книги / Статическая выносливость элементов авиационных конструкций

Сложные формы циклов легче описывать графически. Осо­ бенно удобен графический метод при описании так называемых «программ нагружения», применяемых при прочностных испы­ таниях образцов и конструкций.

Рас. 18. График однозначного полоРцс. 19. График однозначного отри-

Графики, изображающие программы нагружения, могут быть весьма разнообразными в соответствии с разнообразием спект­ ров нагрузок на конструкцию при разных режимах работы ее в условиях эксплуатации.

При проведении испытаний по схеме «заданной нагрузки» испытательная машина при

каждом нагружении должна доводить нагрузку до задан­ ной величины независимо от величины деформации испы­ туемой конструкции. Как на­ страивается испытательная

ции (для этого применяются образцы без концентратора напря­ жений) является более трудным, особенно при значительной величине деформации. Кроме затруднений при измерении дефор­ мации, возникают трудности и при реализации нагрузки для под­ держания длины образца в пределах заданной величины дефор­ мации. Наличие пластической деформации при нагружении при­ водит к необходимости приложения нагрузки противоположного знака для разгрузки образца и доведения его до начальной длины.

Из большого разнообразия схем нагружения при испытаниях на повторные нагрузки чаще других применяются схемы, осно­ ванные на принципе заданной нагрузки на осевое нагружение

31

ципиально наиболее простой и ясной по распределению дефор­ маций и напряжений оказывается более сложной из-за трудно­ сти измерения малых осевых деформаций (велика жесткость испытуемых образцов), что требует строгой центральности при­ ложения нагрузки и высокой точности измерения деформаций. Для обеспечения этих требований конструкции испытательных машин снабжаются соответственной прецизионной оснасткой.

Вторая схема (изгиб при вращении) не предъявляет столь строгих требований и реализуется значительно легче и проще.

2.ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ

Ниже приводятся краткие описания ряда машин, на которых проводились испытания на статическую выносливость сплавов, полуфабрикатов и конструктивных элементов из них. Эти маши­ ны предназначены для испытания на повторные нагрузки, вызы­ вающие сравнительно высокую напряженность в испытуемых об­ разцах при низкой частоте повторения нагрузки (порядка еди­ ниц и десятков циклов в минуту).

При такой низкой частоте практически исключается возмож­ ность использования резонансного метода силовозбуждения. Их принято называть низкочастотными пульсаторами в отличие от обычных пульсаторов, применяемых для изучения динамической выносливости. Последние пульсаторы в большинстве случаев работают при частоте от нескольких сот до многих тысяч цик­ лов в минуту. Описание таких машин, анализ условий их рабо­ ты и методы расчетов их деталей на прочность можно найти в работах [17], [18]. За последние годы появились пульсаторы, по­ зволяющие проводить испытания как на низких, так и на вы­ соких частотах повторения нагрузки.

По основной конструктивной схеме силовозбуждения низко­ частотные пульсаторы разделяются на два класса: пульсаторы с механическим приводом и пульсаторы с гидравлическим при­ водом. Крупные пульсаторы (максимальная нагрузка, развивае­ мая пульсатором, превышает 10 Т) строятся с гидравлическим приводом, мелкие же главным образом с механическим.

В часто встречающейся схеме низкочастотного пульсатора с механическим приводом нередко применяется реверсивный элек­ тродвигатель, переключающийся на прямой и обратный ход по команде предельного контактора, дающего команду при дости­ жении максимальной и минимальной нагрузок. Эта команда передается на соответствующее реле в пульте управления пуль­ сатором, переключающим вращение электродвигателя на обрат­ ное. При таком режиме работы электродвигатель сильно нагре­ вается, так как работа идет почти все время на пусковых токах. Даже при применении специальной модели двигателя, приспо­ собленной к такому режиму работы, или при соответствующей переделке обычной модели удается получить число переключе-

32

ний двигателя без опасности перегрева не выше 25—30 в ми­ нуту.

В гидравлических пульсаторах электродвигатель не реверси­ руется. Направление хода пульсатора в этом случае изменяют изменением хода масла через перепускной кран, который управ­ ляется таким же контактором, как и описанный выше.

