книги / Усталость крупных деталей машин
..pdfИ.В. КУДРЯВЦЕВ НЕ. НАУМЧЕНКОВ Н.М. САВВИНА
УСТАЛОСТЬ
крупных
деталей
машин
МОСКВА
•МАШИНОСТРОЕНИЕ*
1981
ВБ К 34.64
К88
УДК 621.178.311.5
Нецензент Н. Д. Тарабасов
Кудрявцев И. В., Наумченков Н. Е., Саввина Н. М.
К88 Усталость крупных деталей машин — М.: Машино строение, 1981 — 240 с., с ил.
Впер.: 1 р. 10 к.
Вкниге приведены опытные данные и сделаны обобщения, касающиеся сопротивления усталости при изгибе и кручении крупных деталей машИН.
Рассмотрено влияние концентраторов напряжений и абсолютных размеров на сопротивление усталости деталей из стали, чугуна и титановых сплавов. Даны результаты испытаний крупных деталей и моделей сборных и сварных рото ров турбин и генераторов, элементов мощных прессов, коленчатых валов мощ ных дизелей, судовых валов и сварных элементов машин и конструкций.
Для инженерно-технических работников всех отраслей машиностроения.
31301-502 |
БЗ-27-47-80 |
По подписке 2700200000 |
БбК 34.64 |
|
К 038(01)-81 |
6П5.3 |
|||
|
|
© Издательство «Машиностроение», 1981 г.
ВВЕДЕНИЕ
В книге обобщены экспериментальные данные, касающиеся сопро тивления усталости при изгибе и кручении крупных натурных деталей машин или крупных образцов и моделей. Широкое про ведение испытаний на усталость таких образцов было возможно благодаря созданию в ЦНИИТМАШе 1 специальных машин, раз работанных С. И. Яцкевичем и В. М. Андренко. Это оборудование позволяет вести испытания на усталость одновременно значитель ного числа образцов в широком диапазоне сечений (диаметром или толщиной от 20 до 400 мм). Кроме испытательных машин кон струкции ЦНИИТМАШа, рассмотрены те отечественные и зару бежные машины, на которых были получены результаты исследо ваний, используемые в данной книге.
Основными задачами испытаний являются определение харак теристик усталости крупных объектов, исследование влияния на их сопротивление усталости различных технологических и кон структивных факторов. В связи с большой трудоемкостью и слож ностью испытаний на усталость крупных моделей или натурных деталей опытных данных в этой области как в нашей стране, так и за рубежом накоплено недостаточно. Однако именно экспери ментальное определение сопротивления усталости деталей больших размеров является наиболее надежным средством для рациональ ного выбора допускаемых напряжений, выбора форм деталей, состава материалов и назначения режимов технологических обработок.
В книге рассмотрены данные, относящиеся к распространен ным машиностроительным материалам — кованым и литым ста лям, чугуну,- титановым сплавам. Кроме экспериментальных данных ЦНИИТМАШа, кратко освещены результаты работ, проведенных в других институтах и на заводах (ИЭС им. Е. О. Патона, Всесоюзном научно-исследовательском тепловозном инсти туте, ЦНИИ МПС, МИИТ, ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, Фи зико-механическом институте АН УССР, УЗТМ, НКМЗ и др.). Приведены также некоторые наиболее значимые результаты, вы полненные за рубежом (в США, Японии, ФРГ и др.).
1 Центральный научно-исследовательский институт технологии машино строения (Москва).
В связи с изготовлением промышленностью особо крупных деталей для нужд отраслей тяжелого и энергетического машино строения появилась необходимость оценки прочности при пере менном нагружении составных деталей (роторы, опорные валки и др.). Испытания на усталость составных деталей подтверждают возможность создания крупных составных изделий ответствен ного назначения.
В книге приведены сведения о практике рационального исполь зования в промышленности поверхностного пластического дефор мирования (ППЦ) как мощного метода повышения прочности деталей, работающих при переменном нагружении.
Методы поверхностного наклепа даны в связи с конкретными задачами повышения сопротивления усталости таких деталей, как крупные роторы турбин и генераторов, коленчатые валы мощ ных дизелей, сзарные конструкции и др. Разработки авторов в этом направлении широко используют в промышленности с боль шим экономическим эффектом. Особо важное значение имеют ра боты, касающиеся снижения отрицательного влияния концентра ции напряжений на сопротивление усталости деталей.
Вопросам методики усталостных испытаний посвящена работа Л. М. Школьника [42 ], поэтому здесь эти вопросы касаются только уникального испытательного оборудования (преимущественно оте чественного) и особенностей испытаний, специфических для круп ных объектов.
Особенности малоцикловой усталости достаточно подробно изложены в специальных монографиях, здесь рассмотрены много цикловые нагружения.
В данной книге не повторены специальные руководства, издан ные за последние годы и касающиеся методов расчета на прочность при переменных напряжениях [10, 21, 34]. По упрочнению дета лей машин методами поверхностной пластической деформации приведен только ограниченный библиографический перечень. Бо лее подробный список отечественных и зарубежных работ (свыше 300 наименований) можно найти в книге Е. Г. Коновалова и В. А. Сидоренко.
Авторы надеются, что книга окажется полезной широкому кругу конструкторов и технологов различных отраслей машино строения.
