background image

Politechnika Warszawska 

Wydzial Samochodów i Maszyn Roboczych 

Instytut Maszyn Roboczych Ciężkich

 

 

 

 

 

 

Laboratorium Konstrukcji Nośnych 

 

 

 

Widmo obciążeń 

Obciążenia eksploatacyjne 

 

 

Wersja robocza 

Tylko dla użytku wewnętrznego SiMR PW 

 

 

 

 

 

Opracowanie: 

 

Hieronim Jakubczak 

Wojciech Sobczykiewicz 

 
 
 
 
 

Warszawa 2006 

Wszelkie prawa zastrzeżone 

background image

1. WSTĘP 

Konstrukcjom  maszynowym  stawia  się  coraz  wyższe  wymagania.  Dotyczą  one  między 

innymi  problemów  trwałości  i  niezawodności.  Zarówno  konstrukcja  nośna  jak  i  mechanizm 
współczesnych  maszyn  roboczych  ciężkich  muszą  być  projektowane  (wymiarowane)  na 
zadany  okres  trwałości,  uzasadniony  technicznie  i  ekonomicznie  w  danych  warunkach 
wytwarzania i eksploatacji. 

Wymiarowanie  na  zadaną  trwałość  oznacza  konieczność  udokumentowania  tego  faktu. 

Dokonuje  się  to  w  trakcie  realizacji  szeroko  pojętego  procesu  projektowego  maszyny, 
wstępnie  na  drodze  obliczeniowej,  a  następnie  eksperymentalnej  poprzez  różnego  rodzaju 
badania o charakterze: laboratoryjnym, poligonowym i eksploatacyjnym. 

2. CEL ĆWICZENIA 

Dla  przeprowadzenia  oceny  trwałości,  zarówno  na  drodze  obliczeniowej  jak  i 

eksperymentalnej,  niezbędna  jest  znajomość  obciążeń,  jakim  rozważany  element 
konstrukcyjny podlega w trakcie eksploatacji. Celem niniejszego ćwiczenia jest zapoznanie z 
metodami rejestracji obciążeń eksploatacyjnych, jak też ich przetwarzania. 

3. WPROWADZENIE TEORETYCZNE 
 

3.1. Proces obciążeniowy i jego rejestracja 

Pod  pojęciem  obciążeń  eksploatacyjnych  należy  rozumieć  obciążenia  zewnętrzne 

rozpatrywanego  obiektu,  np.:  udźwig  żurawia,  siła  skrawania  koparki  lub  moment 
obciążający wciągarkę. Mogą to być również skutki działania tych obciążeń zewnętrznych w 
postaci odkształceń lub naprężeń i odniesionym do określonego miejsca konstrukcji nośnej.  

Obciążenia  eksploatacyjne  wyznacza  się  oddzielnie  dla  podstawowych  zespołów 

maszyny, bowiem często odmienne elementy jej cyklu pracy są istotne dla różnych zespołów 
maszyny. Podobnie przedstawia się problem warunków eksploatacji. Poszczególne elementy 
procesu  eksploatacji  mają  różny  wpływ  na  trwałość  różnych  zespołów  tej  samej  maszyny. 
Dlatego  określenie  zbiorczego  obciążenia  opisującego  różne  warunki  eksploatacji,  na  jakie 
projektowana  jest  dana  maszyna,  a  zarazem  służącego  za  podstawę  do  wykazania  założonej 
jej  trwałości,  jest  sprawą  złożoną.  Elementy  tego  postępowania  zostaną  przedstawione  w 
dalszej części opracowania. 

Elementy  i  zespoły  maszyn  roboczych  ciężkich  pracują  w  warunkach  ciągłych  lub 

okresowo ciągłych, z racji cyklicznego charakteru pracy, zmian obciążeń w czasie. Oznacza 
to,  że  powstające  w  nich  naprężenia  zmieniają  się  nieregularnie  zarówno  pod  względem 
wartości,  częstości  jak  i  kolejności  występowania.  Rejestracji  obciążeń  eksploatacyjnych 
dokonuje  się  najczęściej  poprzez  pomiar  i  zapis  odkształceń  za  pomocą  czujników 
tensometrycznych umieszczając je w określonych punktach konstrukcji nośnej. Są to z reguły 
miejsca,  w  których  występuje  spiętrzenia  naprężeń.  Miejsca  takie  nazywamy  potencjalnymi 
słabymi  ogniwami  trwałościowymi  (PSO),  bowiem  w  nich  najpierw  dochodzi  do 
zainicjowania  pęknięcia  zmęczeniowego,  a  zatem  one  decydują  o  trwałości  zmęczeniowej 
całej  konstrukcji.  Są  to  zwykle  karby,  o  charakterze  konstrukcyjnym  (odsadzenie  na  wałku, 
spoina  spawalnicza  itp.),  które  leża  ponadto  w  strefie  znacznych  obciążeń  wewnętrznych 
konstrukcji.  Miejsca  takie  określa  się  z  reguły  na  podstawie  numerycznej  analizy  naprężeń 
(MES),  przy  wykorzystaniu  tzw.  kruchych  pokryć,  bądź  też  na  podstawie  analizy 
dokumentacji konstrukcyjnej i posiadanego doświadczenia. 

