Materiaalin väsyminen aiheuttaa yllättäviä vaurioita esimerkiksi koneenosille. Yritysten on hallittava koneenosien väsyminen maineensa ja kilpailukykynsä turvaamiseksi ja kustannusten hillitsemiseksi – erityisesti vihreän siirtymän myötä. Diplomi-insinööri Joona Vaara uudistaa väitöstutkimuksessaan merkittävästi 150 vuotta vanhaa tutkimusalaa. Tutkimuksessaan hän yhtenäistää aiemmin eri koulukuntiin jakaantunutta väsymisen teoriaa ja täsmentää koneenosien suunnittelun fysikaalisia perusteita. Tutkimustulosten avulla voidaan parantaa koneiden ja erilaisten rakenteiden mitoituksen luotettavuutta.
Vain lyijykynän kärjen kokoinen vika väärässä kohdassa moottorin osaa voi olla kohtalokas satoja tonneja painavan moottorin kestävyyden kannalta. Kyse on metallin väsymisilmiöstä, joka kansainvälisestikin tarkasteltuna aiheuttaa merkittäviä kustannuksia: esimerkiksi Yhdysvalloissa kustannusten arvioidaan olevan vuosittain 4 % BKT:sta.
Väsymiskestävyyttä heikentäviä vikoja syntyy koneenosiin käytännössä sen valmistusketjun jokaisessa vaiheessa, kuten metallin jähmettyessä, hitsattaessa tai pintaa viimeisteltäessä. Koneenosan käytöstä aiheutuu kuormia, jotka voivat ydintää vikoihin säröjä, joiden kasvu johtaa väsymisvaurioon.
Tyypillinen laatuvaatimus on, että enintään yksi kymmenestätuhannesta koneenosasta vaurioituu käyttöikänsä aikana. Tällaisen laadun saavuttaminen vaatii sekä korkeaa valmistusosaamista että tiukkaa seulaa laadunvalvonnassa. Laadunvalvonnan luotettavuuden kannalta täytyy siis ymmärtää kriittisten vikojen kokoluokka sekä kyky havaita niitä. Teknisesti on mahdollista saavuttaa luotettavampaa laadunvalvontaa sekä korkeampaa laatua, jos on valmis maksamaan siitä.
Kustannustehokkuus kansainvälisessä kilpailussa on johtanut kuitenkin siihen, ettei nykyisellään voida sulkea pois kaikkia kriittisiä vikoja. Koneenosien luotettavuuden takaamiseksi tarvitaan siis menetelmä arvioimaan, kuinka usein kriittisiä vikoja esiintyy.
Kriittistä vikakokoa ja materiaalissa olevia vikoja tutkittaessa merkittävä haaste on ollut ymmärtää vaurioitumiseen liittyviä syy-seuraussuhteita. Esimerkiksi laboratoriossa sormen vahvuisilla näytteillä saatujen koetulosten siirrettävyys aikuisen ihmisen kokoisten koneenosien mitoituskäytänteisiin on ollut vaikeaa.
”Väsymisvaurion ymmärtäminen vikojen – ja niistä ydintyneiden säröjen – kilpajuoksuna ratkaisee merkittävän määrän siirrettävyyteen liittyvistä ongelmista. Voittoaika takapihalla järjestetyssä kolmen kilpailijan juoksukisassa on todennäköisesti heikompi kuin tuhannen osallistujan kansallisissa kilpailuissa. Vastaavasti väsymisessä kuormitustaso vaikuttaa siihen, kuinka suuri osa kappaleessa olevista vioista osallistuu kilpajuoksuun eli ydintää särön. Erona väsymisilmiössä juoksukilpailuun kuitenkin on, että vain kisan voittoaika havaitaan, eli heikommin suoriutuvien vikojen kellottamaa aikaa ei koskaan saada tietää ja kokonaiskuva jää täten vajaaksi”, Vaara kertoo.
Väsymisen syy-seuraussuhteiden ymmärtäminen vaatii epäsuoraa päättelyä ja epävarmuuden hallintaa. Vaaran tutkimus tarjoaa ratkaisuja kartoittamalla vikojen kriittisyyteen vaikuttavia tekijöitä sekä niiden vaikutusta edellä mainitun kilpailuasetelman todennäköisyyksiin. Tämä mahdollistaa tarkemman kokonaiskuvan muodostamisen väsymisen fysiikasta, mikä vuorostaan luo pohjaa luotettavammille ennusteille ja mitoitusmenetelmille. Tutkimustuloksia voidaan käyttää koneiden luotettavuuden parantamiseen.
”Ei riitä, että pystytään selittämään mitä havaittiin, mutta täytyy pystyä uskottavasti selittämään myös se, mitä ei havaittu”, Vaara muotoilee.
Torniosta kotoisin oleva Joona Vaara on työskennellyt 13 vuotta Vaasassa meri- ja voimalaitosmoottoreita valmistavan Wärtsilän tutkimus- ja tuotekehitysosastolla lujuuslaskentayksikössä, jossa hän jatkaa myös väitöksen jälkeen.
Lähde: Tampereen yliopisto
