Cam mechanism in rolling contact fatigue

Abstract

Tässä diplomityössä selvitetään syitä Wärtsilä Vasa 32 C+ Dieselmoottoreiden nokissa ja nostorullissa esiintyviin vierintäväsymisvaurioihin. Työn alussa esitetään Wärtsilä Vasa 32 C+ -moottoreiden nokkamekanismin rakenne, siinä käytettävät materiaalit, nokkamekanismissa esiintyviä vierintäväsymisvaurioita ja tyypillisiä vauriokohtia.

Teoria osassa tarkastellaan pintojen välistä kosketusta, voitelua, vierintäväsymisen aikana tapahtuvia rakennemuutoksia ja vierintäväsymiskestävyyteen vaikuttavia tekijöitä. Lisäksi pintojen välisessä kosketuksessa käsitellään kappaleiden reuna-alueiden vaikutus pintapainejakaumaan.

Pintapaineet laskettiin Hertzin analyyttisillä kaavoilla ja elementtimenetelmällä, ja niitä verrattiin toisiinsa. Laskuissa käytettiin pakonokan työntötangosta mitattuja nokan ja rullan kosketustason normaalin suuntaisiksi redusoituja voimia. Laskuissa rajoituttiin nokan kohtiin, joissa vauriot yleisesti esiintyvät. Elementtimenetelmällä lasketut pintapaineet poikkesivat huomattavasti analyyttisillä kaavoilla lasketuista ja elementtimenetelmällä saatiin havainnollisesti esiin reuna-alueiden vaikutus pintapainejakaumaan. Elementtimenetelmällä laskettiin pintapaineet myös rullan mahdollisilla eri asentovirheillä, sekä vertailu- ja leikkausjännitykset ja siirtymät.

Tulosten pohjalta voidaan sanoa, että Hertzin analyyttiset kaavat eivät anna tässä työssä oikeaa kuvaa pintapainejakaumasta. Pakopuolella vauriot johtuvat huomattavan korkeista voimista ja sitä kautta korkeista pintapaineista, jotka ylittävät materiaalin sallitun vierintäväsymisrajan. Pienetkin rullan asentovirheet kasvattavat pintapaineita huomattavasti. Imunokalla rullan irtoaminen ja iskeytyminen nokan pintaan aiheuttaa paikallisesti korkeita jännityshuippuja. Lisäksi mahdollinen liukuminen ja kiertyminen alentavaa väsymisikää. Jatkoehdotuksena annetaan vierintäväsymistutkimuksen jatkaminen kehäajokokeilla suurille kuormituskerroille, vakiosäteistä koostuvan nokan nousuprofiilin muuttaminen polynomimuotoiseksi ja rullan vierintäpinnan kaarevuuden kehittäminen.