книги / Прогнозирование долговечности и диагностика усталости деталей машин

При обработке результатов сравнительных усталост­ ных испытаний использовались уравнения (1) и (16), а также значения неварьирующих параметров, полученные при испытаниях 90 моделей гидравликой. Обработка да­ ла следующие значения среднего и квадратичного откло­

нения пределов выносливости: при гидроиагружении о,-=

= 393 МПа, 5 = 65,1 МПа; при пневмонагружении стг= = 361 МПа, 5 = 80,7 МПа. Для сравнения использованы критерии Пагуровой и Фишера. Опыты показывают, что при 10%-ном уровне значимости для среднего и при 25%-ном уровне значимости для дисперсии нет оснований отвергать гипотезу о равенстве этих величин. Следова­ тельно, при усталостных испытаниях аккумуляторов га­ зообразный наполнитель может быть заменен жидкостью.

При разработке методики испытаний аккумуляторов давления из нормализованной и отпущенной стали ЗОХГСА базировались на результатах испытания моделей. Это позволило сократить число натурных объектов, необ­ ходимых для проведения испытаний, заменить газообраз­ ный наполнитель жидким, использовать уравнение кри­ вой усталости (1) с известными значениями неварьирую­ щих параметров Vo и N0, использовать функцию нормального распределения значений предела выносливо­ сти.

Так как аккумуляторы (рис. 3.9—3.11) имели горло­ вину с заданным по чертежу углом конусности 2р3=60°

ирадиусом сопряжения р внутренних цилиндрической и конической поверхностей 25 мм, наряду с оценкой танген­ циальных напряжений в цилиндрической части оценива­ лись также осевые напряжения в зоне сопряжения конуса

ицилиндра [170] :

сг' = а ха 2а = а 0ог,

где о'— осевое напряжение в зоне сопряжения; <j — тан­ генциальное напряжение на внутренней поверхности ци­ линдрической части; ai— коэффициент концентрации на­ пряжений, зависящий от угла конусности и соотношения толщин стенок конуса и цилиндра; аг— коэффициент кон­ центрации напряжений, зависящий от радиуса сопряже­ ния конуса и цилиндра. При определении коэффициентов использованы графики [170].

В тех случаях, когда 2(33=60° и р= 25 мм, значение a a< l. Однако проведенный после испытаний обмер ак-

151

частотой 0,1 Гц на восьми уровнях давления до разруше­ ния. После разрушения объекты разрезались для уточ­ нения угла конусности и радиуса сопряжения конуса и цилиндра. Разрушение аккумуляторов происходило путем развития усталостных трещин, проходивших от внутрен­ ней поверхности через толщину стенки с образованием зоны раскрытия трещин. При этом с уменьшением макси­ мального давления цикла зоны раскрытия трещин, как правило, уменьшаются. При низких давлениях аккуму­ ляторы «пылили» наполнителем. Опасность представля­ ет разрушение аккумуляторов по зоне сопряжения кону­ са и цилиндра из-за отрыва днища. Она возрастает в эксплуатации при заполнении аккумулятора не жидко­ стью, а воздухом. Чтобы исключить возможность отрыва днища, необходимо установить строгий контроль и от­ браковку изделий по конусности и радиусу сопряжения конуса и цилиндра.

Вторая серия аккумуляторов (рис. 3.10) испытыва­ лась при тех же давлениях цикла, но перед нагружением циклами каждый из аккумуляторов выдерживался при давлении, равном максимальному давлению цикла, в те­ чение 720 ч. Характер разрушения аккумуляторов этой серии не отличался от разрушения аккумуляторов первой серии.

Особенность испытаний третьей серии аккумуляторов (рис. 3.11) заключалась в том, что после примерно 50% от среднего расчетного числа циклов до разрушения аккумуляторов первой серии нагружение циклами пре­ рывалось, аккумуляторы выдерживались в течение 720 ч при давлении, равном максимальному давлению цикла, и только после этого доводились нагружением циклами до разрушения. Аномалий в разрушении аккумуляторов этой серии не наблюдалось.

Для каждой серии обработка результатов эксперимен­ та выполнялась с использованием уравнения (1) в виде

оri 1

“Г

атакже значений N0 и v0, найденных из испытания моде­ лей. При этом определялись частные значения предела выносливости, средние значения и квадратичные откло­ нения (табл. 3.4).

154

Для сравнения выборочных средних и квадратичных отклонений первой серии с выборочными значениями тех же параметров второй и третьей серий использовались критерии Пагуровой и Фишера. При сравнении средних и дисперсий расчетные значения критериев меньше таб­ личных при 10%-ном уровне значимости. Следовательно, ускорение процесса испытаний за счет сокращения вы­ держки аккумуляторов под давлением не влияет на оцен-

ку среднего и квадратичного отклонений значений преде­ ла выносливости.

Для повышения точности оценки параметров рас­ пределения пределов выносливости использовались результаты испытаний всех 24 аккумуляторов. Исходя из доверительной вероятности 0,99 и нормального распре­

7,29-107 МПа-цикл.

