книги / Статическая выносливость элементов авиационных конструкций

3.РЕГУЛИРОВОЧНЫЙ ВИНТ ПЛАСТИКАТОРА

Вработе [25] описан случай аварии регулировочного винта пластикатора, служащего для прессования резиновых изделий (рис. 156 и 157). Регулировочный винт пластикатора в процессе

Рис. 156. Регулировочный винт пластикатора

эксплуатации нагружается плавным растяжением. Правый ко­ нец его закреплен в соседней детали на нарезке, а слева про­

128 мм к диаметру 225 мм.

Согласно описанию поверхности разрушения причиной разру­ шения является усталость, хотя нагрузки на разрушенный винт во время работы пластикатора только статические. Винт был изготовлен из сплава следующего химического состава: 0,56% С;

По всем данным описанный, случай является примером раз­ рушения от статической усталости.

4.ПОДКРАНОВАЯ БАЛКА

Вработе [26] описан случай разрушения сварной подкрановой балки, несущей рельс для передвижения грейферного крана на 5 Т. Кран был установлен в литейной мастерской для разгруз­ ки подвозимого в вагонах скрапа, идущего в переплавку. Схема

151

установки крана показана на рис. 158, где по средней линии про­ лета крана был расположен путь, по которому подходили вагоны скрапа. Грейфер крана снимал скрап с вагона и переносил его

Рис. 158. Схема установки грейферного крапа

к вагонетке, стоявшей под подкрановой балкой. Таким образом, левая подкрановая балка при каждой операции перегрузки скра­ па в вагонетку воспринимала почти всю нагрузку от веса крана

ки. Поверхность разрушения была явной поверхностью разрушения от усталости: по­ степенно нараставшая усталостная трещина занимает пример­ но 7з высоты балки и расположена снизу (в растянутой зоне балки). Этот случай тоже является характерным примером раз­ рушения от статической усталости, приведшей к аварии балки после пяти лет работы крана.

5.СТАТИЧЕСКАЯ ВЫНОСЛИВОСТЬ ГАЗГОЛЬДЕРА

Применяемые в различных отраслях промышленности герме­ тические емкости для хранения различных газов, так называе­ мые газгольдеры, представляют конструкцию, работающую на повторные статические нагрузки от переменного по величине

152

давления газа, который, многократно, то накачивается в газголь­ дер, то расходуется. Если повторяемость таких циклов работы газгольдера будет значительной, то может возникнуть вопрос о статической выносливости газгольдера, которая должна быть обеспечена достаточным запасом прочности, так как взрыв газ­ гольдера представляет большую опасность даже и при нейтраль­ ном газе.

Чтобы представить себе, какой может быть выносливость по­ добной конструкции, ниже приводится описание ее испытания [27] * на статическую выносливость, проведенного путем много­ кратного накачивания и выпуска воды из воздушного газголь­ дера емкостью около 180 м3. Газгольдер представлял собой сва­ ренный из листов котельной стали цилиндр диаметром около 3 м и длиной около 23 м. Днища его имели сферическую форму. Толщина листа в среднем была около 17 мм, а„=47 кГ/мм2,

6=24% .

На рис. 160 приведена схема установки для гидравлического испытания трех газгольдеров на статическую выносливость. Ниже приводятся данные только по одному газгольдеру, кото­ рый не эксплуатировался. Внутри обечайки газгольдера вварены два кольцевых шпангоута, имеющие тавровое сечение. В пло­ скостях этих шпангоутов располагаются четыре наружные точеч­ ные опоры, на которых устанавливается газгольдер. После того как газгольдер заполнят водой, его опрессовывают до 14 ати и затем создают требуемое повторное давление накачиванием воды гидропомпой из расходного бачка. По достижении задан­ ного давления автомат (контактный манометр) прекращает на­ качивание и открывает край для слива воды до минимального давления, после чего цикл повторяется. Число циклов регистри­ руется счетчиком. Образование усталостной трещины обнаружи­ вается по легкому просачиванию воды на поверхность газголь­ дера («потение»). По мере увеличения трещины просачивание увеличивается, переходит в течь, а затем и во все нарастающий фонтан.

