Глава V. СИСТЕМЫ НАГРУЖЕНИЯ

ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА УСТАЛОСТЬ

1. Особенности испытаний на усталость

Экспериментальным методам определения характеристик прочности и пластичности материалов и исследованиям закономерностей их де­ формирования и разрушения при циклическом нагружении уделяется большое впимание. Это связано с тем, что условия эксплуатации ма-

.шин и сооружений, как правило, характеризуются повторяемостью внешних воздействий, вызывающих возникновение в элементах конст­ рукций циклически изменяющихся напряжений. Под действием таких напряжений в материале развиваются процессы постепенного накопле­ ния повреждений, приводящие к образованию трещин, их развитию и разрушению материала.

Чрезвычайно широкий диапазон частот нагружения, многообра­ зие форм силовых циклов и схем приложения внешних нагрузок,, реализуемых в реальных конструкциях, обусловили исключительное разнообразие машин и установок, используемых для испытаний при повторно-переменном нагружении [4, 20, 36, 46].

Если статические испытания на кратковременную прочность, дли­ тельную прочность, ползучесть и релаксацию, а также испытания в условиях динамического высокоскоростного нагружения в основ­ ном проводятся при реализации в материале условий однородного напряженного состояния при растяжении или сжатии, то при цикли­ ческом нагружении равноценными являются все виды нагружения: растяжение — сжатие, кручение и изгиб. Это обусловлено прежде всего тем, что при статических испытаниях в материале развиваются большие пластические деформации и определять механические харак­ теристики в этом случае можно с достаточной точностью только для условий однородного напряженного состояния при растяжении или сжатии. При изгибе и кручении напряженное состояние является неоднородным и в условиях пластического деформирования напряже­ ния и деформации распределены нелинейно по сечению образца; эта нелинейность и представляет собой основное препятствие для кор­ ректного определения механических характеристик.

При испытаниях на многоцикловую усталость в области долго­ вечностей с нижней границей не менее 5 105 циклов, когда макси­ мальные напряжения значительно ниже предела текучести материала*

можно использовать любую схему нагружения независимо от созда­ ваемого вида напряженного состояния.

При таких испытаниях предпочтение отдается изгибу как более методически простому виду нагружения и требующему меньшей мощ­ ности испытательных машин.

Исследование малоцикловой усталости, как правило, проводится при растяжении — сжатии, так как при таких испытаниях в мате­ риале развиваются достаточно большие пластические деформации и их определение при неравномерном распределении напряжений па сечению образца трудноосуществимо.

Немаловажным фактором, определяющим выбор схемы нагруже­ ния объекта исследования, являются также условия его деформиро­ вания в процессе эксплуатации. Очевидно, что для испытаний эле-

димо использовать и соответствующие схемы нагружения независима от значения деформации материала й методических трудностей, возни­ кающих при анализе напряженно-деформированного состояния.

При испытаниях на усталость используются такие основные схе­ мы циклического нагружения [36, 45]: чистый изгиб вращающегося образца; чистый плоский изгиб неподвижного образца; поперечный изгиб консольного вращающегося образца; поперечный плоский изгиб консольного, неподвижного образца; поперечный изгиб кон­ сольного образца вращающейся силовой плоскостью; кручение не­ подвижного образца; растяжение — сжатие неподвижного образца.

Помимо этих схем циклического нагружения также используются комбинированные схемы, когда совмещаются изгиб с кручением, из­ гиб с растяжением, кручеиие с растяжением — сжатием. Реализация этих схем нри испытаниях на усталость позволяет воспроизвести лю­ бые требуемые схемы нагружения, встречающиеся при эксплуатации машин и сооружений в реальных условиях, и получить необходимую информацию, используемую при расчетах на прочность.

На рис. 32 показано, какие частоты нагружения могут реализо­ ваться в машинах и сооружениях от действия различных по харак­ теру нагрузок 116]. Частота нагружения охватывает в реальных конструкциях интервал значений в пределах десяти порядков — ог медленных пульсаций с периодом в несколько десятков часов до ультразвуковых колебаний с частотами до нескольких десятков ки­ логерц. И такой широкий частотный интервал должен обеспечиваться

высокочастотная усталость, которым соответствуют область частот от нескольких герц до нескольких десятков килогерц, упругое де­ формирование и большие долговечности, при регулярном нагружении преимущественно реализуется синусоидальный цикл и такое нагру­ жение принято называть гармоническим.

