indukcijo (nekatere prižemke z razpokamismo preiskalitudimetalografsko).
Slika 2: Obremenitve na prižemko - FOB = teža obešala s potniki, MOB = upogibni moment velikosti FOB*s, MTO = torzijski moment okrog navpične osi sedežnega obešala
Figure 2: Ropeway clip loads - FOB = load of the hanger bar with passengers, MOB = bending moment FOB*s, MTO = torsional moment around the vertical axis of the hanger bar
Slika 3: Pot zvoka po ležajnem čepu prižemke
Figure 3: Sound propagation through the bearing bolt of the ropeway
clip
Po pregledu več kot 600 prižemk, smo kritične poškodbe ugotovili predvsem na prižemkah starejšega tipa nekega proizvajalca. V članku smo se osredotočili na problematiko te vrste prižemk.
3.2 Ultrazvočna defektoskopska preiskava
Ultrazvočna preiskava je uveljavljena nedestruktivna defektoskopska metoda, primerna za ugotavljanje razpok na kovinskih elementih. Po literaturnih podatkih9 se z ultrazvočno metodo lahko odkrijejo razpoke, globje od 0,025 mm. Informacijo o napakah v materialu dobimo z analizo ultrazvočnega vala, ki se odbije od nezveznih
Slika 4: UZ odziv na nepoškodovani prižemki - vrh signala na prvi tretjini grafa je posledica odboja zvoka od zgornjega roba prižemke Figure 4: Ultrasonic response on an undamaged ropeway clip - the peak in the first third of the graph is due to the sound rebound from the top edge of the clip
292
MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 5
Ž. BAJT ET AL.: UGOTAVLJANJE POŠKODB VRVNIH PRIŽEMK IN ANALIZA VZROKOV NJIHOVEGA NASTANKA
prehodov v materialu (razpok) ali od ostrih konstrukcijskih prehodov (robov). Defektoskopski - ultrazvočni pregled prižemk smo izvajali na prehodu iz ležajnega čepa v telo prižemke z defektoskopom Krautkrämer USN 50. Za pregled prižemk smo posebej priredili sondo s površinskim valom. Pri pregledovanju materiala s površinskim valom zvok potuje po površini (v tem primeru po površini ležajnega čepa - slika 3) in se odbija od motenj na svoji poti. V primeru, da prižemka v radiju nipočena, se površinskival odbije samo od zgornjega roba prižemke in potuje nazaj po isti poti (slika 4). Razdalja med izvirom zvoka in razpoko je na sliki 3 označena z A in je enaka kot razdalja od izhodiščne točke grafa do prvega izrazitega vrha signala na sliki 5. Če ultrazvočnival naletina razpoko, se del zvoka odbije proti izviru, del pa potuje naprej proti robu prižemke.
Na sliki 4 je prikazan odziv ultrazvočnega signala na nepočeni prižemki. Vrh signala na začetku skale je posledica vstopa zvoka iz UZ - sonde v preskušanec, neizrazitivrh v prvitretjiniobmočja (na razdaljiA + B) pa je odboj od zgornjega roba prižemke.
Na sliki 5 so vidni vrhovi signala: na prehodu iz UZ -sonde v telo prižemke (začetek grafa), odboj od zgornjega roba prižemke (na razdalji A+B od začetka grafa) in izrazit vrh signala, ki je posledica odboja od razpoke na prehodu iz ležajnega čepa v telo prižemke (na razdalji A od začetka grafa). Višina konice signala na počeni prižemki je odvisna od lege, oblike in globine razpoke10. Ostra in majhna razpoka, ki je usmerjena pravokotno na smer potovanja ultrazvočnega signala, da veliko močnejši odboj (slika 5 - a), kot pa obla zaokrožitev roba na vrhu prižemke (s lika 5 - b).