Przykładowy  zestaw  aparatury  pomiarowej  przedstawiono  na  rys.  1.  Przy  pomiarze 

odkształceń  za  pomocą  tensometrów  oporowych  niezbędnym  elementem  składowym  tego 

background image

zestawu  jest  mostek  tensometryczny  wraz  ze  wzmacniaczem.  Sygnał  wychodzący  ze 
wzmacniacza  może  mieć  postać  analogowa  lub  tez  może  być  przetworzony  do  postaci 
cyfrowej.  

Rejestracji  procesu  obciążenia  w  trakcie  eksploatacji  dokonuje  się  współcześnie  na  ogół 

przy  użyciu  komputera,  który  odpowiednio  wzmocniony  sygnał  z  czujnika  pomiarowego 
zapisuje  na  cyfrowym  nośniku  informacji  (dysku).  Gdy  sygnał  wyjściowy  ma  postać 
analogowa,  komputer  musi  być  wyposażony  w  przetwornik  analogowo-cyfrowy  (A/D).  Na 
ogół rejestracji dokonuje się od razu z kilku, a nawet kilkunastu punktów pomiarowych. 

Wcześniej najbardziej uniwersalnym i szeroko stosowanym rejestratorem był magnetofon. 

Przy jego pomocy dokonywano rejestracji w formie analogowej lub cyfrowej procesu zmian 
obciążeń  na  taśmie  magnetycznej.  Był  to  rodzaj  rejestratora  doskonale  nadającego  się  do 
długotrwałych pomiarów prowadzonych w warunkach eksploatacji. 

 

T

e

n

s

o

m

e

tr

y

Mostek 

tensometryczny

Wzmacniacz

Przetwornik

Komputer

A/D

T

e

n

s

o

m

e

tr

y

Mostek 

tensometryczny

Wzmacniacz

Przetwornik

Komputer

A/D

T

e

n

s

o

m

e

tr

y

Mostek 

tensometryczny

Wzmacniacz

Przetwornik

Komputer

A/D

T

e

n

s

o

m

e

tr

y

Mostek 

tensometryczny

Wzmacniacz

Przetwornik

Komputer

A/D

 

 

Rys.1.  Układ pomiarowy do rejestracji obciążeń eksploatacyjnych 

 

Współcześnie  do  pomiarów  i  rejestracji  wielkości  dynamicznych  stosuje  się 

specjalistyczne  oprogramowanie,  umożliwiające  szybka  kalibracje  urządzeń  pomiarowych 
oraz podgląd na ekranie komputera mierzonych sygnałów, pozwalając sprawdzić poprawność 
ustawień aparatury pomiarowej.  

 

3.2 Obróbka zarejestrowanych obciążeń eksploatacyjnych 
 

Zarejestrowany  proces  obciążeń  wymaga  pewnego  przetworzenia  (obróbki)  zanim 

zostanie  wykorzystany  do  określenia  trwałości  zmęczeniowej  konstrukcji  na  drodze 
obliczeniowej  lub  doświadczalnej.  Wynika  to  zarówno  z  konieczności  dostosowania  jego 
postaci  do  określonego  przeznaczenia,  jak  tez  ze  względu  na  konieczność  zmniejszenia 
ogromnych  rozmiarów  przechowywanych  informacji.  Profesjonalne  programy  służące  do 
akwizycji  obciążeń  eksploatacyjnych  umożliwiają  ponadto  usuniecie  wielu  efektów 
ubocznych, zarejestrowanych wraz z wielkością mierzona, jak szumy, znoszenie itp. 

 
Przykład  zarejestrowanego  sygnału  przedstawiono  na  rys.  2a.  Został  on  utworzony  z 

dyskretnych  punktów,  których  liczba  zależy  od  częstości  próbkowania  sygnału,  tj. 
odwrotności  czasu  pomiędzy  poszczególnymi  pomiarami  mierzonego  sygnału.  Fragment 
przebiegu zaznaczony linią kreskową przedstawiono na rys. 2b.  

 
 
 

 

background image

 

 

Rys.2.  Przykład zarejestrowanego przebiegu obciążeń eksploatacyjnych 

 
 

Dalsza  obróbka  zarejestrowanego  przebiegu  obciążeń  eksploatacyjnych  jest  możliwa  na 

dwa sposoby: 

  polegającym  na  określeniu  częstości  występowania  cykli  harmonicznych  w  przebiegu 

obciążeń  o  charakterze  losowym,  zwanym  także  często  sposobem  zliczeń  (counting 
method), 

  polegającym  na  określeniu  charakterystyk  statystycznych  procesu  losowego  opartych  na 

teorii korelacji. 

 

Parametrami charakterystycznymi stosowanymi w pierwszym sposobie są: szczyt, zakres, 

poziom. W oparciu o nie zostało opracowane szereg metod schematyzacji procesu losowego 
obciążenia. Zostały opisane w Załączniku A niniejszej instrukcji. 