По расположению испытуемого образца в пространстве пульсаторы разделяются на горизонтальные и вертикальные. Горизонтальные пульсаторы удобны при малых длинах испытуе­ мых образцов, не имеющих на испытуемой длине шарнирных сочленений. Шарнирные сочленения могут представить большое затруднение для правильного центрирования образца по всей длине и вызвать большой разброс результатов отдельных испы­ таний из-за появления эксцентриситета в передаче нагрузки. Опасность такого искажения результатов испытания сильно воз­ растает при применяемых иногда попытках одновременного ис­ пытания нескольких образцов, расположенных цепочкой в одну линию.

Вертикальные машины удобны для испытания образцов, имеющих в пределах своей длины шарнирные сочленения, или образцов значительной длины и малой жесткости в поперечном направлении. В этом случае поддержание прямолинейности об­ разца значительно облегчается. При значительной длине образ­ ца наравне с указанным удобством возникает также и трудность обслуживания машины и наблюдения за образцом. Приходится оснащать машину специальными устройствами в виде постоян­ ных площадок типа балконов или передвижных по высоте пло­ щадок, с которых ведется обслуживание машины и наблюдение за образцом.

3.ТИПОВЫЕ МОДЕЛИ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПУЛЬСАТОРОВ

Горизонтальный пульсатор на 3 Г

На рис. 21 представлена схема пульсатора с механическим приводом для осевых нагрузок до ±3 Т при пульсирующем цик­ ле или до ±1,5 Г при асимметричном с любой асимметрией цик­ ла в пределах указанных нагрузок. Образец 10 закреплен кон­ цами в зажимах 9 и 7 пульсатора. Зажим 9 во время испытания остается практически неподвижным, а перед испытанием уста­ навливается по длине образца вращением штурвала 8 для пере­ мещения винтового шпинделя, на котором укреплен этот зажим. Зажим 7 жестко связан с кольцевым динамометром 6, по упру­ гим деформациям которого можно определить нагрузку на об­ разец, пользуясь результатами предварительной тарировки ди­

намометра.

Для измерения величины упругой деформации динамометра служит микроскоп 11, в поле зрения которого видна шкала и

33

перемещающаяся по ней световая нить, изменяющая свое поло­ жение относительно шкалы при изменении нагрузки на образец. Динамометр 6 левым фланцем жестко соединяется с фланцем корпуса вибратора 12. Вибратор приводится в движение от от­ дельного электродвигателя постоянного тока, предназначенного для регулирования числа оборотов, при котором упругая систе­ ма всех частей, расположенных по оси пульсатора, вводится в

резонанс. Изменяя эксцентриситет подвижной массы вибратора, можно изменять величину вибрационной нагрузки на образец.

Рис. 21. Схема низкочастотного пульсатора для осевых нагрузок на 3 Т

Кроме этой вибрационной нагрузки, к образцу может быть приложена медленно изменяющаяся по величине (а также и по направлению) нагрузка, развиваемая реверсивным двигателем, приводящим в движение червяк 1, который через червячное ко­ лесо, имеющее в ступице винтовую нарезку 14, перемещает по­ ступательно шпиндель 3 пульсатора. Этот шпиндель жестко свя­ зан с мощной точеной пружиной 4, которая другим торцом свя­ зана с корпусом вибратора 12.

Большинство испытаний на таком пульсаторе проводится при неработающем вибраторе на медленно меняющиеся нагрузки от основного реверсивного двигателя мощностью 0,8—1,0 кет при 1400—1000 об/мин.