Процесс циклического нагружеиия характеризуется рядом пара­ метров, основными из которых являются следующие (рис. 33, а): максимальные напряжения цикла атах, минимальные напряжения amin, средние напряжения от , амплитуда напряжений сга и размах напряжений 2ста. Полный цикл изменения напряжений называют цик­ лом нагружения с периодом Т. Среднее напряжение от , которое ха­ рактеризует постоянную составляющую полного напряжения в любой точке цикла, и амплитуду ста, определяющую значение переменной составляющей полного напряжения! можно найти из соотношений

От = --------- 2---------- и = ----------2--------- • ( V . 1)

Важной характеристикой цикла также является коэффициент асимметрии цикла

интервал изменения которого показан па рис. 33, б, в [16, 45]. Он весьма чувствителен к изменению амплитуды и средних напряжений цикла.

Для получения сопоставимых данных о циклической прочности материалов в каком-то интервале напряжений испытания проводят при фиксированной частоте регулярного нагружения, постоянной форме цикла, а также при постоянных средних напряжениях или по­ стоянном коэффициенте асимметрии цикла. В первом случае (при am — const) при испытаниях изменяют только амплитуду напряже­ ний, определяемую из соотношений (V.1), а во втором (при Л = const), задавая значения сгтах, с помощью соотношения (V.2) рассчитывают <7mjn таким образом, чтобы коэффициент асимметрии цикла оставался постоянным в пределах всей серии испытаний. Наиболее характер­ ные циклы повторно-переменного нагружения показапы на рис. 33, в. При Л = О испытания проводятся в условиях пульсирующего растя­ жения, когда минимальные напряжения цикла равны нулю. Пуль­ сирующему сжатию соответствует цикл нагружения с коэффициентом асимметрии Л = ± оо; в этом случае равны нулю максимальные на­ пряжения цикла. ПрипульсирующолГрастяжепии и сжатии значение амплитуды совпадает со значением средних напряжений цикла.

Наиболее часто испытания проводятся при симметричном цикле нагружения, когда минимальные и максимальные напряжения рав­ ны амплитуде напряжений, а коэффициент асимметрии цикла Л = = — 1. При симметричном цикле нагружения условие постоянства средних напряжений цикла (которые равны нулю) о условие постоян­ ства коэффициента асимметрии цикла автоматически выполняется при изменении на одинаковое значение максимальных и минимальных

напряжений цикла и амплитуды. Если к тому же учесть, что симмет­ ричный цикл нагружения методически несложно воспроизвести даже на установках с механическими возбудителями колебаний, которые являются наиболее простыми и широко распространенными из исполь­ зуемых в настоящее время, то становится ясно, почему в различной справочной литературе в основном приводятся значения характе­ ристик циклической прочности для симметричного цикла и почему этот цикл нагружения является основным при испытаниях па усталость.

Значения коэффициента асимметрии цикла В. = -f- 1 являются граничными при повторно-переменном нагружении и соответствуют

ном блочном нагружении. Переход от реальпой эксплуатационной нагруженности к эквивалентному блочному нагружению, которое реа­ лизуется на установках для испытаний на усталость, должен основы­ ваться на анализе значения, повторяемости и частоты напряжений, действующих в элементе конструкции в течение всего срока службы.

При формировании блоков нагружения весь интервал напряже­ ний, возникающих в эксплуатационных условиях, разбивается на несколько ступеней, после чего определяется частота превышения напряжениями границ определенных ступеней. Блок нагружения состоит из таких ступеней, в пределах которых частота нагружения, форма цикла и его асимметрия сохраняются постоянными при перио­ дическом повторении блоков в процессе испытаний. Некоторые ва­ рианты блоков при программированном нагружении приведены на рис. 34.

Наиболее близкое воспроизведение эксплуатационной нагружеиности деталей может быть обеспечено, если испытания проводить при нестационарном случайном нагружении, соответствующем реально­ му. Такое случайное нагружение в настоящее время уже реализуется

в лабораторных условиях с помощью электрогидравлических систем нагружения, управление которыми осуществляется от автоматизи­ рованных комплексов, базирующихся на использовании электронновычислительной техники.

Очевидно, что с использованием какого-то одного типа испытатель­ ных машин нельзя обеспечить воспроизведение в лабораторных ус­ ловиях всего рассмотренного многообразия циклов нагружения в чрезвычайно широком интервале реализуемых на реальных конст­ рукциях частот нагружения. Поэтому для исследования поведения материалов и элементов конструкций при повторно-перемеипом на­ гружении используются различные типы машин, оснащенных систе­ мами силонагружепия, существенно отличающихся по принципу возбуждения нагрузок и конструктивному оформлению.