 

Sposób charakterystyk statystycznych procesu losowego umożliwia dokonanie opisu tego 

procesu na podstawie następujących charakterystyk zaczerpniętych z teorii korelacji, są to: 

-  wartość średnia procesu, 
-  wartość skuteczna procesu, 
-  funkcja gęstości prawdopodobieństwa procesu, 
-  funkcja autokorelacji procesu, 
-  funkcja widmowej gęstości mocy procesu. 

 

background image

Przy  ich  pomocy  można  dokonać  opisu  procesu  losowego  w  dziedzinach:  amplitud, 

częstości  i  czasu,  a  zatem  otrzymać  informacje  o  wartościach  poszczególnych  realizacji 
obciążenia, kolejności ich występowania (historii) oraz prędkości przebiegu. Charakterystyki 
te  mogą  być  zastosowane  do  oceny  trwałości  zmęczeniowej,  zarówno  na  drodze 
obliczeniowej  jak  i  eksperymentalnej.  Wymagają  jednak  (w  pierwszym  przypadku 
stworzenia)  innych  metodyk  obliczeniowych  [Macha],  a  w  drugim  specjalnego 
oprogramowania  dla  aparatury  kontrolującej  wymuszanie  obciążeń  na  stanowisku 
badawczym. Dalsze rozważania są poświęcone głównie metodzie parametrów. 
 

Z punktu widzenia procesu zmęczeniowego istotne są jedynie punkty zwrotne przebiegu 

obciążeń,  zatem  usuniecie  wszystkich  punktów  pośrednich  jest  pierwszym  krokiem  obróbki 
zarejestrowanego  przebiegu.  Przykład  takiej  obróbki  dla  przebiegu  obciążeń  z  rys.  2b 
przedstawiono  na  rys.  3.  Dalsza  obróbka  tego  sygnału  polega  na  usunięciu  punktów 
wyznaczających  małe  zmiany  mierzonej  wartości,  nie  wpływające  w  ogóle  lub  w  bardzo 
nieznacznym stopniu na proces pękania zmęczeniowego.  

 

Rys. 3.  Przykład przebiegu obciążeń zawierającego tylko punkty zwrotne 

 
 

Efekt  usunięcia  punktów  wyznaczających  zmiany  naprężeń  mniejsze  od  1%  wartości 

największego  zakresu  w  tym  przebiegu  przedstawia  rys.  4.  Warto  zwrócić  uwagę,  że  liczba 
punktów w przebiegu zmodyfikowanym (rys. 4) jest ok. 30 razy mniejsza od liczby punktów 
w przebiegu oryginalnym (2a). 

 

Rys. 4.  Przebieg obciążeń z rys. 2a po usunięciu zmian < 1% 

background image

 
Zatem  ta  modyfikacja,  przypominająca  wygładzanie  zarejestrowanego  przebiegu  jest 

korzystna  z  dwóch  powodów:  (1)  znacznie  zmniejsza  rozmiar  pliku  danych,  (2)  pozwala  na 
skrócenie  badań  doświadczalnych  prowadzonych  z  wykorzystaniem  zarejestrowanego 
przebiegu obciążeń, bowiem pomija znaczną liczbę małych zmian naprężeń. 

 
W  wyniku  zastosowania  którejkolwiek  z  opisanych  wyżej  metod  schematyzacji  procesu 

obciążeń,  zarejestrowanego  w  trakcie  pomiarów  eksploatacyjnych,  otrzymuje  się  rozkład 
częstości występowania poszczególnych wartości danego parametru. W ten sposób uzyskana 
zostaje informacja o liczbie zmian obciążeń o określonej wartości, które wystąpiły w trakcie 
okresu  pomiarowego.  Nie  zachowuje  się  przy  tym  jednak  żadna  informacja  o  kolejności 
(historii)  zmian  obciążenia,  mającej  istotny  wpływ  na  przebieg  kumulacji  uszkodzenia 
zmęczeniowego. 
 

Współcześnie  powszechnie  uznaną  i  najczęściej  stosowaną  metodą  schematyzacji 

przebiegu  obciążeń  jest  metoda  rainflow  (kropli  deszczu),  która  jako  jedyna  definiuje  cykl 
obciążenia  w  sensie  fizycznym  (patrz  Załącznik  A).  Efektem  jej  zastosowania  są  cykle 
harmoniczne, zdefiniowane poprzez zakres, 

σ

, oraz poziom średni naprężeń, 

σ

m

. Mogą one 

być uporządkowane na dwa sposoby: 

 

1) 

Utworzenie  tzw.  tablicy  rainflow, 

σ

  – 

σ

m

,  zawierającej  liczby  cykli  o  określonej 

wartości  zakresu  i  poziomu  średniego  (Tab.  1).  Graficzną  interpretację  takiej  tablicy  o 
wymiarach 10 x 10 dla przebiegu naprężeń z rys. 4, przedstawiono na rys. 5 (wysokość 
słupków  jest  proporcjonalna  do  liczby  cykli  obciążeń).  Rysunek  ten  wskazuje,  że  w 
analizowanym  przebiegu  najwięcej  jest  cykli  o  bardzo  małych  wartościach  zakresu 
naprężeń.  

