книги / Усталость крупных деталей машин

Рис. 23. Валы гладкие (а) и с концентраторами напряжений (б), испытание на усталость при кручении

валов при кручении. Обращает на себя внимание также сравни­ тельно слабое влияние различия в натяге на сопротивление уста­ лости валов с посадками фланцев (в выбранных для исследования

вок, которые помещались в захватах машины, были в 1,65 раза

ционных машинах.

Валы диаметром 260 мм испытывали на инерционной машине УК-200, а валы диаметром 60 мм на машине УК-40 (см. главу I).

Т а б л и ц а 15

Результаты испытаний на усталость при кручении ступенчатых валов с различными радиусами галтельных переходов

Результаты испытаний гладких валов диаметром 60 и 260 мм из прокатной стали СтЗ

Напряжение в испытываемых валах измеряли с помощью про­ волочных датчиков сопротивления (наклеиваемых непосредственно на рабочую часть валов).

Результаты испытаний на усталость гладких валов приведены в табл. 16. Радиусы галтельных переходов составляли 60 и 200 мм соответственно для валов диаметром 60 и 260 мм. Каждый вал нагружали ступенчатым повышением напряжения после прохож­ дения валом без повреждения очередной базы испытания (50 млн. циклов).

Испытание валов проводили методом последовательного на­ гружения и ступенчатым увеличением напряжений (на 5—15 МПа через каждые 10 млн. циклов) до появления первой усталостной трещины. Напряжения измеряли с помощью тензодатчиков.

Результаты испытаний ступенчатых валов диаметром 260 мм с галтелями малого радиуса и напряженно посаженной втулкой

После испытания первого неупрочненного ступенчатого вала (табл. 17), разрушенного под втулкой при напряжении 70 МПа, появились небольшие трещины на свободной от втулки галтели. Трещины в значительном количестве длиной 2—4 мм располага­ лись по образующей галтели. При испытании последующих валов периодически (после каждых 10 млн. циклов) снимали втулку и определяли время появления и процесс развития трещин уста­ лости на обеих галтелях. Второй вал испытывали при напряжении 70 МПа. После 10 млн. циклов на галтели под снятой втулкой было обнаружено (при рассмотрении в лупу) значительное количество мелких трещин длиной 2—4 мм, которые располагались по обра­ зующей галтели, и одна трещина вдоль галтели в месте сопряже­ ния цилиндрической части вала с радиусом галтели. На свободной от втулки галтели трещин не обнаружено. После 20 млн. циклов трещины на галтели этого вала под втулкой несколько увели­ чились по длине и количеству. На свободной галтели было заме-

чено небольшое число мелких трещин, расположенных по обра­ зующей галтели.

Третий неупрочненный вал испытывали сначала при напряже­ нии 55 МПа. Наблюдения за этим валом показали следующее: после 10 млн. циклов трещин не обнаружено. После 20 млн. циклов по галтели под втулкой появилось небольшое число трещин длиной 2—4 мм, расположенных по ее образующей. На свободной галтели трещин не обнаружено.

После 30, 40 и 50 млн. циклов заметного увеличения коли­ чества и развития трещин по длине не наблюдалось. На свободной от втулки галтели трещин не обнаружено. При напряжении 65 МПа после 10, 20, 30 и 40 млн. циклов трещины были обнаружены и оставались неизменными (2—4 мм) с небольшим увеличением по количеству.

На свободной галтели трещин нет. После 50 млн. циклов наблю­ далось некоторое развитие трещин по длине (до 3—6 мм) и появле­ ние на галтели под втулкой небольшого числа новых трещин, расположенных под углом 45° к оси вала в обе стороны. На свобод­ ной от втулки галтели по ее образующей было замечено несколько небольших трещин длиной 2—3 мм.

