Prediction of Fatigue Damage in Planar Flexible Mechanisms With Clearance Revolute Joints Subject to Wear

Abstract

[Abstract] Fatigue is one of the most common failure mechanisms in machines. Although considerable effort has been devoted to its study, failures often occur due to a lack of understanding of the actual operating conditions of mechanical components. Once in operation, machines are subjected to continuous wear, which progressively modifies their fatigue behavior and leads to deviations from the actual operation conditions compared to what anticipated during the design phase. In this study, a methodology and the detailed models required to more accurately predict the fatigue behavior of machines have been developed. These models account for the impact of evolving dynamic loads on fatigue by incorporating factors such as the rogression of clearances, wear, and flexibility. Specifically, dynamic models of multibody systems have been developed that consider the presence of revolute joint with clearances whose size and shape change due to wear. Flexibility has also been incorporated into the models, allowing for a more computationally efficient determination of the stress state in the bodies, thereby facilitating fatigue analysis. The proposed methodology has been implemented in the fatigue analysis of a case study, taking into account the presence of clearances and wear. The results indicate that clearances significantly increase fatigue damage, while wear progression alters its temporal evolution, reducing component service life. This development has been applied to a real industrial machine, with experimental results confirming functional degradation due to the presence of clearances.[Resumen] La fatiga es uno de los fenómenos más comunes de fallo en máquinas. Aunque se han dedicado muchos esfuerzos a su estudio, muchas veces los fallos suelen deberse al desconocimiento de las condiciones reales de operación de los elementos mecánicos. Desde su puesta en funcionamiento, las máquinas sufren un desgaste continuo que modifica la evolución de la fatiga, haciendo que el estado operativo difiera del previsto en la fase de diseño. En este trabajo se ha desarrollado una metodología y los modelos detallados necesarios para predecir con mayor detalle el comportamiento a fatiga de las máquinas. Estos modelos permiten considerar el impacto de la evolución de las cargas dinámicas sobre la fatiga teniendo en cuenta factores influyentes como la evolución de holguras, desgaste y flexibilidad. Concretamente se han desarrollado modelos dinámicos de sistemas multicuerpo que consideran la presencia de holguras en juntas de revolución en las que se modifica su tamaño y forma conforme al desgaste. Se ha considerado también la flexibilidad en los modelos lo que permite obtener el estado tensional de los cuerpos con mayor eficiencia computacional, facilitando el análisis a fatiga. La metodología desarrollada se ha implementado en el análisis a fatiga de un caso de estudio, considerando la presencia de holguras y desgaste. Los resultados obtenidos indican que la presencia de holguras incrementa significativamente el daño por fatiga, mientras que la progresión del desgaste altera su evolución en el tiempo, reduciendo la vida útil de los componentes. Este desarrollo ha sido aplicado a una máquina industrial real corroborando con resultados experimentales, la degradación funcional debido a la presencia de holguras.[Resumo] A fatiga é un dos fenómenos de fallo máis comúns nas máquinas. Aínda que se teñen dedicado numerosos esforzos ao seu estudo, os fallos adoitan deberse, en moitas ocasións, ao descoñecemento das condicións reais de operación dos elementos mecánicos. Dende a súa posta en funcionamento, as máquinas sofren un desgaste continuo que modifica a evolución da fatiga, facendo que o estado operativo difira do previsto na fase de deseño. Neste traballo desenvolveuse unha metodoloxía e os modelos detallados necesarios para predicir con maior precisión o comportamento da fatiga das máquinas. Estes modelos permiten considerar o impacto da evolución das cargas dinámicas sobre a fatiga, tendo en conta factores influentes como a evolución do xogo nas xuntas, o desgaste e a flexibilidade. En concreto, desenvolvéronse modelos dinámicos de sistemas multicorpo que consideran a presenza de xogo en xuntas de revolución, nas cales se modifica o tamaño e a forma a medida que avanza o desgaste. Tamén se incorporou a flexibilidade nos modelos, o que permite obter o estado tensional dos corpos cunha maior eficiencia computacional, facilitando a análise da fatiga. A metodoloxía desenvolvida aplicouse na análise da fatiga dun caso de estudo, considerando a presenza de xogo e desgaste nas xuntas. Os resultados obtidos indican que a presenza de xogo incrementa de forma significativa o dano por fatiga, mentres que a progresión do desgaste altera a súa evolución no tempo, reducindo a vida útil dos compoñentes. Este desenvolvemento foi aplicado a unha máquina industrial real, corroborando mediante resultados experimentais a degradación funcional derivada da presenza de xogo nas xuntas.