180
Aktualności Innowacyjny projekt dzięki stali o wysokiej wytrzymałości
14 lipca, 2017 09:05 CET

Innowacyjny projekt dzięki stali o wysokiej wytrzymałości

Na rynku dostępne są dzisiaj tysiące różnych gatunków stali o różnych własnościach. Niemniej jednak, wszystkie stale węglowe są równe, jeśli chodzi o dwie własności.

Innowacyjny projekt dzięki stali o wysokiej wytrzymałości

Sukcesy i trudności projektowania

Na rynku dostępne są dzisiaj tysiące różnych gatunków stali o różnych własnościach. Niemniej jednak, wszystkie stale węglowe są równe, jeśli chodzi o dwie własności. Wszystkie mają tę samą gęstość (7,800 kg/m3 lub 0.28 lb/in3) i moduł  Younga.

Moduł Younga to własność mechaniczna, która opisuje reakcję sprężystą na użytą siłę. Dla stali wartość ta wynosi około 200 GPa (29,000,000 psi).

Gęstość i moduł Younga to naturalne stałe dla stali, które projektant musi zawsze wziąć pod uwagę.

Kiedy chcemy, by nasze produkty były mocniejsze, lżejsze i bardziej efektywne, mamy przede wszystkim następujące opcje:

  • Zastosować stal o wyższej granicy plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie, taką jak Strenx™. 
  • Użyć mniejszej ilości materiału do wykonania produktu w celu oszczędzenia masy. 
  • Zoptymalizować projekt, aby udoskonalić produkt. 

A zatem, o ile możesz zmniejszyć masę dzięki przejściu na stal Strenx o wysokiej wytrzymałości i optymalizacji projektu? W zależności od scenariusza, potencjalna oszczędność masy może wynieść  20%, 30% lub nawet 40% i więcej. A do tego wszystkiego, poprawiasz ogólną funkcjonalność produktu.

Ewolucja konstrukcji wysięgników

Podnośniki montażowe stanowią dobry przykład tego, jak można umiejętnie przeprojektować produkt i wykorzystać jego pełen potencjał dzięki użyciu stali o wyższej wytrzymałości.

Aby zwiększyć zasięg pionowy i poziomy bez utraty ładowności, należy zmniejszyć masę każdego segmentu wysięgnika. Jedynym sposobem jest redukcja ilości materiału użytego do wykonania segmentu wysięgnika, biorąc jednocześnie pod uwagę ogólną sztywność.

Innovative design with high-strength steel


Potencjał wzrostu funkcjonalności 

Aby uzyskać mocniejsze i lżejsze konstrukcje, projektant musi brać pod uwagę wiele czynników. Wykwalifikowani projektanci wykorzystują własności mechaniczne stali o wysokiej wytrzymałości, gdy rozważają konsekwencje projektowe:

  • Utrata sztywności, jeśli użyje się cieńszego materiału do przenoszenia tych samych lub nawet większych ładunków 
  • Większa smukłość, jeśli zmniejszy się grubość, co skutkuje wyraźniejszą niestabilnością 
  • Możliwe problemy z wytrzymałością zmęczeniową 

Sztywność 

Sztywność zależy od tego, w jaki sposób rozłożona jest masa stali w przekroju poprzecznym. Dotyczy to wszystkich rodzajów przekrojów – rur prostokątnych, belek H, T, L lub U czy zaawansowanych technologicznie segmentów wysięgników żurawi samojezdnych. Najbardziej skutecznym dla masy sposobem zwiększenia sztywności belki przy zginaniu jest przeniesienie materiału przekroju poza środek ciężkości.

Poniższy rysunek ilustruje, w jaki sposób prostokątny przekrój poprzeczny może zostać przeprojektowany, by zwiększyć sztywność przy zginaniu, w tym przypadku w kierunku pionowym. Przekrój po lewej to stan wyjściowy. Środkowy przekrój zachowuje taką samą geometrię przy zmniejszonej grubości, przez co jest mniej sztywny. Zmieniając geometrę w sposób pokazany po prawej, otrzymujemy lżejszy wysięgnik, który jest również bardziej sztywny i charakteryzuje się mniejszymi deformacjami. 

Smukłość 

W uproszczeniu, smukłość blachy to stosunek w/t, gdzie w oznacza szerokość, a t oznacza grubość odpowiedniej płaskiej powierzchni stalowej. Zmniejszenie smukłości blachy w pojedynczej części zmniejsza ryzyko miejscowego wyboczenia. Naszym celem jest redukcja masy przy takich samych, a nawet większych obciążeniach. Doprowadzi to do większych naprężeń, wymagając stali o wysokiej wytrzymałości i projektu ze zmniejszoną smukłością, by uniknąć wyboczeń.

Górna część wysięgnika, która narażona jest na rozciąganie, nie może ulegać wyboczeniom. Konieczne jest tylko zmniejszenie smukłości w dolnej, ściskanej części wysięgnika. Rozwiązaniem jest redukcja szerokości blachy poprzez wprowadzenie przegięć, jak pokazano na rysunku.

Zmęczenie materiału 

Jeśli chodzi o odporność zmęczeniową i przejście do stosowania stali o wysokiej wytrzymałości, następujące fakty są prawdziwe:

  • Wytrzymałość zmęczeniowa spoiny zależy w dużym stopniu od jakości spoiny, typu złącza oraz obróbki po spawaniu. 
  • Wszystkie złej jakości spoiny mają taką samą wytrzymałość zmęczeniową bez względu na wytrzymałość stali. 
  • Wytrzymałość zmęczeniowa zmniejsza się przy większych naprężeniach. 

Problemów ze zjawiskiem zmęczenia można uniknąć dzięki przesunięciu spoin w miejsca o mniejszych naprężeniach, które znajdują się bliżej neutralnej środkowej warstwy, jak w przypadku segmentów wysięgników żurawi. Dodatkowo, obowiązują też ogólne zasady projektowania z myślą o wytrzymałości zmęczeniowej:

  • Wykonanie wysokiej jakości spoin. 
  • Rozważenie obróbki po spawaniu dla krytycznych spoin. 
  • Oszacowanie wymaganego okresu wytrzymałości zmęczeniowej w oparciu o zastosowane poziomy naprężeń oraz typ obciążeń, statyczny lub dynamiczny.

Im większy zasięg, tym lepiej

Praca ze stalą o klasie wytrzymałości 600-1300 MPa może być trudna. Ale efekty, które uzyskuje się w zamian, są nie do odrzucenia. Możliwość podnoszenia cięższych ładunków wyżej i dalej z pewnością zwiększy konkurencyjność produktów.  

Jeśli potrzebujesz lepszych rozwiązań o większej funkcjonalności, zapraszamy do skorzystania z naszych zasobów w SSAB Knowledge Service Center. Nowe projekty wymagają pracy zespołowej i z prawdziwą przyjemnością staniemy się częścią Twojego zespołu!