книги / Усталость крупных деталей машин

кладки толщиной по 20 мм. Для контроля давления на контактных поверхностях между накладками и пластиной на оба болта уста­ навливали тарированные пружины.

Образцы пластины с накладками испытывали на инерционных машинах, осуществляющих изгиб в одной плоскости по симметрич­ ному циклу: в одних случаях в плоскости, перпендикулярной контактным плоскостям, в других — в плоскости, параллельной им. База испытаний была принята равной 10 млн. циклов.

Образцы пластин считали разрушенными после появления в них усталостной трещины таких размеров, которую можно обна­ ружить с помощью магнитной дефектоскопии.

Режим рифления пластин характеризуется следующими пара­ метрами.

Сравнительное сопротивление сдвигу «гладких» и рифленых поверхностей контакта. Испытанию на сдвиг подвергали модели пластин с фрезерованными и рифлеными поверхностями контакта. Фрезерованные поверхности имели два параметра шероховатости (Rz = 20 и Rz = 80 мкм), а рифленые — различные поперечные шаги рифления (2, 3, 4 мм). Рифление получали при 750 ударах бойка в минуту и продольной подаче стола фрезерного станка 300 мм/мин (2,5 удара на линейный миллиметр).

Обращает на себя внимание весьма (табл. 35) значительная разница (в десятки раз) в сопротивлении сдвигу фрезерованных

Т а б л и ц а 35

Результаты сравнительных испытаний на сдвиг пластин в зависимости от состояния поверхностей контакта (при постоянном давлении 500 МПа)

Влияние давления между контактными поверхностями на величину сопротивления сдвигу

и рифленых поверхностей контакта. Состояние поверхностей перед рифлением практически не влияет на величину сдвигающих усилий.

Рифление пластин производили бойком с радиусом 2 мм, поперечным шагом 3 мм при 750 ударах бойка в минуту.

Как видно из табл. 36, для рифленых пластин давление на величину сопротивления сдвигу влияет заметно меньше, чем для фрезерованных пластин.

Влияние длительной тренировки при циклической нагрузке.

Кроме перечисленных выше факторов было определено также влияние длительных усталостных тренировок на величину сопро­ тивления сдвигу. Испытанию подвергали пакеты наклепанных пластин при циклически меняющихся нагружениях. Тренировку выполняли на гидравлическом пульсаторе под переменной на­ грузкой, меняющейся от 2 •103 до 9• 103 кг на базе испытаний 2, 5 и 10 млн. циклов (при частоте 460 циклов в минуту). После тренировок пакеты пластин испытывали на сопротивление сдвигу до разрушения.

Зависимость сопротивления сдвигу от продолжительности усталостной тренировки представлена в табл. 37.

Данные табл. 38 показывают, что предварительная тренировка пакета наклепанных пластин приводит к значительному повыше­ нию величины сопротивления сдвигу. По мере увеличения дли­ тельности тренировки (с 2 до 10 млн. циклов) возрастает и сдви­ гающее напряжение.

Т а б л и ц а 38

Влияние величины контактного давления на предел выносливости пластин с накладками

Сопротивление усталости пластин с гладкими и рифлеными контактными поверхностями. Результаты испытаний на усталость моделей пластин с гладкими и рифлеными поверхностями контакта на изгиб в плоскости, перпендикулярной контактной поверхности, приведены в табл. 38. Наклеп поверхностей контакта моделей пластин, полученный при их рифлении, полностью нейтрализует вредное влияние контактного давления на усталость пластин и повышает предел выносливости по сравнению с нерифлеными моделями пластин более чем в 2,8 раза.

Результаты испытания показывают, что рифление поверхностей контакта при всех применявшихся величинах контактного давле­ ния полностью нейтрализует действие накладок.

Влияние различных режимов рифления пластин. Для опреде­ ления влияния величины поперечного шага рифления поверхностей контакта пластин на их усталость были испытаны модели пластин с шагом 2, 3 и 4 мм при радиусе бойка 2 мм и контактном давле­ нии 5 МПа. Испытания проводили на изгиб пластины в плоскости,

Влияние поперечного шага на предел выносливости рифленых пластин с накладками

4 мм)

перпендикулярной контактной поверхности пластины и накладок. Результаты испытаний приведены в табл. 39.

У образцов моделей пластин при всех трех режимах рифления усталостное разрушение под накладкой или вне ее, но в пределе х рабочей части образца получить не удалось; при номинальных напряжениях больше 170— 190 МПа все образцы разрушались в головках, за которые их крепили в испытательной машине. Поэтому разницу в пределах выносливости моделей рифленых пластин с накладками при различных шагах рифления в данных испытаниях установить не удалось.

Однако при сравнении пределов выносливости моделей гладких и рифленых пластин с накладками видно, что предел выносли­ вости рифленых пластин с накладками, независимо от шага их рифления, по меньшей мере в 2,5 раза выше, чем гладких пластин с накладками.

