книги / Прогнозирование долговечности и диагностика усталости деталей машин

мерно в 16 раз большее число нагружений. При этом не­ обходимо учитывать, что схема непрерывного роста максимального напряжения цикла по сравнению с клас­ сической схемой нагружения требует создания более сложных нагружающих устройств.

Кроме того, из -рисунка следует, что предлагаемый метод суммирования усталостных повреждений дает до­ статочно хорошую сходимость с результатами экспери­ мента.

2.2.4. Оценка влияния дискретного изменения напряжений

на сопротивление металлов усталости

Оценка влияния дискретного изменения напряжений цикла на сопротивление усталости образцов металла, из которого изготавливаются натурные (полномасштабные) детали, производится в тех случаях, когда изменение на­ пряжений во времени не описывается непрерывной функцией (примером такого нагружения могут быть пиковые перегрузки, которые накладываются на основ­ ную периодическую нагрузку), а также когда функция распределения напряжений во времени не интегрирует­ ся и появляется необходимость ее замены эквивалент­ ным ступенчатым блоком напряжений (примером может быть функция нормального распределения).

Для оценки влияния на сопротивление усталости дискретного изменения параметров цикла испытаниям должны подвергаться две или более партий образцов: одна партия при регулярном нагружении; вторая и по­ следующие при анализируемой схеме нерегулярного на­ гружения.

Целью сравнительных испытаний образцов является проверка принципа суммирования усталостных повреж­ дений, который предполагается использовать при прог­ нозировании долговечности натурных деталей. При этом характеристики первичной кривой усталости -и принцип суммирования усталостных повреждений применяются для прогнозирования долговечности образцов, нагру­ жаемых по анализируемой схеме, а результаты испыта­ ний второй и последующих партий — для принятия ре­ шения о возможности использования принципа суммиро­ вания.

В качестве примера рассмотрим результаты испыта­ ний [158—160] в условиях симметричного циклического изгиба образцов из нормализованной стали 45 (образцы круглого сечения с шейкой радиусом 75 мм и минималь­ ным диаметром 8,28 мм). Первая партия (90 образцов) испытывалась при регулярном нагружении на шести уровнях напряжений: 278, 302, 357, 412, 481 и 549 МПа соответственно 20, 20, 5, 20, 5 и 20 образцов. Экспери-

Рис. 2.14. Кинетическая диаграмма усталости для регулярного на­ гружения (/, сплошные линии) и кривая усталости при наложении на регулярное нагружение кратковременных перегрузок (2, штрихо­ вая линия) для образцов из стали 45

ментальное значение предела выносливости (275 МПа) и медианные значения чисел циклов до разрушения ис­

кривая усталости представлены на рис. 2.14.

Вторая партия была разделена на шесть серий и со­ стояла из 60 образцов, которые испытывались при мно­ гократном повторении блоков нагрузок, состоящих из основной (максимальное напряжение цикла менялось от серии к серии) и пиковой (максимальное напряжение цикла для всех серий было равно 560 МПа). Отношение числа циклов действия пиковой нагрузки к числу циклов блока Рпик равно 0,001.

Результаты испытаний приведены в табл. 2.12 и точ­ ками представлены на рис. 2.14. Полученная при испы­ таниях информация использована для проверки принци-

132

па суммирования усталостных повреждений, который изложен в гл. 1.

Из уравнения (6) найдено значение предела вынос­ ливости в момент долома образцов при пиковом напря­ жении 549 МПа: агк=72,11 МПа. Диапазон значений предела выносливости от 275 до 72,11 МПа был разбит на интервалы с шагом порядка 20 МПа. Для каждого значения предела выносливости (275, 265, 255, 235, 215, 195, 175, 155, 135, 115, 95, 72, 11 МПа) определялось значение характеристики угла наклона из уравнения (2) при i>o=90,31 МПа и строилась кривая усталости. Кине­ тическая диаграмма усталости для анализируемого ряда значений предела выносливости изображена на рис. 2.14.

