книги / Прогнозирование долговечности и диагностика усталости деталей машин

устанавливалась на втулки и нагружалась затяжкой шпилек [93].

Штоки гидроцилиндров через промежуточные ролики, опоры и стержень нагружали модель растягивающей силой и — при неравенстве плеч приложения усилий — изгибающим моментом. Величина усилий от штоков ре­ гистрировалась с помощью тензорезисторов, наклеенных на поверхности упруго деформирующихся элементов опор.

Таким образом, устройство обеспечивало предвари­ тельное сжатие стойки усилием двух стяжных шпилек, растяжение и изгиб стойки штоками, а также имитацию связи между стойками двухстоечной станины. При выбо­ ре величин усилий и моментов исходили из необходимости обеспечения равенства напряжений в модели и станине (масштаб силового подобия 1 :25, а масштаб подобия по изгибающему моменту 1 : 125). Нагружающее устройство

Рис. 3.14. Схема наклейки

162

позволяло осуществлять статическое и циклическое на­ гружение моделей.

Для выявления опасных в смысле усталости зон ста­ нины были проведены ускоренные испытания геометриче­ ской модели на усталость. По силам перегрузки состави­ ли 3,2 раза, а по моменту — 5. В процессе испытаний было установлено, что усталостное повреждение зарождается

всварном шве стыка втулки и внутренней стенки стойки

взоне действия максимальных по величине растягиваю­ щих напряжений (рис. 3.13); при циклическом на­

гружении усталостная трещина зарождается у корня шва, проходит через шов и после выхода на его поверх­ ность распространяется по его периметру с последующим выходом на лист; при прохождении трещины в зоне оча­ га повреждения наблюдается рост растягивающих на­ пряжений.

163

На рис. 3.13 приведена фотография трещины после 152 тыс. циклов нагружений.

Усталостные испытания геометрической модели пока­ зали, что в качестве критерия предельного повреждения станины можно принять момент прохождения трещины через сечение сварного шва. Использование такого кри­ терия позволяет учесть большую часть времени эксплуа­ тации и исключить возможность аварийного разрушения станины пресса.

Представляет интерес' возможность оценки степени повреждения станины в эксплуатации по росту напряже­ ний в опасной зоне. Количественная оценка напряжений, необходимая для расчетов станины на долговечность, с достаточной точностью может быть выполнена с помощью тензорезисторов (рис. 3.14) в условиях, моделирующих штамповку при номинальном усилии 25 МН. В этом слу­ чае на каждую стойку пресса, кроме суммарного сжима­ ющего усилия порядка 16 МН от стяжных шпилек, дей­ ствуют приложенные к втулке растягивающая сила 12,5 МН и изгибающий момент 3,1 МН-м. Напряженное состояние стойки пресса характеризуется результатами тензометрирования геометрической модели, соответству­ ющими суммарному усилию предварительной затяжки 650 кН, приложенному к втулке растягивающему усилию 500 кН и изгибающему моменту 25 кН • м.

Эпюры распределения радиальных напряжений по пе­ риметру сварных швов при предварительной затяжке шпилек (штриховые линии) и имитации номинального усилия штамповки (сплошные линии) представлены на рис. 3.15. Сварной шов наружной стенки нагружен сжи­ мающими напряжениями, а сварной шов внутренней стен­ ки — как сжимающими, так и растягивающими. Величи­ на последних достигает 42 МПа. Такой характер распре­ деления напряжений обусловлен увеличением диаметра втулки в направлении действия растягивающей силы и изгибающего момента и уменьшением диаметра, который возможен в пределах зазора ходовой посадки подшипни­ ка в перпендикулярном направлении. Из рисунка видно, что в наиболее опасной зоне сварного шва каждый рабо­ чий ход пресса при штамповке с номинальным усилием вызывает изменение напряжений от —16 до 42 МПа (ко­ эффициент асимметрии нагружения равен —0,381).