Razpoke so se večinoma pojavile na spodnjem in stranskem delu ležajnega čepa (slika 2 - prerez A-A). Razpoke na spodnjem delu so za približno 20° zamaknjene protistranskemu delu. Njihova lega je razumljiva, če si predstavljamo obremenitveno stanje prižemke privožnjiv klanec, ko se vrv v povprečju nagne za podoben kot. Nekatere razpoke so se pojavile na stranskih delih ležajnega čepa (slika 2 - prerez A-A), kije pristatično obremenjeniprižemkina ravnin neobremenjen, močne obremenitve tega dela ležajnega
Slika 5: UZ odziv na počeni prižemki - izraziti vrh signala je posledica odboja zvoka od razpoke v radiju
Figure 5: Ultrasonic response obtained on a cracked ropeway clip -the highest peak is due to the sound rebound from the crack in the radius
MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 5
Slika 6: Grobo zrnata perlitno – feritna widmanstättska mikrostruk-tura na eni izmed počenih prižemk
Figure 6: Coarse-grained pearlite-ferritic widmanstättic microstructure of one of the cracked ropeway clips
čepa pa so izmenične torzijske obremenitve okrog navpične osi sedežnega obešala MTO. Sunkovite in kombinirane obremenitve na kritičnem mestu lahko močno zmanjšajo življenjsko dobo konstrukcijskega elementa11.
3.3 Penetrantski defektoskopski pregled
Mesta na prižemkah, kjer smo z ultrazvokom ugotovilipočenost, smo pregledališe z barvnim penetranti. Penetrant je barvna tekočina, ki po nanosu na razmaščeno površino vzorca zaradi kapilarnega efekta prodira globoko v razpoke. Po čiščenju in razvijanju z obarvanjem površine se pokaže mesto počenosti. Vse razpoke, ki smo jih odkrili z ultrazvokom, smo na terenu aliv laboratoriju potrdilitudiz barvnimipenetranti, vendar pa ugotavljamo, da je v splošnem pregled z barvnimi penetranti na terenu manj zanesljiva in veliko bolj zamudna metoda ugotavljanja počenostikot ultrazvok (na pregled s penetrantimočno vplivajo razmere na terenu in priprava površine).
4 UGOTAVLJANJE VZROKOV POŠKODB
4.1 Mehanske preiskave – udarna žilavost
Omenili smo že, da je prižemka konstrukcijski element, ki je dinamično obremenjen in obratuje tudi pri nizkih temperaturah. Zaradi tega je med mehanskimi lastnostmi, ki jim mora material prižemk ustrezati, zelo pomembna tudižilavost3,12. Dinamično obremenjene konstrukcije iz krhkega jekla se lahko porušijo brez predhodnih vidnih deformacij. Po definiciji je žilavost zmožnost materiala, da s plastično deformacijo absorbira energijo pred porušitvijo2. Žilavost večine jekel je izrazito odvisna od temperature: sorazmerno visoka žilavost prisobnitemperaturiz nižanjem temperature naglo pade. Splošni predpis za konstrukcijska jekla, ne glede na vrsto jekla, zahteva minimalno žilavost 27 J pri
293
Ž. BAJT ET AL.: UGOTAVLJANJE POŠKODB VRVNIH PRIŽEMK IN ANALIZA VZROKOV NJIHOVEGA NASTANKA
Tabela 1: Kemijska analiza jekla prižemke ter primerjalna standardna kemijska sestava jekla Ck 35 po DIN 17201; št. jekla 1.1181
Table 1: Results of the chemical analysis of the ropeway clip material, and the standardised chemical composition of the carbon steel Ck 35
DIN 17201, steel no. 1.1181
Oznaka vzorca	%C	% Si	% Mn	%P	%S	% Cr	% Mo	%V	% Al
primer	0,36	0,28	0,68	0,012	0,025	0,2	0,03	<0,01	0,007
Po DIN standardu za Ck 35	0,32-0,39	0,15-0,35	0,5-0,8	< 0,035	< 0,035	.			