2. Машины с механическими возбудителями

Механическое возбуждение циклических нагрузок осуществляется тремя основными способами: при нагружении вращающегося образца постоянной силой, создаваемой грузом, который непосредственно подвешивается к образцу или через систему рычагбв; при нагруже­ нии неподвижного образца постоянной, но вращающейся силой, соз­ даваемой также грузами, связанными с образцом гибким тросиком; при нагружении неподвижного образца кривошипным механизмом. Первые два способа обеспечивают мягкий режим нагружения, а при использовании кривошипного механизма можно получить как мяг­ кий, так и жесткий режим нагружения. С помощью механических возбудителей испытания проводятся при регулярном и блочном про­ граммированном нагружениях в частотном интервале 5—200 Гц. При этом испытания с использованием первого способа проводятся по схе­ ме чистого и поперечного кругового изгиба, с использованием второго способа — по схеме поперечного изгиба неподвижного консольного образца вращающейся силовой плоскостью и с помощью третьего способа — по независимым схемам чистого и поперечного изги­ ба, кручения и растяжения — сжатия неподвижного образца.

Машины с механическими возбудителями циклических нагрузок являются машинами силового типа, однако они применяются и при испытаниях на резонансных режимах колебаний благодаря включе­ нию в силовую цепочку дополнительных колеблющихся масс.

Рассмотрим структуру и схемы систем силонагружепия, основан­ ных на их использовании. В этих системах силонагружепия электри­ ческая энергия, подводимая от сети к электродвигателю, и потен­ циальная энергия грузов преобразуются в затрачиваемую на переме-! щение, деформирование и разрушение образца работу с помощью механического возбудителя циклических нагрузок гравитационнорычажиого и л и кривошипно-шатунного типа. Схема возбудителя гравитациоиио-рычажного типа с возбуждением постоянной силой показана на рис. 35, а [36]. Образец 4, жестко закрепленный в двух шпинделях 3 и 5, нагружается с помощью установленных на плат­ форму грузов 10 через рычаг 9 и подвеску 8. Вращение шпинделям

8а

ж образцу сообщается от электродвигателя 1: Вся цепочка крепления образца вращается относительно опор 2Га подвесив с рычагом и гру­ зами остается в процессе испытаний неподвижной. Эта схема нагру­ жения соответствует условиям чистого кругового изгиба. При вращении образца в поверхностных слоях материала возникают напря­ жения, изменяющиеся по гармоническому эакону, и реализуется сим­ метричный цикл нагружения. Изменяя массу груза, можно полу­ чить в образце любой требуемый уровень амплитуды напряжений. Варьирование асимметрии цикла может быть достигнуто с помощью специального механизма натяжения 7, пружинная тяга 6 которого

а

Рис. 35. Схемы мапшн для испытаний на усталость с возбуждением посто­ янной силой в условиях чистого кругового (а) и поперечного кругового (б) изгиба.

через подшипник соединена с осью шпинделя 5. Механизм натяжения позволяет прикладывать к образцу осевую растягивающую нагрузку, изменяя которую, можно управлять уровнем средних напряжений цикла, а следовательно, и его асимметрией.

Машины для испытаний на усталость, основанные на использова­ нии рассматриваемой схемы нагружения, получили достаточно ши­ рокое распространение при умеренных частотах нагружения. Наи­ более ответственным узлом таких машин, определяющим возможность получения частот от 50 до 200 Гц, является узел быстровращагощегося шпинделя, который должен быть достаточно жестким и хорошо сба­ лансированным. Для охлаждения подшипников шпинделя и их смаз­ ки в узел под давлением подается масло, что усложняет конструкцию машин и ухудшает условия их обслуживания. Наряду с машинами, в которых деформирование образца происходит в условиях чистого кругового изгиба, при испытаниях на усталость также используются машины с консольным расположением вращающихся образцов. Схема системы силонагружения таких машин с непосредственным нагружением грузом приведена на рис. 35, б. Образец 3 закреплен в патроне 2, который приводится во вращение от электродвигателя 1. Платформа с грузами 5, вес которых определяет амплитуду напряже­ ний в образце, соединена со свободным концом образца с помощью подшипника качения 4. При использовании такой схёмы реализует­ ся симметричный цикл нагружения, а материал образца деформирует­ ся в условиях поперечного кругового изгиба.