На рис. 3.12 представлены кривые равной вероятности неразрушения. Область верхнего перегиба кривой уста­ лости нанесена по результатам испытаний 87 аккумуля­ торов. Среднее значение предела прочности равно 816 МПа, квадратичное отклонение — 59 МПа. Штрихо­ вая линия отражает зависимость числа циклов до разру­ шения от напряжения с использованием выборочных значений параметров функции распределения. Получен­ ная информация дает возможность решать задачи выбо­ ра допускаемых напряжений, оценки вероятности нераз­ рушения и определения допустимого числа заполнений испытанных аккумуляторов.

Определим допускаемое напряжение при вероятности неразрушения 0,999 и числа заполнений аккумуляторов

155

8* 104. Исходя из нижней границы доверительного интер­ вала для среднего и верхней границы доверительного интервала для квадратичного отклонения, граничное зна­ чение предела выносливости будет равно 19,6 МПа. Из уравнения (1) граничному значению предела вынос­ ливости. соответствует допускаемое напряжение 228 МПа или давление 23,9 МПа.

Оценим вероятность неразрушения воздушных акку­ муляторов давления при напряжении 275 МПа и числе заполнений 5-104. Из уравнения (1) граничное значение предела вынос­ ливости равно 32,4 МПа.

Квантиль нормального распределения при сред­ нем (265 МПа) и квадра­ тичном (79,6 МПа) откло­ нениях составляет 2,92.

Рис. 3.12. Кривые усталости равной вероятности неразру­ шения для баллонов из стали ЗОХГСА

Следовательно, вероятность неразрушения аккумулято­ ров при 50 000 заполнений будет не ниже 0,9983.

Вычислим допустимое число заполнений аккумулято­ ров при максимальном давлении 21,6 МПа (напряжение равно 206 МПа) при вероятности неразрушения не ниже 0,999 при среднем (265 МПа) и квадратичном отклоне­ нии (19,6 МПа). Из уравнения (1) следует, что для обес­ печения вероятности неразрушения не ниже 0,999 число заполнений не должно превышать 106 000.

Изложенный выше метод можно рекомендовать для выборочных усталостных испытаний ответственных дета­ лей, нагружаемых внутренним давлением неагрессивных газов, как на стадии отработки конструкции и техноло­ гии их производства, так и в процессе серийного изготов­ ления.

156

3.2. ОЦЕНКА СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СВАРНЫХ СТАНИН ПРЕССОВ [178—180]

Как было показано в параграфе 3.1, достаточно точ­ ную оценку срока службы деталей машин можно полу­ чить по результатам испытаний натурных деталей в ус­ ловиях моделирования схемы эксплуатационного нагру­ жения. Однако имеется целая группа деталей (станины,, рамы, корпуса, картеры и др.), стоимость, габариты, ограниченные серии изготовления или сложность созда­ ния нагружающих устройств которых затрудняют прове­ дение натурных испытаний. Для таких деталей требуется изыскание других способов получения информации, необ­ ходимой для вероятностных расчетов срока службы кон­ струкций. Один из таких методов — исследование сопро­ тивления усталости станин горячештамповочного .пресса К8544. Метод прошел проверку на Воронежском заводе тяжелых механических прессов и рекомендован [181] для использования в кузнечно-прессовом машиностроении.

3.2.1. Общие положения метода исследования сопротивления усталости сварных станин

Выход сварных станин из строя обусловлен процес­ сом образования и развития усталостных трещин, кото­ рые распространяются в опасных зонах, где имеет место наиболее неблагоприятное сочетание напряжений и ис­ ходных локальных повреждений. Такие зоны могут быть выявлены путем усталостных испытаний геометрических моделей.

Метод исследования сопротивления усталости свар­ ных станин на стадии отработки конструкции предусмат­ ривает оценку напряженного состояния станин путем тензометрироваиия геометрических моделей; определение сопротивления усталости опасных локальных зон станины путем испытания локальных моделей; определение срока службы станины с учетом статистического характера про­ цесса усталости в числах нагружений, соответствующих повреждению усталостными трещинами наиболее опас­ ных зон; предварительный расчет для выбора приемлемо­ го конструктивно-технологического варианта сварной станины по результатам испытаний геометрических и ло­ кальных моделей; уточненный расчет срока службы

157

станины по результатам тензометрирования и ультразву­ ковой дефектоскопии опасных зон при типовых приемо­ сдаточных испытаниях машин.

Целью тензометрирования моделей является количе­ ственная оценка напряжений в опасных в смысле устало­ сти зонах для выбора приемлемого варианта конструкции станины. Геометрическая модель должна быть изготовле­ на в соответствии с чертежами станины в меньшем масштабе из материала станины и подвергнута той же термической обработке, что и станина. Нагружение гео­ метрической модели должно осуществляться на специ­ альном стенде по схеме нагружения станины с воспроиз­ ведением всех действующих нагрузок и учетом масштаба подобия при выборе сил и моментов.