Для снижения максимальных растягивающих напря»

164

жений в опасной зоне сварного шва пресса наряду с мо­ делью серийного пресса (рис. 3.16, а) выполнено тензометрирование моделей стоек с измененным положением ребер с целью получения большей жесткости стойки в плоскости действия растягивающего усилия. Условия изготовления всех трех моделей были идентичными. Из­ менение конструкции позволило снизить максимальное

6,мпа

Рис. 3.15. Распределение радиальных напряжений в зоне стыла втулки с наружной (внизу) и внутренней (вверху) стенками модели стойки

185

напряжение для варианта б до 32 МПа при коэффициен­ те асимметрии нагружения —0,625, а для варианта в—до 30 МПа при коэффициенте асимметрии нагружения —0,333. Окончательное решение о выборе приемлемого конструктивного варианта принимается на основании результатов вероятностного расчета ресурса станин.

Точность оценки напряженного состояния станины пресса К8544 тензометрированием геометрической моде­ ли проверялась путем тензометрирования станины серий­ ного пресса на Воронежском заводе тяжелых механиче­ ских прессов. Проверка показала, что расхождение в оценках напряжений геометрической модели и серийной станины не выходит за пределы погрешности метода оцен­ ки напряжений с помощью тензорезисторов.

3.2.3. Испытания на усталость локальных моделей опасных зон станины

Так как было принято считать предельным поврежде­ нием станины прохождение усталостной трещины в опас­ ной зоне через все сечения шва, долговечность станины можно оценить по результатам испытаний на усталость локальных моделей опасных зон. При этом локальные модели должны иметь форму листовой вырезки из натур­ ной конструкции и быть выполненными в масштабе 1 : 1 из материала опасной зоны по типовой технологии изго­ товления станины *.

При подготовке испытаний локальных моделей опас­ ных зон для пресса К8544 заготовки получали сваркой

Рис. 3.17. Схема вырезки полос для изготовления образцов

1 Испытания выполнены под руководством автора Е. П. Рыжковым.

167

встык листов из стали Ст. 3 толщиной 80 мм и шириной 900 мм. Во избежание поводок при сварке листы заневоливались приваренными ребрами жесткости, после свар­ ки термообрабатывались по технологии термообработки станины и из них перпендикулярно шву вырезались поло­ сы шириной 40 мм (рис. 3.17). Полосы с поверхностей реза фрезеровались и шлифовались. Две поверхности об­ разцов не обрабатывались, чтобы сохранить форму и геометрию поверхности и корня шва.

'4 4 0

cv>

Рис. 3.18. Локальные модели U-образного одностороннего шва (а) и одностороннего замкового шва (о)

168

Обработка результатов испытаний выполнялась с ис­ пользованием уравнения (1). Параметры этих уравнений, а также 99%-ный доверительный интервал для среднего и квадратичного отклонения значений предела выносли­ вости локальных моделей приведены в табл. 3.5.

Из рис. 3.19 следует, что использование замкового шва вместо U-образного одностороннего, который применялся в серийной станине пресса К8544, дает повышение сред­ ней долговечности опасных зон в 1,5—2 раза. Это обу­ словлено снижением дефектности кррня шва.

Для оценки чувствительности материала шва к асим­ метрии нагружения были проведены испытания локаль­ ных моделей при коэффициентах асимметрии нагружения 0,5 и 0,25. Определено, что коэффициент чувствительно­ сти к асимметрии нагружения равен 0,2.

3.214*. Прогнозирование долговечности и выбор констОу.ктивного ваоианта станины

по величинам напряжений в опасных зонах до и после нагружения станины рабочими нагрузками. Для перехода рт результатов испытания локальных моделей при фик­ сированном коэффициенте асимметрии цикла к парамет­ р у 'у^айне1|йя:,.кфйвой усталости опасных зон при эксплу­

коэффициент асимметрии Цикла влияет на величину пре­ дела ■;выносливости опасной зоны и не влияет на угол на­ клона кривой усталости и среднее значение числа циклов до. тонки нйжнего „перегиба кривой усталости. Полагая, что частные| значения пределов5выносливости меняются с изменением коэффициента асимметрии цикла, так же как и средние значения, можно считать, что коэффициент асимметрии не влияет на величину коэффициента вариа­ ции значений пределов выносливости.

Параметры, характеризующиеюопрошвление усталос­ ти опасных зон станины при эксплуатационном нагруже­ нии, 'определяются следующим образом. При переходе от-нижней грацицы,доверительного интерврйа для сред­ него: значения предела выносливости при коэффициенте асимметрии, выбранном при испытаниях локальных мо­

170