 

Tabela 1. Tablica rainflow dla przebiegu z rys. 4 
 

Mean stress 

Range 

127.1 

102.5 

77.9 

53.4 

28.8 

4.2 

-20.3 

-44.9 

-69.5 

-94.1 

264.78 

238.3 

211.83 

185.35 

158.87 

132.39 

105.91 

10 

79.43 

10 

52.96 

18 

27 

63 

15 

26.48 

10 

24 

40 

92 

318 

185 

background image

   

 

Rys. 5.  Graficzna interpretacja tablicy rainflow 

 

2.  Utworzenie  widma  obciążeń,  zawierającego  tylko  liczby  cykli  o  określonej  wartości 

zakresu  naprężeń.  Pod  pojęciem  widma  obciążeń  eksploatacyjnych  rozumiemy  rozkład 
częstości  występowania  poszczególnych  wartości  amplitudy  obciążenia  zmiennego  w 
trakcie eksploatacji. Najczęściej widmo obciążeń przedstawione jest w postaci krzywych 
częstości  skumulowanej.  Może  być  zapisane  w  formie  dyskretnej  (schodkowej)  lub 
analogowej (ciągłej), dla jednej przyjętej wartości naprężeń średnich (na ogół 

σ

m

 = 0)  

Przy  tworzeniu  widma  obciążeń  informacja  nt.  poziomu  średniego  każdego  cyklu 
określonego z przebiegu obciążeń jest pomijana, bądź też uwzględniana w inny sposób. 
Uwzględnienie  poziomu  średniego  cykli  naprężeń  odbywa  się  poprzez  modyfikację 
amplitud  naprężeń  zgodnie  z  zasadami  podanymi  przez  Goodmana,  Soderberga  lub 
Gerbera (rys. 6a).  

 

R

e

R

e

σ

ar

σ

a

σ

m

R

m

Gerber

Goodman

Soderberg

R

e

R

e

σ

ar

σ

a

σ

m

R

m

Gerber

Goodman

Soderberg

 

Rys. 6. Modyfikacja zliczanych cykli naprężeń uwzględniająca wpływ naprężeń średnich 

 

Najczęściej  stosowana  jest  zależność  Goodmana  lub  jej  modyfikacja  (rys.  6b).  W 

ogólności  jej  postać  przedstawia  zależność  (1),  z  której  można  wyznaczyć  ekwiwalentna 
amplitudę naprężeń dla cyklu przemiennego, 

σ

ar

 (R = -1), odpowiadającą cyklowi obciążenia 

o amplitudzie 

σ

a

 i naprężeniu średnim 

σ

m

:  

 

1

=

+

m

m

ar

a

K

R

σ

σ

σ

β

 

 

 

 

 

(1) 

 
gdzie 

β

K

 jest współczynnikiem działania karbu i ujmuje wpływ koncentracji naprężeń.  

background image

Dziesięciostopniowe widma naprężeń utworzone dla przebiegu z rys. 4 bez uwzględnienia 

oraz  z  uwzględnieniem  wpływu  naprężeń  średnich  przedstawia  rys.  7.  Wartość 
maksymalnego  zakresu  naprężeń  widma  zmodyfikowanego  (rys.  7b)  jest  wyższa  niż  jej 
odpowiednik obliczony bez modyfikacji cykli obciążeń. 

 

 

Rys. 7.  Widmo naprężeń dla przebiegu z rys 4 

 

3.3 Zintegrowany opis widma 
 

Widmo  obciążeń  (naprężeń)  uzyskane  w  trakcie  pomiarów  eksploatacyjnych,  a 

wykorzystywane  następnie  dla  celów  obliczeniowych  może  zostać  zapisane  w  postaci 
zintegrowanej, posługując się następującym wzorem: 

 

s

p

ai

m

p

m

i

n

n

n

n



=

σ

σ

 

 

 

 

(2) 

gdzie: 

n

i

 – ilość cykli naprężeń o amplitudzie 

σ

ai

 

n

m

 – objętość widma, 

n

p

 – ilość cykli naprężeń o amplitudzie najwyższej, 

σ

p

 

W  zależności  od  wartości  wykładnika  s,  ulega  zmianie  charakter  rozkładu  widma 

(rozkład  normalny  –  s  =  2,  rozkład,  wykładniczy  –  s  =l).  Wykładnik  s  może  przyjmować 
dowolną  wartość  większą  od  0.  Rys.  8  przedstawia  zbiór  możliwych  rozkładów  dla  widma 
jednostkowego, tj. przy: n

p

 = 1, n

m

 

= 10

6

.  

background image

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

n

i

 [cykli]

a

p

s = 0.1

0.2

0.3

0.6

1.0

1.5

3.0

5.0

10.0

 

Rys.8. Rodzina krzywych opisujących widma naprężeń wg zależności (1) 

dla stałych wartości n

p

 = 1 i n

m

 = 10

6

 

 
 
3.4 Widmo obliczeniowe. 

 
Współcześnie  od  konstruktora  wymaga  się  oceny  trwałości  zmęczeniowej  konstrukcji 

już  we  wczesnym  etapie  jej  projektowania.  Jednym  z  elementów  koniecznych  do 
przeprowadzenia  oceny  jest  widmo  obciążeń.  Na  tym  etapie  rozwoju  konstrukcji  można  je 
otrzymać w trojaki sposób: 

