تحلیل شکست شفت جعبه دنده جرثقیل سقفی

شفت عضو دورانی است که معولا دارای سطح مقطع دایره ای است و به منظور انتقال حرکت دورانی و گشتاور به کار می رود. اکثر شفت ها تحت بارهای نوسانی به صورت خمشی و برشی همراه با تمرکز تنش هستند. به دلیل بارهای نوسانی برای چنین شفت هایی معمولا خرابی به دلیل خستگی است.
جرثقیل یک تجهیز مکانیکی برای بالا بردن و انتقال بارها است. جرثقیل های سقفی در کارخانه ها و انبارها استفاده گسترده ای دارند.
تحلیل خرابی یا همان Failure Analysis یکی از تخصص های مهم در مهندسی مکانیک است. تحلیل خرابی شامل جمع آوری اطلاعات مرتبط با خرابی و تحلیل آنها برای تعیین ریشه و علت خرابی یا شکست در قطعه است. تخلیل خرابی یکی از مهم ترین زمینه های تخصصی در اکثر رشته ها به خصوص در رشته های تولیدی مانند رشته الکترونیک است. این تخصص به خصوص به هنگام طراحی و تولید قطعات جدید بسیار حیاتی است.
خرابی یک قطعه می تواند هم در محل و هم در آزمایشگاه صورت پذیرد. روش های زیر در تعیین علت شکست می تواند استفاده شود.
- Fractography
- Metallographic
- mechanical testing

تحلیل علت خرابی شفت جرثقیل سقفی
عوامل متعددی در شکست شقت جعبه دنده جرثقیل سقفی موثر است. در جدول زیر احتمال این عوامل مشخص شده است.

علت شکست شفت	درصد
زنگ زدگی	2
خستگی	25
شکست ترد	16
بار بیش از حد مجاز	11
زنگ زدگی به دلیل دمای بالا	7
خستگی به دلیل تمرکز تنش	6
خزش	3
سایش	3

تحلیل المان محدود شفت
تعیین بارهای وارد بر شفت اولین مرحله در تعیین تنش وارده بر شفت است. اطلاعات زیر برای تعیین تنش لازم است.
توان موتور : 60 اسب بخار معادل 44 کیلووات
سرعت دورانی: 980 دور بر دقیقه
زاویه فشار دنده شفت: 20 درجه
نیرو به هنگام ترمز: 1081 نیوتن
گشتاور وارده بر شفت: 430 کیلو نیوتن-میلیمتر
قطر دنده: 60 میلیمتر
با اینکه می توان به صورت تحلیلی و دستی تنش برشی و خمشی وارده بر شفت را حساب کرد، استفاده از روش المان محدود دقت و سرعت تحلیل را بالا می برد. برای این منظور از نرم افزار انسیس استفاده کرده ایم. پس از مدل سازی سه بعدی شفت به همراه دنده های آن بارها و شرایط مرزی را بر روی شفت اعمال می کنیم.

تحلیل تنش نشان می دهد که بیشترین تنش برشی برابر 342 مگاپاسکال است. این تحلیل بیشتر از مقدار استاندارد برای ماده شفت است. با این حال تنش ون مایسز برابر 617 مگاپاسکال است که به خوبی کمتر از مقدار مجاز برای ماده شفت است.

تنش (مگاپاسکال)	مقدار حاصل از انسیس	مقدار مجاز
تنش برشی	343	340
تنش خمشی	617	680

بر اساس اطلاعات جدول بالا مشاهده می کنیم که مقدار تنش برشی بیشتر از مقدار مجاز است. برای حل این مشکل بهترین راه استفاده از آلیاژ دیگری است. در ادامه از فولاد SAE 6145 استفاده می کنیم.

فولاد SAE 6145
این فولاد دارای دانه های بسیار ریزی است، به شدت در برابر سایش مقاوم است و در برابر بارهای ضربه ای بسیار مقاوم است. این آلیاژ معمولا در ساخت فنرها، قطعات داخلی خودرو و شفت ها به کار می رود.
استحکام نهایی: 1570 مگاپاسکال
استحکام تسلیم: 1430 مگاپاسکال

با استفاده از فولاد SAE 6145 بار دیگر تحلیل را انجام دادیم و این بار تنش برشی 391 و خمشی 715 مگاپاسکال به دست آمد. این مقادیر کمتر از استحکام برشی و خمشی ماده است.

نتیجه گیری

با انتخاب آلیاژ قوی تری برای شفت می توان از خرابی و شکست های احتمالی شفت جلوگیری کرد. با استفاده از تحلیل در نرم افزار انسیس این ماده تست شد و تنش برشی و تنش خمشی کمتر از مقدار مجاز ماده است.