где росн=0,999 — относительная продолжительность действия основной нагрузки; Ni и iVi+i с индексами — числа циклов до разрушения в случае действия пиковой и основной нагрузки при t-м и i+ 1 -м значениях предела выносливости.

Для всего диапазона значений предела выносливости, состоящего из k интервалов, суммарное число циклов

i=h

ы = 2 N‘- t=i

133

Г л а в а

ИСПЫТАНИЯ НА УСТАЛОСТЬ

ИПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ

ИУЗЛОВ МАШИН

Достаточно точную и достоверную информацию о со­ противлении деталей машин усталости можно получить путем натурных испытаний в условиях моделирования схемы эксплуатационного нагружения. Результаты испы­ таний дают возможность отрабатывать конструкцию и прогнозировать ресурс деталей. В настоящей главе на примерах исследования реальных деталей рассматрива­ ются вопросы испытаний и расчета ресурса конструкций, работающих в областях много- и малоцикловой усталос­ ти при регулярном и нерегулярном режимах нагруже­ ния.

Большие габариты, высокая стоимость и ограничен­ ные объемы производства затрудняют или делают невоз­ можными натурные испытания. Для этих случаев разра­ ботана специальная методика оценки сопротивления уста­ лости и вероятностного расчета ресурса деталей с использованием результатов испытаний геометрических и локальных моделей.

Одновременное усталостное повреждение нескольких деталей узла, а также трудности моделирования схемы эксплуатационного нагружения деталей вызывают необ­ ходимость в испытаниях на усталость узла машины. Во­ просы методики испытаний и расчетов ресурсов узлов машин рассмотрены на примерах исследования сопротив­ ления усталости соединений трубопроводов машин и рес­ сорных подвесок автомобилей. Результаты исследований по станинам прессов вошли в отраслевой нормативный документ, а по соединениям трубопроводов — в государ­ ственный стандарт.

135

3.1.ИСПЫТАНИЯ НА УСТАЛОСТЬ

ИПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ

МАШИН

Экспериментальные исследования сопротивления де­ талей машин усталости требуют существенных матери­ альных затрат, поэтому испытаниям на усталость в пер­ вую очередь должны подвергаться детали, разрушение которых лимитирует надежность машин. Ответственные детали по значимости их отказов молено разделить на две группы. К первой группе относятся детали, сопротивле­ ние усталости которых определяет безопасность эксплуа­ тации машин. Для этой группы при испытаниях и отра­ ботке конструкции необходимо обеспечить или устано­ вить срок службы с высокой вероятностью неразрушения. Вторая группа объединяет детали, сопротивление уста­ лости которых не определяет безопасности эксплуатации машин, но от срока их службы зависят время безотказ­ ной работы и стоимость эксплуатации машин, а также объемы выпуска запасных частей. Для этой группы при испытаниях и отработке конструкции необходимо обеспе­ чивать приемлемый средний или средневероятный срок службы.

На планирование и, анализ результатов испытаний существенное влияние оказывает диапазон рабочих напряжений детали. Можно выделить такие диапазоны: от нуля до статического предела текучести, когда деталь работает только в области многоцикловой усталости; от •статического предела текучести до предела прочности, когда деталь работает в области многоцикловой устало­ сти; от нуля до предела прочности, когда работа детали охватывает области много- и малоцикловой усталости. Не менее значимым является влияние регулярности на­ гружения и распределения напряжений во времени в слу­ чае нерегулярного нагружения.

Ниже рассматриваются результаты эксперименталь­ ных исследований сопротивления усталости деталей обе­ их групп, работающих в разных диапазонах напряжений при нерегулярном и регулярном режимах.

136

Материал детали — сталь 12ХНЗА. Поверхность ее нитроцементируется до глубины 0,25—0,40 мм с последу­ ющей закалкой и отпуском. Структура поверхностного слоя — игольчатый мартенсит (балл 3). Твердость HRC 58—60.