-20 °C 13. Avstrijske smernice za gradnjo in obratovanje sedežnic14 navajajo, da mora biti srednja vrednost žilavosti materiala prižemk v seriji preizkusov pri -30 °C večja od 40 J, pri čemer noben izmed preizkušancev ne sme imeti manjše žilavosti od 27 J.
Preskušance za udarno žilavost po Charpyu v skladu s standardom SIST EN 10045 - 1 smo izdelali iz konzol-nega dela teles prižemk. Žilavost večine preiskanih prižemk (starejši tip prižemk) je bila pri T = -20 °C nižja od zahtevane: največ izmerjenih vrednosti je bilo med 10 J in 15 J, najnižje vrednosti pa so bile okrog 5 J.
4.2 Kemijska analiza jekla prižemk
Zaradi nepoznane kvalitete materiala smo naredili kemično analizo jekla prižemk. V tabeli 1 je prikazan značilen primer kemijske analize jekla prižemke s slabo žilavostjo. Glede kemične sestave (tabela 1) ustreza jeklo, iz katerega so izdelane prižemke starejšega tipa, kvaliteti Ck 35. To jeklo je namenjeno za poboljšanje, uporablja pa se za bolj obremenjene dele v strojegrad-nji15 ter elemente kiobratujejo pripovišanitemperaturi.
4.3 Metalografska preiskava mesta z razpokami
Da bi potrdili zanesljivost neporušnih preiskav, predvsem pa ugotovili mikrostrukturne značilnosti materiala prižemk, na katerih smo detektirali razpoke, smo kritične dele nekaterih prižemk tudi metalografsko preiskali. Za preiskavo smo del prižemke izrezali vzdolžno preko razpoke (v smeriosiležajnega čepa) in izdelalimetalografskiobrus. Z metalografsko preiskavo smo potrdili, da nam je z ultrazvočnim pregledom uspelo detektiratitudizelo majhne razpoke z globino okrog 0,1 mm. Večina razpok je bila globokih od 0,4 mm do 0,8 mm. Razpoke so nastale na mestih z največjo koncentracijo napetosti, oziroma zareznim učinkom. V večini primerov so bili iniciali razpok raze, ki so bile posledice grobe površinske obdelave ali obrabe. Stružne raze so imele globino največ do 50 µm in so bile veliko bolj oble kot razpoke, zato se je njihov ultrazvočni odziv dobro ločil od ultrazvočnega odziva razpok in ni motil pregleda.
Metalografska preiskava več prižemk, na katerih so bile odkrite razpoke kaže, da je mikrostruktura jekel s slabo žilavostjo pretežno iz lamelarnega perlita, zelo nehomogena in grobozrnata - nominalna ASTM -velikost zrn razreda 1 do 3 16. Pripreiskaviobravnih prižemk smo nekajkrat ugotovilitudiv celotiamorfniin transgranularniwidmannstättskiferit (slika 6).
Metalografska analiza kaže, da material ni bil termično obdelan - poboljšan, nizka vsebnost aluminija pa je verjetno vzrok za grobozrnato strukturo po kovanju. Posledica vsega naštetega je slaba žilavost jekel starejšega tipa prižemk17,5.
5 SKLEP
Porušitev prižemke na enem izmed slovenskih smučišč ter njena krhka narava loma sta bila povod za podrobnejšo analizo stanja prižemk na žičniških napravah. Cilj preiskav je bil predvsem detektirati obstoječe razpoke in raziskati vzroke njihovega nastanka in širjenja.