 

z  norm  lub  przepisów  wymiarowania  dotyczących  określonej  grupy  konstrukcji  jako 
tzw.  widmo  normatywne  np.  dla  dźwignic  z  normy  "PN-74-/M-06515.  Dźwignice. 
Podstawowe zasady wymiarowania stalowych ustrojów dźwignic", 

 

z  tzw.  "banku  informacji",  w  którym  gromadzone  są  wg  określonej  metodyki  widma 
obciążeń pochodzące z pomiarów dokonanych w trakcie eksploatacji na identycznych 
maszynach podobnych bieżącej generacji, 

 

bądź na drodze obliczeń analitycznych prowadzonych w trakcie konstruowania 

 

Tak  otrzymane  widma  obciążeń  są  oczywiście  mniej  dokładne  niźli  otrzymane  z 

bezpośredniej rejestracji na egzemplarzach prototypowych lub pochodzących z serii próbnej 
projektowanej maszyny, lecz umożliwiają przeprowadzenie wstępnej oceny jej trwałości nim 
zostanie ona wykonana w metalu. 

Na  rys.  9  przedstawiono  schematycznie  sposób  określania  widma  obciążeń  – 

momentów gnących w przekroju środkowym poprzecznicy suwnicy. 

Znając  rozkład  częstości  realizacji  poszczególnych  położeń  wózka  F(x)  oraz  rozkład 

częstości obciążeń na haku F(Q), a także przebieg procesu technologicznego obsługiwanego 
przez daną suwnicę, można wyznaczyć wzorcowe cykle pracy i w oparciu o nie symulować 
obciążenia  wewnętrzne  (momenty  gnące)  w  wybranym  przekroju  poprzecznicy 
wykorzystując  do  tego  celu  metodę  linii  wpływowych.  Tak  uzyskane  widmo  obliczeniowe 
wymaga zawsze konfrontacji eksperymentalnej przeprowadzonej z reguły na prototypie lub 
egzemplarzach serii próbnej. 

background image

 

 

 

Rys. 9 Symulacja obciążeń belki suwnicy pomostowej 

 

3.5 Widmo okresu eksploatacji 

Cechą  charakterystyczną  eksploatacji  maszyn  roboczych  ciężkich  jest  częsta  zmiana 

warunków  ich  użytkowania.  Fakt  ten  musi  być  wzięty  pod  uwagę  przy  wymiarowaniu  na 
zadaną  trwałość,  bowiem  wprowadza  istotne  różnice  w  ilości  i  wartościach  występujących 
obciążeń. Zmusza to do przeprowadzania możliwie pełnej oceny procesu obciążenia poprzez 
rejestrację  cząstkowych  widm  obciążeń  reprezentujących  wszystkie  istotne  warunki 
użytkowania. Na ich podstawie budowane jest widmo zbiorcze odpowiadającego założonemu 
okresowi eksploatacji wraz z podziałem na przewidywane warunki użytkowania. 

Na rys. 10 przedstawiono podział warunków użytkowania, charakterystyczny dla koparek 

jednonaczyniowych,  zaś  na  rys.  11  cząstkowe  widma  naprężeń  zarejestrowane  w 

background image

przedsiębiernym osprzęcie roboczym koparki o średniej długości ramienia łyżki przy kopaniu 
rowu  w  poziomym  terenie,  wysypywaniu  urobku  na  odkład  dla  trzech  rodzajów  urobiska: 
piasek, glina, skała, zawsze o średniej wilgotności. 

 

 

 

 

Rys.10. Opis warunków użytkowania koparek jednonaczyniowych. 

 
 

Na  rys.  9  można  zauważyć  zasadnicze  różnice  zarówno  w  wartościach  naprężeń  fazy 

kopania dla poszczególnych rodzajów urobiska jak i ilościach zmian naprężeń. 

 

background image

 

 

 

 
Rys.  11.  Widmo  naprężeń  w  osprzęcie  podsiębiernym  koparki  hydraulicznej 

zarejestrowane  w  trakcie  pomiarów  eksploatacyjnych  w  trzech  rodzajach  gruntów, 
przeliczone  na  1000  cykli  pracy  koparki.  Fazy  pracy  A  –  kopanie,  B  –  podnoszenie,  C  – 
obrót, D – wyładunek, E – obrót, F – opuszczanie 

 
 

4. Wykorzystanie obciążeń eksploatacyjnych do wymiarowania konstrukcji nośnych 
Obciążenia  eksploatacyjne  są  podstawą  do  przeprowadzenia  oceny  trwałości  zmęczeniowej 
konstrukcji  nośnej.  Może  się  to  odbywać  przy  wykorzystaniu  do  opisu  obciążeń  metod 

background image

schematyzacji,  bądź  też  charakterystyk  procesu  losowego.  Wyniki  tego  opisu  mogą  być 
następnie zastosowane do oceny trwałości na drodze teoretycznej lub doświadczalnej (rys. 12) 
 

 

 

Rys.12. Schemat oceny trwałości zmęczeniowej. Warianty. 

