Aktuální vydání

celé číslo

10

2017

Systémy pro řízení výroby, PLM, SCADA

celé číslo

Pevnostní zkouška nejen pro konstrukci větrné elektrárny

Větrné elektrárny se do nebe tyčí na obrovských sloupech. Aby byla zajištěna jejich spolehlivost a stabilita, musí být jejich kovové díly vyrobeny v energeticky i nákladově efektivním, ale zejména stabilním metalurgickém procesu. Častou vadou při odlévání jsou vměstky cizorodého kovového nebo nekovového materiálu a staženiny způsobené nerovnoměrným chladnutím. Vědci z Frauenhoferova ústavu v současnosti vyvíjejí metodu detekce a analýzy vad materiálu. 

Větrné elektrárny by měly být ekologické a vysoce energeticky i nákladově efektivní. Musí zaručit spolehlivý provoz po dobu minimálně dvaceti let. Avšak s vývojem stále výkonnějších turbín rostou také požadavky na jejich komponenty a tím i riziko projevů únavy materiálu. Materiálové vady jako vměstky jsou nežádoucí, neboť výrazně snižují nosnost součástí vyrobených z tvárné litiny (litiny s kuličkovým grafitem). Tento speciál­ní typ litiny je používán mj. právě na výrobu rámu i rotorových nábojů větrných turbín. Výroba těchto komponent je tak náročná právě pro možnost vzniku vměstků, které se v materiálu vyskytují navzdory dodržení patřičných postupů při odlévání. 

Systém klasifikace vad materiálu

Z uvedených důvodů slévárny kontrolují odlitky s cílem expedovat výhradně takové produkty, které v materiálu litiny neobsahují vměstky. Vzhledem k tomu, že vady tohoto druhu se obvykle nacházejí blízko povrchu či nejvýše několik centimetrů pod povrchem tělesa odlitku, bývá odlitý díl následně ručně broušen. „Ve srovnání s jinými vadami materiálu, jako jsou např. dutiny, neexistuje v případě vměstků dosud spolehlivý způsob detekce,“ říká Dr. Christoph Bleicher z oddělení materiá­lů a komponent Frauenhoferova ústavu, které sídlí v Darmstadtu. Od roku 2015 je také vedoucím konsorcia projektu unverDROSSen (pozn. red.: spojení německého výrazu „unverdrossen“ – neohrožený, a anglického „dross“ – odpadní struska), jehož cílem je odklon od obvyklých požadavků na výrobky neobsahující vměstky s úkolem eliminovat časově náročné dokončovací operace na hotových výrobcích. Dr. Bleicher dodává: „Abychom toho dosáhli, musíme poskytnout výrobcům i koncovým zákazníkům spolehlivý koncept měření, který jim umožní vyhodnotit podíl a typ vměstků. To je důvod, proč spolu s Frauenhoferovým ústavem pro nedestruktivní testování IZFP (pozn. red.: Fraunhofer Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren – institut pro nedestruktivní zkoušky) v městě Saarbrücken vyvíjíme experimentálně ověřený systém klasifikace vměstků.“ 

Minimalizace repasních operací

Odborníci z Frauenhoferova ústavu vyvinuli metodu testování, která umožní odhalit, zobrazit a vyhodnotit vměstky v materiálu. Využívají přitom automatizované zkoušky s využitím ultrazvuku, díky kterému lze zobrazit a měřit rozložení vměstků v trojrozměrném formátu. Kontrolován je také povrch technologicky zpracovaných komponent, a to s využitím magnetických a elektromagnetických metod (obr. 1). Tak není skenována pouze vnitřní struktura litiny jako u běžných metod, nýbrž také povrchová struktura ovlivněná vměstky. „Pomocí nedestruktivních přístupů jsme měřili vzorky tvaru kvádru o rozměrech 500 × 500 × 200 mm. Zjistili jsme, že rozložení vměstků v testovaných vzorcích extrémně kolísá. V některých případech zasahovaly defekty velmi rozsáhlou plochu povrchu a sahaly do hloubky od několika milimetrů až po centimetry pod povrch,“ uvádí Fabian Weber z IZFP a dodává: „Naše výsledky neumožnily vyvodit závěry o jakékoliv pravidelnosti.“ To mj. znamená, že jednotlivé komponenty bude nutné v budoucnu testovat individuálně. Ale díky cenným informacím získaným nedestruktivními testy budou moci výrobci přinejmenším minimalizovat nutné repasovací operace. 

Klasifikace pevnosti

V další fázi projektu unverDROSSen budou využity údaje z IZFP k posouzení strukturální trvanlivosti. Za tímto účelem vědci z LBF (Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit, Fraunhoferův ústav pro provozní pevnost a spolehlivost systémů) vytvářejí z dodaných testovaných součástí vzorky o rozměrech 150 × 35 mm. „Na základě statických i cyklických únavových testů určujeme hodnoty pevnosti s ohledem na různé projevy únavy. V praxi umístíme vzorek do jednoho z našich trhacích strojů, kde dojde k jeho porušení, přičemž následně části kaž­dého vzorku stlačíme milionkrát zpět k sobě. Takové experimenty trvají řádově desítky dní,“ vysvětluje Bleicher. Celkově je pro tříleté období projektu plánováno provést na 300 únavových zkoušek. 

Závěr

Do roku 2017 mají vědci za cíl zjistit, zda a do jaké míry vzorky znečištěné vměstky ztrácejí pevnost při zatížení, v důsledku čehož může dojít při maximálním zatížení k jejich destrukci. Je známo, že vměstky způsobují trhliny, které výrazně snižují cyklickou únavovou pevnost materiálu. „Nicméně součástky z takového materiálu jsou zcela vhodné pro jiné účely,“ tvrdí Bleicher. „V budoucnu přijdeme s konceptem spolehlivého výběru materiálu obsahujícího vady pro konstrukci a výrobu rozměrných odlitků z litiny s kuličkovým grafitem. Tento koncept najde využití nejen u větrných elektráren, nýbrž i napříč celým energetickým a strojírenským sektorem,“ uzavírá Bleicher.

Více o aktivitách IZFP lze nalézt na webu na adrese www.izfp.fraunhofer.de/en.html. 

Fraunhofer Geselschaft

Překlad: Jiří Hloska

Obr. 1. Vměstky v tlustostěnném odlitku z tvárné litiny: povrch litiny při testu pomocí fluorescenčního magnetického prášku