При напряжениях 75 МПа вал разрушился после 9 млн. цик­ лов. При этом на обеих галтелях была обнаружена густая сетка усталостных трещин, располагавшихся в различных направлениях (преимущественно под углом 45° к оси вала). Длины трещин были

Разрушение всех трех неупрочненных валов происходило под втулкой, а температура валов при напряжении 70—75 МПа повышалась до 70 °С.

Ступенчатые валы второй серии, согласно поставленной задаче, упрочняли обкаткой роликом или чеканкой. Наклепывали обе галтели и участок цилиндрической рабочей части вала в месте посадки втулки (на длине 250 мм при длине втулки 220 мм). Цилиндрическую часть образцов обкатывали на токарном станке однороликовым приспособлением, без последующего шлифования

Ролик имел диаметр 80 мм и радиус профиля 4 мм. Обкатка вала происходила за один проход при подаче 0,32 мм/об.

Галтели упрочняли на токарном станке с помощью пневмати­ ческого чеканочного приспособления с вибрирующим роликом (типа ЧМ-3 конструкции ЦНИИТМАШ). Режим упрочнения галтелей вала был следующим: диаметр ролика 60 мм, радиус

профиля 3 мм, энергия удара 45 Дж, число ударов 1200 уд/мин, давление воздуха в сети до 0,5—0,6 МПа.

Время появления и процесс развития трещин усталости наблю­ дали также и при испытании упрочненных ступенчатых валов. Первый вал испытывали при напряжении 90 МПа. После 10 млн. циклов на галтели вала под втулкой было обнаружено большое количество мелких трещин длиной 2—5 мм, располагавшихся по образующей галтели и под углом 45° к оси вала, а также несколько трещин длиной 8— 12 мм, располагавшихся по длине окружности в месте сопряжения галтели с цилиндрической частью вала. Трещины с таким же расположением длиной 2—5 мм были также и на свободной галтели.

После 15 млн. циклов вал разрушился по галтели вне втулки (трещина под углом 45° к оси вала захватывает рабочую часть вала и утолщенную головку). Под самой втулкой на гладкой части вала трещин не обнаружено.

Температура, измеренная с помощью термопары на поверх­ ности рабочей части вала, была около 110 °С.

Второй вал испытывали сначала при напряжении 80 МПа. После 10 млн. циклов на галтели вала под втулкой было обнару­ жено большое число мелких трещин длиной 2—4 мм, расположен­ ных по образующей галтели, и небольшое число трещин длиной 5—8 мм в направлении поперек оси вала. На свободной галтели также были обнаружены небольшие трещины (длиной 2—3 мм), расположенные по образующей. Под самой втулкой (на цилиндри­ ческой части вала) трещин нет. После 20, 30, 40 и 49 млн. циклов появилась густая сетка трещин по обеим галтелям. С увеличением числа циклов размеры трещин почти не изменялись. Под самой втулкой трещин не было. Температура нагрева вала около 90 °С.

При испытании вала при напряжении 90 МПа после 10 млн. циклов трещины на галтели под втулкой увеличились в размере до 3—6 мм, а на свободной галтели — до 2—5 мм. После 20, 30, 40 и 50 млн. циклов увеличения по длине и числу трещин по обеим галтелям не наблюдалось. Температура нагрева вала составляла 105 °С.

При испытании вала при напряжении 100 МПа и после 10 и 20 млн. циклов сетка трещин по обеим галтелям оставалась при­ мерно в том же состоянии. Заметного увеличения трещин по длине не наблюдалось. После 25 млн. циклов одна из трещин на свобод­ ной галтели начала быстро развиваться. Вал разрушился вне втулки. Излом проходил через свободную от втулки галтель под углом 45° к оси вала. Температура на поверхности вала была 120 °С.

Следует отметить, что мелкие трещины по галтели у всех испытанных ступенчатых валов примерно после 3—4 млн. циклов покрывались продуктами фреттинг-коррозии, после чего они отчетливо были видны невооруженным глазом.