Пример такого разрушения показан на рис. 161. Давление воды в газгольдере при испытании повторными нагрузками из­ менялось от 0,4 до 11 ати. Частота повторения нагрузки была около 3 цикл!мин. После каждых 25000 циклов нагружений газ­ гольдеры опрессовывались давлением 14 ати в течение 10 мин. После 37000 циклов нагружения в газгольдере образовалась первая трещина на продольном сварном шве обечайки (см. рис. 161). После 38200 циклов длина трещины увеличилась до 130 мм. Вследствие быстрого роста трещины испытание было прекращено для заварки места разрушения. При осмотре внут­ ренней поверхности газгольдера обнаружено разрушение шпан­ гоута в двух местах.

* Испытания проведены ииж. П. И. Михайловым и А. Г. Волковым.

153

ные комбинации их могут давать различные не только количест­ венные, но и качественные результаты.

Одним из факторов, существенно влияющих на разрушающее число циклов нагрузки, является частота повторения нагрузки: при снижении частоты снижается разрушающее число циклов (при постоянстве напряженного состояния в расчетном сечении). Таким образом, статическая выносливость, являясь одним из видов выносливости, является в то же время отдельным видом прочности, отличным как от статической прочности (при одно­ кратном нагружении), так и от вибрационной прочности (при многомиллионном повторении нагрузки).

Чем же этот вид прочности отличается от классической вы­ носливости (по А. Велеру) и в чем они сходятся?

Основная физико-механическая схема процесса утомления в обоих случаях одна и та же. Но количественно эти схемы раз­ личны по величинам локальных пластических деформаций мате­ риала при каждом цикле нагружения, В схеме вибрационной усталости эти деформации значительно меньше (при одинаковой напряженности) подобных деформаций, образующихся при ста­ тической усталости. Это объясняется значительно меньшей ча­ стотой повторения нагрузки при статической усталости.

Ввиду того, что величина пластической деформации зависит от времени действия нагрузки, низкая частота ее повторения по сравнению с высокой вызывает увеличение пластической дефор­ мации за каждый цикл нагрузки и уменьшение вследствие этого разрушающего числа циклов. Графически процесс утомления от повторных статических нагрузок представляет кривую, прохо­ дящую левее и ниже обычной кривой выносливости (кривой Велера), полученной при прочих равных условиях. Насколько процесс утомления конструкций от повторных нагрузок является сложным и трудным для учета в расчетах на прочность, пока­ зывает факт разрушения в воздухе в 1953 г. фюзеляжей англий­ ских высотных транспортных самолетов «Комета». Эти катастро­ фы произошли через 10 лет после того, как впервые были обна­ ружены разрушения самолетов вследствие недостаточного учета многократного повторения эксплуатационных низкочастотных нагрузок. Для выяснения причин катастроф и разработки ме­ роприятий по их устранению в Англии была разработана новая методика испытаний герметических фюзеляжей на повторное внутреннее давление в водном бассейне. Фюзеляж помещается в бассейн с водой и сам заполняется водой. Давление внутри фюзеляжа многократно плавно меняется от перепада, равного нулю, до перепада, соответствующего высотному полету, и так продолжается до разрушения фюзеляжа.

Трудности по обеспечению эксплуатационной прочности са­ молетов могут еще возрасти при обеспечении прочности других конструкций, для которых сроки службы могут быть значитель­ но большими, чем для самолетов. Железнодорожные мосты, гру­

157

3.Усталость самолетных конструкций, перев. с англ, под ред. И. И. Эс­ кина. Оборонно, 1961.

4.Усталостная прочность и долговечность самолетных конструкций, Перев. с англ, под ред. И. И. Эскина, Машиностроение, 1965.

159