Упрочнение поверхностей контакта наклепом с рифлением может быть рекомендовано для широкого круга деталей машин и сооружений, работающих в условиях длительного действия пере­ менных напряжений и нуждающихся в сохранении достаточной жесткости. К таким деталям относятся сборные станины метал­ лургических машин, пластинчатые элементы сборных силовых рам и др.

Новый метод обработки поверхностей контакта был успешно применен для толстостенных рамных конструкций мощных гидро­ прессов усилием 750 МН. При этом достигнуто значительное повышение жесткости сборной рамной конструкции и более чем двукратное повышение ее несущей способности.

Рис. 34. Результаты испытаний на усталость при изгибе гладких и защемленных пластин сталей 22К (кружки) и СтЗ (крестики)

вильные ряды вмятых дорожек. Для крупных образцов (б = = 300 мм) глубина наклепа составляла примерно 15 мм, что обес­ печивало усталостные изломы образцов вне зон захватов (в средней части образца). Результаты испытаний показали, что контакти­ рующие накладки значительно влияют на сопротивление уста­ лости пластин всех исследованных толщин (50—300 мм) и прибли­ зительно в 2 раза понижают предел выносливости.

Основные характеристики испытанных образцов приведены в табл. 40.

9. УСТАЛОСТЬ КРУПНЫХ ВАЛОВ С ПРЕССОВЫМИ ПОСАДКАМИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СПОСОБА ТЕРМООБРАБОТКИ

Экспериментальные исследования показывают, что при временном сопротивлении 1000— 1200 МПа и твердости HRC 30—35 сталь проявляет наибольшую склонность к снижению предела выносли­ вости в зонах концентрации напряжений.

Между тем в практике тяжелого машиностроения при изготов­ лении крупных ответственных валов часто применяют легирован­ ные высокопрочные стали в состоянии после термического улучше­ ния (закалки с последующим высоким отпуском). После такой термообработки легированные стали высокой прокаливаемости обладают структурой сорбита отпуска на значительной глубине,

чувствительна к концентрации напряжений и предел выносли­ вости может оказаться пониженным в зоне концентрации напряже­ ний крупных валов. Прессовая посадка является распространен­ ным видом концентратора напряжений деталей тяжелого машино­ строения. Именно поэтому не удается существенно повысить предел выносливости крупных валов с тугой посадкой путем при­ менения легированных сталей и повышения ав материала.

Механические свойства легированной стали во всех исследо­ ванных сечениях вала достаточно высокие и значительно превы­

В зоне осевого канала полый вал имеет механические свойства, приближающиеся к свойствам, которые металл имеет в поверхност­ ных зонах. По-видимому, осевой канал диаметром 260 мм интен­ сифицирует охлаждение в приканальной зоне, при этом увеличи­ вается дисперсность структур, что приводит к более высокому комплексу механических свойств. Аналогичные закономерности получены и при испытании материала этих зон на усталость.

Для исследованной высокопрочной стали поверхностное упро­ чение холодным пластическим деформированием оказалось весьма эффективным. В результате обкатки роликом подступичной части предел выносливости образцов диаметром 160 мм увеличился по сравнению с неупрочненными на 195% и составил 205 МПа. По­ верхностный наклеп практически полностью ликвидировал эффект неблагоприятного влияния прессовой посадки на сопротивление усталости. Излом неупрочненных образцов при испытаниях про­ исходил в плоскости, совпадающей с торцовой поверхностью наса­ женной втулки вследствие высокой концентрации напряжений в этой зоне. Образцы после поверхностного наклепа, как правило, разрушались вне втулки и зоны обкатки. Образцы с обкатанными подступичными частями при испытании на усталость вели себя как гладкие. По существу полученная величина предела выносливости (205 МПа) обкатанных образцов представляет собой сопротивление усталости гладких образцов диаметром 160 мм из стали 34ХН1М.

Механические свойства крупных поковок из стали 35 как после нормализации, так и после термического улучшения во всех исследованных зонах довольно близки. После термического улуч­ шения а„ поверхностных зон выше на 6%, <гт иф площади попереч­ ного сечения на 13%, 6 на 4% по сравнению с металлом после нор­ мализации. Такое незначительное отличие стандартных механи­ ческих свойств практически мало влияет на сопротивление уста­ лости. Предел выносливости материала этих зон при испытании гладких образцов составляет 195 МПа у нормализованного вала и 205 МПа у термически улучшенного вала, различие всего 8%. На образцах с охватывающими втулками пределы выносливости поверхностных зон вала из стали 35 одинаковы для обоих вариан­ тов технологии термообработки. На глубине отбора проб для получения сдаточных характеристик механических свойств (1/3 ра­ диуса от поверхности) все характеристики прочности практически одинаковы независимо от технологии термообработки. Сопротивле­ ние усталости металла крупных валов из стали 35 незначительно снижается от поверхности вглубь. Различие в сопротивлении уста­ лости металла поверхностных и центральных зон составляет 5— 10%.