 

5. Wykonanie ćwiczenia 

Realizacja ćwiczenia składa się z czterech podstawowych części: 
1.  Zapoznania z aparaturą do pomiaru i rejestracji procesu losowego obciążenia: czujnik, 

mostek pomiarowy, przetwornik AD, oprogramowanie. 

background image

2.  Pomiaru i rejestracji przebiegu obciążeń w podporze żurawia wieżowego. Realizacja 

tego  zadania  zostanie  przeprowadzona  na  modelu  dynamicznym  żurawia  wieżowego  ŻB-45 
w podporach, którego zamocowane zostały dynamometry tensometryczne (rys. 13). 

 

Rys.13. Schemat rejestracji obciążeń podpór żurawia wieżowego. 

 

3.  Schematyzacji  przykładowego  przebiegu  procesu  losowego  obciążenia  przy  pomocy 

specjalnego oprogramowania. 

4.  Przeprowadzenie  zintegrowanego  opisu  widma  obciążeń  na  podstawie  rezultatów 

otrzymanych w p.3. 

 

 

6. LITERATURA 

[1] A. Piątkiewicz, R. Sobolski: Dźwignice, T.2, WNT 1978. 

[2]  D.Cottin,  G.Polanik:  Probleme  der  Auswertung  von  Belastungsmessungen  mit  Hilfe  der 

Klassiertechnik.  Wissenschaftliche  Zeitschrift  der  Technischen  Hochschułe  Karl-Marx-
Stadt, 1972, Hcft 2. 

[3] H. P. Lieurade, P. Rabbe: Methods of reduction and interpretation of service load spectra 

with a view to simulated fatigue tests. Welding in the World, Vol.l0, No.7/8, 1972. 

[4] M.Bily, B.Korman, V.Tydlacka: Experimentalne stanovenie prevadzkoveho namahania 

kontrukcie. Strojirenstvi No.23, 1973. 

 

 

background image

ZAŁĄCZNIK A.  
 
METODY SCHEMATYZACJI PROCESU OBCIĄŻEŃ

 
Przy schematyzacji przebiegów losowych wykorzystuje się trzy podstawowe wielkości. Są to: 
szczyt, zakres, poziom (rys. A1). 

 

 

Rys.A1. Parametry charakterystyczne przebiegu losowego. 

 

Wiąże  się  z  tym  problem  określenia  cyklu  zastępczego  o  kształcie  sinusoidalnym, 

charakteryzującego  się  amplitudą  i  naprężeniem  średnim  cyklu.  I  tak  za  cykl  przyjmuje  się 
zmianę naprężenia od poziomu średniego cyklu do ekstremum a następnie od tego ekstremum 
do  ekstremum  przeciwnego  i  z  powrotem  do  poziomu  średniego  (rys.  A2a).  Ten  sposób 
postępowania ma miejsce w metodach posługujących się szczytami lub poziomem. 
  

 

Rys A2. Określenie cyklu zastępczego. 

 

W  metodach  opartych  na  zakresie,  za  cykl  przyjmuje  się  zmianę  naprężeń  od  jednego 

ekstremum  do  drugiego  i  z  powrotem  (rys.  A2b).  Istnieje  cały  szereg  metod  schematyzacji 
losowego  procesu  obciążeń,  które  można  podzielić  w  zależności  od  wyboru  wielkości 
charakterystycznej. 

 

I. Metody wartości szczytowych 

a)  metoda  zliczania  wartości  szczytowych,  z  uwzględnieniem  przejścia  przez  poziom  średni.

 

W  metodzie  tej  uwzględnia  się  tylko  wartości  odpowiadające  najwyższym  wierzchołkom 
pomiędzy  dwoma  przecięciami  poziomu  odniesienia  dla  całego  przebiegu.  W  przykładzie 
przedstawionym  na  rys.  A3  zliczone  zostały  więc  wierzchołki  2,  6,  14  -  jako  wartości 
dodatnie, a wierzchołki 5, 7, 15 - jako ujemne. 

background image

 

Rys.A3. Przebieg obciążeń eksploatacyjnych. 

 

b) metoda wartości szczytowych, z uwzględnieniem położenia poziomu odniesienia.  
W metodzie tej uwzględnia się wszystkie maksima powyżej poziomu odniesienia i wszystkie 
minima  leżące  poniżej.  W  przykładzie  rys.  A3  należy  więc  zliczyć  wierzchołki  2,4,6,10, 
12,14,16 jako dodatnie, a wierzchołki 5,7,9,15 jako ujemne. 
 
c) metoda wartości szczytowych, w której zliczane są wszystkie maksima i wszystkie minima
niezależnie  od  siebie

.  W  wyniku  otrzymuje  się  dwa  rozkłady,  z  których  wierzchołki 

2,4,6,8,10,12,14,16  tworzą  rozkład  maksimów,  a  wierzchołki  3,5,7,9,11,13,15  rozkład 
minimów  (rys.  A3).  W  metodzie  tej  wynik  schematyzacji  jest  niezależny  od  położenia 
poziomu odniesienia. 
 