Для выявления опасных зон может быть использован опыт эксплуатации подобных конструкций, а при отсутст­ вии такого опыта целесообразно провести усталостные испытания геометрической модели с моделированием эксплуатационных нагрузок и доведением испытаний до усталостного повреждения локальных зон. Дальнейшие испытания геометрических моделей дают дополнитель­ ную информацию о кинетике повреждения сварных ста­ нин.

Количественная оценка напряжений, возникающих в моделях, при воспроизведении сил и моментов, модели­ рующих эксплуатацию, с приемлемой для расчетов точ­ ностью может быть выполнена с помощью тензорезисторов или других точных средств регистрации деформаций и напряжений. Число точек регистрации должно быть достаточным для воспроизведения эпюр напряжений в опасных сечениях станин. Для оценки параметров цикла напряжений в опасных локальных зонах в виде минималь­ ного и максимального напряжения цикла целесообразно совмещать эпюры напряжений до и в момент приложения нагрузок.

Целью испытаний локальных моделей является оцен­ ка в вероятностном плане сопротивления усталости наи­ более опасных локальных зон сварной станины. Локаль­ ные модели должны иметь форму' вырезки из натурной конструкции и изготавливаться в натуральном масштабе из материала опасной зоны с полным воспроизведением технологии изготовления станины. Она может представ­ лять собой пластину, мысленно вырезанную перпендику­

158

лярно поверхности разрушения опасной зоны. Если опас­ ной является зона сварного шва, локальная модель долж­ на сохранять реальную дефектность поверхности и корня шва. Для нагружения моделей рекомендуется использо­ вать универсальные машины, позволяющие воспроизво­ дить циклическое нагружение при двух и более коэффи­ циентах асимметрии цикла.

Оценку сопротивления усталости локальных зон необ­ ходимо производить путем испытания партии локальных моделей на различных уровнях напряжений от 0,7—0,8 предела прочности до предела выносливости. Объем вы­ борки определяется исходя из требуемой точности оце­ нок характеристик сопротивления усталости. Результаты испытаний должны быть проанализированы и представ­ лены в виде значений параметров уравнения кривой уста­ лости, параметров функции распределения значений предела выносливости и коэффициента чувствительности локальных моделей к асимметрии нагружения.

Предварительный расчет выполняется для определе­ ния зависимостей вероятности иеразрушения станин от числа циклов при максимальных эксплуатационных на­ пряжениях с целью выбора приемлемого конструктивно­ технологического, решения и базируется на следующих положениях: напряженное состояние геометрической мо­ дели эквивалентно напряженному состоянию станины; сопротивление усталости локальных моделей эквива­ лентно сопротивлению опасных в смысле усталости зон станины.

Базовые положения проверялись путем сравнения ре­ зультатов тензометрироваиия натурной конструкции и ее моделей, а также контрольными усталостными испытани­ ями геометрических моделей и локальных моделей их опасных зон. Проверка показала достаточную точность принятых базовых положений.

За предельное повреждение станины рекомендуется принимать усталостное локальное повреждение, соответ­ ствующее прохождению усталостной трещины через сече­ ние стенки. Усталостные испытания моделей показывают, что на этот процесс расходуется большая часть ресурса долговечности.

При расчетах числа циклов до повреждения опасных зор используются не зависящие от предела выносливости параметры уравнения кривой усталости, полученные при

15»

испытаниях локальных моделей. Значения предела вы­ носливости определяются с учетом коэффициента асим­ метрии нагружения опасных зон. Квадратичное отклоне­ ние значений предела выносливости вычисляется исходя из независимости коэффициента вариации от асимметрии нагружения.

Зависимость вероятности неразрушения для одной опасной зоны от числа нагружений вычисляется с исполь­ зованием уравнения кривой усталости и функции распре­ деления значений предела выносливости.

При необходимости повышение долговечности может быть достигнуто за счет снижения как напряженности, так и исходной степени повреждения опасных зон. Поиск вариантов с пониженной напряженностью ведется на геометрических моделях, а с уменьшенной исходной сте­ пенью повреждения— на локальных. Для анализа и вы­ бора конструктивно-технологического варианта станины используются суммарные графики зависимостей вероят­ ности неразрушения от числа нагружений для исследован­ ных вариантов решений.

Наряду с этим оцениваются другие технико-экономи­ ческие характеристики анализируемых вариантов: жест­ кость, технологичность, стоимость и т. п. Приемлемый вариант выбирается с учетом всех значимых технико­ экономических характеристик анализируемых вариантов.

При изготовлении станины опытного образца машины опасные зоны должны подвергаться контролю с целью оценки исходной степени повреждения. Испытания опыт­ ного образца машины должны предусматривать тензометрирование опасных зон. По результатам оценок сте­ пени повреждения и напряжений в этих зонах определя­ ется зависимость вероятности неразрушения от числа на­ гружений для принятого конструктивно-технологического варианта станины. Исходя из полученной зависимости, принимается решение о дальнейшей доработке или о серийном изготовлении станин.

3.2.2. Оценка напряженного состояния конструктивных вариантов станины пресса К8544

Станина пресса К8544 состоит из двух сварных стоек коробчатого сечения высотой 4,7 м, соединенных между собой траверсой, и имеет распорки в зоне направляющих

160