Prižemke smo pregledovali v razstavljenem stanju: vizualno, s penetranti ter ultrazvokom. Po začetnih pregledih in študiju obremenitev, ki med obratovanjem delujejo na prižemko smo ugotovili, da je najbolj kritično mesto prehod iz ležajnega čepa v telo prižemke. Z vizualnim pregledom je mogoče odkriti le površinske nepravilnosti in večje razpoke, pregled s penetranti pa ima na terenu zaradi vpliva okolice omejene zmožnosti, zato smo se odločili za ultrazvočno preiskavo. Za ultrazvočno pregledovanje kritičnega mesta smo posebej priredili površinsko sondo, kar se je izkazalo za enostaven, istočasno pa zelo zanesljiv način detekcije tudizelo majhnih razpok (? 0,1 mm). Zanesljivost ultra-zvočnega pregleda smo dokazalitudiz metalografsko preiskavo počenih prižemk v laboratoriju.
Za določitev vzrokov nastanka in širjenja razpok smo v laboratoriju za vsako serijo prižemk na posamezni napravi izvedli žilavostne preskuse, določili kemijsko sestavo jekla ter opravili metalografsko analizo mikrostrukture. Rezultati teh preiskav so pokazali, da je material počenih prižemk (Ck35) neustrezen za dejanske obratovalne razmere, struktura pa nehomogena, pretežno perlitna in grobozrnata (na določenih mestih je celo widmansttätski ferit). Vse našteto je vzrok za slabo žilavost materiala, zaradi katere se okolica razpok ne more plastično deformirati in tako zaustaviti njihovega napredovanja. Izrazite obrabne poškodbe in ugotovljene razpoke na prižemkah, skupaj z neustrezno žilavostjo materiala, močno zmanjšujejo varnost teh konstrukcijskih elementov.
6 LITERATURA
1 Artur Doppelmayer, Denkanstösse zur Funktionserfüllung von Einseilumlaufbahnen, Verlag WIR Public Relations, 1997
2 Donald J. Wulpi, Understanding How Components Fail, ASTM International, 2000
294
MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 5
Ž. BAJT ET AL.: UGOTAVLJANJE POŠKODB VRVNIH PRIŽEMK IN ANALIZA VZROKOV NJIHOVEGA NASTANKA
Stephens, Fatigue at low temperatures : a symposium sponsored by
ASTM Committees E-9 on fatigue and E-24 on fatigue testing, May
1983
M. Marinček, Kovine zlitine tehnologije, 28 (1994) 1-2, 31-38
F. Vodopivec, L. Kosec, B. Breskvar, Properties of structural steels
in transition temperature range, Metalurgija, 39 (2000) 3, 139-146
ASME Standard Sec. XI, IWA - 2210, IWA - 2211 (1996)
F. Vodopivec, B. Ule, L. Vehovar, J. Žvokelj, V. Verbič, Kovine
zlitine tehnologije, 28 (1994) 4, 571-477
Ž. Bajt, V. Kuhar, A. Legat, M. Leban, J. Gomboc, Untersuchungen
an Sesselliftklemmen, ISR, June 4, 2001, 7-9
J. Vojvodič Gvardjančič, Kovine zlitine tehnologije, 30 (1996) 3-4,
353-363
Josef Krauttkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Springer -
Verlag, 1986
T. Lagoda, E. Macha, A. Dragon and J. Petit, Influence of
correlations between stresses on calculated fatigue life of machine
elements, International Journal of Fatigue, 18 (1996), 547-555
Christian Petersen, Stalbau - Grundlagen der Berechnung und
baulichen Ausbildung von Stahlbauten, Friedr. Vieweg & Sohn,
1988
Osnovi čeličnih konstrukcija: Gra|evinska knjiga, 1986
Richtlinien für den Bau und Betrieb von Sesselliften, Ausgabe
August 1993
Boris Jocič, Slovenska jekla 2, Jekla in železove litine, 1996
Metals handbook, 8th Edition, Vol. 7, Atlas of Microstructures of
Industrial Alloys, ASM 1972
L. Lawson, E.Y. Chen, M. Meshii, Near-threshold fatigue: a review,
International Journal of Fatigue, 21 (1999), 15-34
MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 5
295