Управление и настройка пульсатора на заданный режим на­ гружения производятся через пульт 1 (рис. 22), в котором уста­ новлена вся пусковая и регулирующая аппаратура. Направле­ ние хода пульсатора на максимальной и минимальной нагрузках регулируется контактором 13 (см. рис. 21), который участвует в работе пульсатора, или по схеме заданной нагрузки или по схеме заданной деформации, если упор контактора укрепить нэ станине пульсатора. Контактор 5 защищает пульсатор при раз­ рушении образца, останавливая пульсатор выключением пита­ ния реверсивного двигателя. Упорные шайбы 2 служат для за­ щиты пульсатора при отказе контактора 13 — шайба упирается

34

будет при всех выключенных тягах, когда работает полная дли­ на пружины 7+8. Средняя жесткость будет при включении сто­ порных тяг 13, когда работает только длинная часть пружины 8 . Наибольшая жесткость будет при выключенных тягах 13 и включенных 12, когда работает короткая часть пружи­ ны 7. В пульсаторе на 3 Т тоже возможна замена пружины одной жесткости пружиной другой жесткости, но эта операция занимает значительно больше времени, чем на пульсаторе иа

Рис. 23. Схема низкочастотного пульсатора для осевых нагрузок на 10 Т

10 Т, и должна сопровождаться новой тарировкой пульсатора после каждой перестановки пружины, в то время как иа пуль­ саторе на 10 Т для изменения жесткости пружины требуется всего несколько минут.

Нагрузка на образец передается от шпинделя через пружи­ ну, жесткость которой подбирается соответственно нагрузке. При малых нагрузках вводится малая жесткость, чтобы увели­ чить рабочий ход шпинделя и тем уменьшить частоту реверси­ рования электродвигателя, так как при частоте свыше 25 пере­ ключений в минуту он начинает сильно нагреваться. При боль­ ших нагрузках для повышения частоты в допустимых пределах вводится наибольшая жесткость пружины. Величина нагрузки устанавливается по кольцевому динамометру 4, упругие дефор­ мации которого измеряются по шкале микроскопа 18. Деформа­ ции пружины и здесь используются для настройки автоматиче­ ского переключателя (контактора 14), который через пульт управления переключает ход двигателя на обратный при дости­ жении крайних значений нагрузки. Как и в предыдущем пуль­ саторе, здесь тоже имеется аварийный выключатель 15 и упор­ ные шайбы 16, защищающие пульсатор от перегрузок. Винтовой шпиндель 5 и маховичок 6 позволяют устанавливать зажимные головки на требуемую длину.

36

Рис. 25. Гидравлическая схема низкочастотного пульсатора для осевых нагрузок на 50 Т

Таким образом, связь пластины 17 с пластиной 20, к которой прикреплена зажимная головка машины 23, может осуществ­ ляться или через три пружины 19, или через четыре пружины 18, или, наконец, через семь пружин 18 и 19 одновременно.

Эти схемы соединения плунжера пульсатора с образцом 24 соответствуют трем ступеням (трем шкалам) наибольшей на-

Рис. 26. Общая схема пульсатора на 50 Т

цу этой цепи подвешен кольцевой динамометр 3 с микроскопом и захват для испытуемого образца. Основной вид испытаний на этом пульсаторе — повторный изгиб двухопорной балки 4. При желании иметь знакопеременный изгиб к образцу подвешивают соответствующие грузы 5. Пружина 9, как и в описанных пуль­

саторах, используется для реверсирования двигателя через кон­ тактор 11, который передает в пульт управления пульсатором команду на реверсирование двигателя при максимальной и ми­ нимальной нагрузках.

Рычажные пульсаторы могут быть с разными отношениями плеч рычага. Практически удобны отношения в пределах 1—5. На этих же пульсаторах удобно вести испытания конструктив­ ных элементов типа узлов и пространственных стыков, которые могут быть закреплены на столе пульсатора, имеющем Т-образ­ ные пазы. Рычажный пульсатор, как и описанные выше, осна­ щается защитными устройствами по нагрузке и по ходу рычага (оснастка на рис. 28 не показана).

Низкочастотная шестишпиндельная машина для консольного изгиба с вращением

Схема испытания консольного образца на симметричный из­ гиб при вращении часто применяется при усталостных испытани­ ях прутковых полуфабрикатов. Достоинство этой схемы испы­ тания в том, что она допускает испытания без искажения ре­ зультатов в большом диапазоне частот повторения циклов нагружения, что важно при изучении влияния частоты повторе­ ния нагружения на выносливость образцов. Для испытаний по

40