Машины с рассмотренными системами возбуждения циклических нагрузок используются для испытания круглых образцов диаметром до 100 мм при частотах до 200 Гц.

Для исследования циклической прочности образцов и элементов конструкций больших диаметров в условиях кругового изгиба (на­ пример, осей железнодорожных вагонов) используются так называе­ мые машины обращенного типа, которые обеспечивают возбуждение циклических напряжений в образце с помощью постоянной, но вра*- щающейся силы (вращающимся вектором силы). Такая схема, несмот­ ря на сложность ее реализации, позволяет проводить испытания круп-

О

м

3

*

жения при круговом изгибе необходимо исследовать развитие трещин усталости и когда исследуется влияние на выносливость материала жидких сред и для надежного сохранения жидкой ванны.в аоне рабоче­ го участка образца желательно обеспечить его неподвижность и верти­ кальное расположение. В этом случае реализуетсямягкий режим нагружения при поперечном изгибе консольного образца (рис. 36). Образец 2 одним концом жестко закреплен в захвате 7, а на втором его конце установлен подшипник 4, внутренняя обойма которого жестко соединена с образцом, а к внешней прикреплен трос 6, пере­ дающий к образцу нагрузку. Натяжение троса создается грузами 15; верхняя его часть 14 неподвижна относительно оси, а нижняя, про? лущенная через ролики 5 и 7 таким образом, чтобы обеспечить пер­ пендикулярность силовой плоскости к оси обравца; вращается вместе

с подвижным узлом нагружения. Узел нагружения представляет со­ бой малоинерционную тонкостенную конструкцию, состоящую из трубы 12 с головкой 8. В трубе размещен подшипник 16, с помощью которого нагрузка от неподвижного груза 15 через трос 14 и тягу 13, перемещающуюся только поступательно, и стакан 17 передается вращающемуся узлу нагружения и образцу. Частота нагружения в машинах такого типа не превышает 25 Гц. Ее повышение в принципе осуществимо, так как для вращения подвижной головки используется обычный электропривод, состоящий из электродвигателя 10, регули­ руемого редуктора 11 и пары шестерен 9 и позволяющий получать частоту вращения до 100 Гц и более. Однако при таких частотах, во-первых, трудно обеспечить балансировку вращающихся деталей, и, во-вторых, необходимо предусматривать специальные меры без­ опасности для предотвращения поражения обслуживающего персо­ нала разрушившимся образцом. При сравнительно низких частотах нагружения верхняя часть образца после разрушения задерживается от выброса специальным ловителем 3. С использованием рассмотрен­ ной схемы испытания проводятся при симметричном цикле нагру­ жения.

Достаточно широкое применение в машинах для испытаний на усталость получили механические возбудители, основанные на ис­ пользовании кривошипного механизма [36]. Они позволяют осуществ­ лять регулярное и блочное программированное нагружение в мяг­ ком и жестком режимах при растяжении — сжатии, кручении и изгибе. Их принцип действия основан на преобразовании вращатель­ ного движения выходного вала электродвигателя в колебательное движение конца образца. Простейшая схема системы силонагружепия машин с кривошипно-шатунным механизмом приведена на рис. 37, а. Консольно закрепленный образец 1 через шарнир 2 связан с шатуном 3, преобразующим вращение кривошипа 4 в перемещение свободного конца образца. Это перемещение зависит от радиуса кривошипа 7?0. Изменяя его, можно управлять амплитудой действующих в образце напряжений. Рассматриваемая схема позволяет проводить испытания при плоском поперечном изгибе образца с любой требуемой асиммет­ рией цикла. При испытаниях крупногабаритных образцов реализуе­ мая частота нагружения в таких машинах не превышает 12,5 Гц, а при использовании для испытаний малых образцов верхняя граница частотного интервала практически соответствует 50 Гц.

Изменяя схему соединения образца с шатуном, с использованием рассматриваемых возбудителей можно проводить испытания па уста­ лость в условиях чистого плоского изгиба, растяжения — сжатия или кручения. На рис. 37, б показана схема нагружения образца при знакопеременном кручении. Крутящий момент в образце 1 возникает при повороте относительно его оси рычага 2, который через шарнир связан с шатуном 3 и кривошипом 4, приводимым во вращение от электродвигателя. Амплитуда угловых колебаний рычага и возникаю­ щие в образце напряжения зависят от радиуса кривошипа, значение которого можно изменять в достаточно широких пределах. Механи­ ческие возбудители с кривошипным механизмом могут также до-