При проведении исследований решались следующие задачи: испытания на усталость и оценка характеристик сопротивления усталости немодернизированиого варйан-

Рис. 3.2. Схема нагружения вторичного вала коробки передач при испытаниях вращающимся вектором силы Р и мо­ ментом М

та конструкции; изменение конструкции детали с целью повышения сопротивления вала усталости; испытания на усталость и оценка характеристик сопротивления уста­ лости модернизированного варианта конструкции; срав­ нительный расчет долговечности конструктивных вариан­ тов при нерегулярном нагружении вала в эксплуатации.

Опасное в отношении усталости сечение детали под­ вергалось совместному действию циклического изгиба и кручения. Отношение напряжений кручения и изгиба в эксплуатации, по данным завода, находилось в пределах 0,8—1,6. С учетом схемы напряженного состояния вала использовалось устройство для испытания на усталость в условиях изгиба и кручения консольно закрепленных образцов. Деталь закреплялась вертикально за ступицу зубчатого колеса (рис. 3.2). Схема нагружения детали позволяла воспроизвести эксплуатационные разруше­ ния [156].

Переменный характер нагружения вала кручением и изгибом и результаты исследований по влиянию на уста­ лость в условиях переменного изгиба напряжений круче­ ния (см. гл. 2) способствовали тому, что в качестве основной для испытаний принята схема нагружения сим­ метричным изгибом. Комбинированное нагружение ис­ пользовалось для получения информации, необходимой для расчетного перехода от симметричного изгиба к раз-

138

личным соотношениям изгиба и кручения. Результаты испытаний немодернизированного вала при изгибе пред­ ставлены на графике зависимости числа нагружений до разрушения от величины напряжения (рис. 3.3).

Сопротивление вала усталости может быть повышено за счет снижения исходной степени повреждения опас­ ного сечения. Для этого проточку заменили радиусом со­ пряжения (см. рис. 3.1), величина которого была согла-

соваиа с радиусом внутреннего кольца подшипника каче­ ния. Результаты испытаний модернизированного варианта вала при изгибе представлены на рис. 3.3.

Для обработки результатов испытаний использовано уравнение (1), при этом для испытанных вариантов вала определялись обобщенные значения параметров No и v0- Характеристики сопротивления валов усталости приведе­ ны в табл. 3.1. Из таблицы следует, что модернизация повышает среднее значение предела выносливости при изгибе на 1.8%, существенным образом не влияя на квад­ ратичное отклонение и коэффициент вариации значений предела выносливости.

Как показано в гл. 2, величина предела выносливости снижается с ростом отношения ос=т/а. Это объясняется повышением главных нормальных напряжений и измене-

139

нием коэффициента асимметрии нагружения. Для вычис­ ления предела выносливости при произвольных значени­ ях а может быть использовано уравнение

Испытания деталей при совместном действии изгиба и кру­ чения показали, что фа•= 0.

Приведенные в табл. 3.1 значения предела выносливо­ сти при симметричном циклическом изгибе могут быть использованы для определения значений предела вынос­ ливости при произвольных значениях а. Так, для средне­ го эксплуатационного а =1,2 средние значения предела выносливости для вала с проточкой составляют 271 МПа, для вала с радиусным сопряжением — 321 МПа. Абсцис­ са точки нижнего перелома и характеристика наклона кривых усталости не зависят от отношения напряжений кручения к напряжениям изгиба. Конечное значение пре­ дела выносливости, найденное по формуле (6), равно 77,2 МПа.

Переход от характеристик сопротивления усталости к ресурсу вала требует информации о числе нагружений вала в единицу времени и в течение 1 км пробега мото­ цикла. Исходя из имеющихся данных завода о загружен­ ности передач, среднего числа оборотов вала двигателя (3000 мин-1) и среднетехнической скорости (40 км/ч), установлено, что в среднем исследуемый вал испытывает 1506 нагружений на каждом километре пробега.

140