II. Metoda poziomów (metoda przejść przez klasy) 

 

W  metodzie  tej  zliczenia  dokonuje  się  przy  każdorazowym  przekroczeniu  granicy  klas. 

Do  klas  pozytywnych  (dodatnich)  zalicza  się  wszystkie  przejścia  w  kierunku  rosnącym  od 
poziomu  odniesienia,  do  klas  negatywnych  (ujemnych)  natomiast  wszystkie  przejścia 
malejące od poziomu odniesienia (rys.A4). 
 

 

 

Rys.A4. Metoda przejść przez klasy i otrzymane widmo amplitud harmonicznych. 

 
 

background image

III.

 Metody zakresów. 

 

a) metoda zliczania zakresów. 

Jako zakres przyjmuje się różnicę między dwiema sąsiednimi wartościami ekstremalnymi 

sygnału. 
Zakresy pomiędzy minimum i następującym po nim maksimum (gałęzie rosnące) zaliczane są 
do pozytywnych (r

1

 ,r

3

,r

5

} - (rys. A5) natomiast te, które występują pomiędzy wierzchołkiem 

górnym i następującym po nim dolnym (gałęzie opadające) - do negatywnych (r

2

,r

4

,r

6

), 

 

b)

  metoda zliczania zakresów, z uwzględnieniem wartości średnich.  

W metodzie tej obok zakresów zliczane są również ich wartości średnie m

i

 (rys. A5). 

 
c) metoda zliczania par zakresów. 

Zakres  r  oznacza  zmianę  obciążenia  lub  wzrost  zaczynający  się  z  minimum  lub 

maksimum. Każda para zakresów, mająca być zliczoną, składa się ze wzrostu pozytywnego 
przewyższającego  założoną  wartość,  stawionego  z  następnym  wzrostem  obciążenia 
negatywnego o tej samej wartości. 

 

Rys.A5. Metoda zakresów. 

 

Pośrednie zmiany obciążenia są pomijane. Tak więc, gdy zlicza są zakresy, dla których | 

r | > r

z

, wszystkie zarówno pozytywne jak też negatywne zmiany obciążenia o wartościach | r 

|  <  r

z

  nie  wpływają  na  zmianę  rezultatu  zliczania.  W  metodzie  tej  zliczanie  rozpoczęte  jest 

dopiero  wtedy,  gdy  zakresowi  pozytywnemu  odpowiada  tej  samej  wartości  zakres 
negatywny.  Taka  para  zakresów  tworzy  pełny  cykl  obciążenia.  W  metodzie  par  zakresów 
średnie naprężenia cyklu nie są uwzględniane. 

 

d) metoda kropli deszczu (rain flow) . 

Jest  to  jedyna  metoda  schematyzacji  mająca  sens  fizyczny.  Zliczanie  cykli  zmian 

naprężeń  następuje  tu  bowiem  zgodnie  z  cyklicznym  zachowaniem  się  materiału,  które  w 
układzie współrzędnych naprężenie - odkształcenie opisane jest pętlą histerezy. 

Zamknięta pętla histerezy wyznacza pełny cykl obciążenia, zaś jedna jej gałąź - zmianę 

obciążenia  (półcykl).  Zgodnie  z  tym  dla  przebiegu  przedstawionego  na  rys.  A6  zmiana 
obciążeń od punktu 1 do 2 powinna być zliczona jako pół cyklu, natomiast pełny cykl tworzą 
pary zakresów wyznaczone położeniem punktów 4 – 5, 6 – 7 i 2 – 8. 

background image

 

Rys.A6. Zachowanie się materiału pod obciążeniem zmiennym. 

 

Autorem metody jest Tatsuo Endo, a jej nazwa pochodzi od skojarzenia zachowania się 

kropli  spływających  po  dachu  japońskiej  pagody.  Spływanie  kropli  zaczyna  się  od 
wewnętrznej  strony  każdego  wierzchołka  (ekstremum)  i  może  trwać  dopóty,  dopóki  nie 
napotka kropli, która zaczęła spływać z ekstremum o większej wartości, tj. kropli płynącej z 
większą prędkością (rys. A7).  

W  istocie  algorytm  matematyczny  dla  tej  metody  jest  bardzo  prosty,  bowiem  cykl 

obciążenia wyznacza się gdy spełniony jest warunek: 

 

2

1

1

i

i

i

i

σ

σ

σ

σ

    

 

dla i 

 3 

 

wówczas parametry cyklu obciążenia są następujące: 
 
zakres naprężeń: 

 

 

2

1

=

i

i

σ

σ

σ

 

 

wartość średnia: 

 

 

2

2

1

+

=

i

i

m

σ

σ

σ

 

 

 

Rys.A7. Metoda kropli deszczu. 

 

Tak zliczony cykl odpowiada zamkniętej pętli histerezy. Jeśli w całej historii obciążenia 

istnieje jedno maksimum i jedno minimum, to różnica między nimi zostanie zliczona jako pół 
cyklu.  Pamiętając  jednakże  o  tym,  ze  zarejestrowany  przebieg  obciążeń  odnosi  się  zwykle 

background image

tylko  do  krótkiego  okresu  eksploatacji  i  zakładając  jego  wielokrotne  powtarzanie  w  czasie 
życia maszyny trzeba mieć na uwadze, ze wszystkie półcykle obciążenia zostaną domknięte 
już  przy  pierwszym  powtórzeniu.  W  praktyce,  aby  przy  jednokrotnym  zastosowaniu 
procedury  schematyzacji  wszystkie  cykle  zostały  zliczone,  konieczna  jest  rearanżacja 
przebiegu  obciążeń  w  taki  sposób,  aby  punkt  wyznaczający  extremum  przebiegu  był 
pierwszym punktem.  

 

e) metoda pełnej fali 

Metoda  ta  jest  bardzo  zbliżona  do  metody  kropli  deszczu.  Zasadniczą  różnicę  stanowi 

nieuwzględnienie półcykli (metoda ta zwana jest niekiedy metodą pełnych cykli).  

Schematyzację  przebiegu  losowego  prowadzi  się  w  tej  metodzie  w  kilku  etapach  (rys. 

A8).  Najpierw  wydziela  się  pary  zakresów  (cykle)  o  wartościach  r  mniejszych  lub  równych 
wartości  założonej  r

1

  i  określa  się  ich  ilość.  Następnie  wydziela  się  cykle  o  zakresie  r, 

mniejszym  lub  równym  od  wartości  r

2

  (r

>  r

1

)  i  wyznacza  się  ich  ilość,  itd.  W  ten  sposób 

metoda pełnych cykli pozwala uwzględnić wszystkie pośrednie i podstawowe cykle procesu 
losowego.  W  metodzie  tej  uwzględnia  się  podobnie  jak  w  metodzie  "rain  flow"  średnie 
naprężenie cyklu. 

 

 

 

 

Rys.A8. Metoda pełnej fali. 

 
IV Porównanie metod schematyzacji 

 

Wybór metody schematyzacji nie da się niestety  uzasadnić przy pomocy jakiegokolwiek 

matematycznego  lub  fizycznego  kryterium,  a  ponadto  każda  z  metod  ma  również  określone 
niedostatki  z  punktu  widzenia  procesu  kumulacji  uszkodzenia  zmęczeniowego,  mogące 
istotnie  wpływać  na  rezultat  obliczeniowej  trwałości,  bądź  oceny  eksperymentalnej.  Do 
niedawna  wybór  parametru  i  metody  schematyzacji  zależały  tylko  od  rodzaju  posiadanej 

background image

przez  dany  ośrodek  badawczy  specjalistycznej  aparatury  do  automatycznej  schematyzacji 
procesu  obciążeń,  pracującej  z  reguły  tylko  wg  jednej  z  metod  schematyzacji.  Obecnie  po 
rozpowszechnieniu  elektronicznych  maszyn  cyfrowych,  problem  polega  na  opracowaniu 
programu  obliczeniowego  ujmującego  daną  metodę  schematyzacji,  zaś  czynności 
schematyzacji  dokonuje  uniwersalna  EMC,  stając  się  w  ten  sposób  automatyczną  aparaturą 
do  schematyzacji  procesów  losowych.  Problem  wyboru  metody  schematyzacji  zależy  teraz 
tylko od celu, któremu ma służyć.  

 

Wybór metody schematyzacji powinien zależeć od charakteru samego procesu, obciążeń 

eksploatacyjnych,  celu,  jakiemu  ma  służyć  oraz  od  możliwości  praktycznego  zastosowania 
danej  metody.  Jeśli  przyjąć,  że  No  oznacza  ilość  przecięć  poziomu  średniego,  a  Np  ilość 
maksimów  dla  danego  przebiegu  obciążeń  losowych,  to  stosunek  No/Np  określa  stopień 
nierównomierności  tego  procesu.  Rys.  A9  przedstawia  dwa  rodzaje  przebiegu  obciążeń 
eksploatacyjnych, natomiast rys. A10 - wyniki badań zmęczeniowych węzła konstrukcji przy 
obciążeniach realizowanych w oparciu o widma uzyskane różnymi metodami schematyzacji. 

 

Jak widać w przypadku przebiegu zbliżonego do symetrycznego (N

o

/Np 

 1 - rys. A9a) 

wynik  schematyzacji  niewiele  zależy  od  metody.  W  przypadku,  gdy  proces  losowy  jest 
bardziej  niesymetryczny  (N

o

/Np  <  l  -  rys.  A9b)  trwałości  uzyskane  w  oparciu  o  widma 

uzyskane  różnymi  metodami  mogą  się  znacznie  różnić,  nawet  kilkakrotnie  w  stosunku  do 
trwałości  rzeczywistej.  W  tym  przypadku,  mającym  miejsce  dla  większości  elementów 
maszyn  roboczych  ciężkich,  należy  stosować  metody  uwzględniające  również  średnie 
wartości cyklu obciążeń. 

 

Rys.A9. Charakterystyczne przebiegi obciążeń eksploatacyjnych. 

 

 

Rys.A10. Wpływ metody schematyzacji na trwałość uzyskaną w badaniach stanowiskowych.