Авторы будут благодарны за все замечания и пожелания, свя занные с содержанием книги, которые следует направлять по адресу: 109088, Москва, Ж-88, ЦНИИТМАШ, Отдел прочности материалов и конструкций.
Г л а в а I
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НА УСТАЛОСТЬ КРУПНЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Использование имеющихся зависимостей [34 ] для учета масштаб ного фактора при переходе от малых стандартных образцов к реаль ным деталям и конструкциям не всегда дает желаемые результаты при оценке сопротивления усталости крупных деталей сложной формы, делая расчет весьма приближенным.
Возникают серьезные проблемы в оценке действительной проч ности при переменном нагружении крупных деталей и элементов машин и конструкций в судостроении, тяжелом, энергетическом и химическом машиностроении. Поэтому в отечественной и зару бежной практике проявляется большой интерес к вопросам испы тания на усталость крупных деталей машин и моделей конст рукций.
Существует ограниченное число машин в СССР, США, Япош и, ФРГ, Англии и ЧССР, позволяющих испытывать на усталость крупные образцы и валы, оси подвижного состава железных дорог, коленчатые валы дизелей, роторы турбин и генераторов и другие детали и элементы машин и конструкций на моделях или натурных деталях.
Испытуемые образцы и детали в этих машинах нагружают с помощью рычажных, пружинных или гидравлических устройств, а также электромагнитными или инерционными силами. Машины, нагружающие образцы посредством рычагов или пружин, гро моздки и отличаются малой производительностью. Для испытания крупных образцов используют также гидропульсационные ма шины. Однако небольшая частота нагружения этих машин не позволяет использовать большие базы испытаний. Метод нагру жения крупных деталей при их испытании на усталость инер ционными силами наиболее прогрессивен и позволяет создавать значительные деформации образца при незначительной затрате сил.
Некоторые отечественные лаборатории оснащены машинами, позволяющими проводить испытания на усталость при изгибе и кручении крупных образцов, натурных деталей машин и моделей конструкций. Эти машины разработаны в ЦНИИТМАШе, Инсти туте электросварки им. Е. О. Патона, во Всесоюзном научно-
исследовательском |
тепловозном институте, Физико-механиче |
ском институте АН |
УССР. |
Ниже рассмотрены специальные отечественные и зарубежные машины, предназначенные для испытания на усталость крупных образцов и деталей.
1. ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Инерционные машины. Работа машин конструкции ЦНИИТМАШ основана на использовании эффекта динамического усиления коле баний нагружающих масс, вызываемых инерционным вибратором. По виду нагружения машины разделяют для испытания на изгиб и кручение при симметричных циклах. Машина У-200 [44] кон струкции С. И. Яцкевича [А. с. № 110321 (СССР)] позволяет испытывать при круговом изгибе неподвижные цилиндрические образцы, оси, валы, модели роторов диаметром 200—250 мм. В процессе испытания образец совершает круговые изгибные коле бания по симметричному циклу, не подвергаясь вращению, а век тор нагрузки вращается относительно оси образца. Основными узлами машины являются: колебательная система (осциллятор), инерционный вибратор с приводом, станина, подъемное устрой ство и пульт управления.
Колебательная система машины состоит из испытуемого об разца 2 (рис. 1) с закрепленными по его концам двумя равными или близкими по величине нагружающими массам 1 и 3, выпол ненными в форме дисков диаметром 1,1 м и толщиной 400 мм. Внутри каждого диска помещаются комплекты кольцевых тарельчатых пружин 6, состоящих из внешних пружин диаметром 800/530 и внутренних диаметром 530/260 мм. При распрямлении тарельча тые пружины, упираясь внешним контуром в выточки дисков, внутренним контуром обжимают головки образца. Таким образом, можно многократно собирать и разбирать образец без повреждения поверхностей контакта. Такая конструкция крепления образца в корне отличается от существующих способов крепления крупных образцов в испытательных машинах, выполняемых главным обра зом в виде различного рода прессовых соединений, значительно удорожающих испытания.
Вибратор 7 представляет собой массу, эксцентрично располо женную на конце пальца, выступающего из нижней нагружающей массы /. Вибратор состоит из двух эксцентриков с одинаковым эксцентриситетом и позволяет регулировать эксцентриситет от нуля до максимального значения р = 40 мм.
Крутящий момент от электродвигателя постоянного тока 9 к вибратору передается через карданный вал 8. Колебательная система машины установлена на станине 5 с помощью восьми мягких винтовых цилиндрических пружин 4, которые обеспечи вают свободу колебаний верхней и нижней нагружающих масс, а также позволяют устранить передачу вибрации на конструкцию станины и фундамент.
Испытуемый образец и электродвигатель с вибратором рас
положены вертикально; ось вращения вибратора совмещена
с осью образца и осью электродвигателя. При таком расположении осей образца, нагружающих масс и оси вращения неуравнове шенной массы вибратора форма колебаний системы представляет собой периодический поворот верхней и нижней нагружающих масс около начального положения в противоположных направле ниях на некоторые углы срх и ср2. Инерционные силы, возникающие при таких поворотах нагружающих масс, передаются на образец и деформируют его.
Возмущающая сила, возникающая при вращении вибратора, пропорциональна квадрату угловой скорости вращения неуравно вешенной массы и вызывает в системе вынужденные гармонические колебания. Амплитуда возмущающей силы Q = шрсо2, где со — угловая скорость массы т вибратора; р — расстояние центра тя жести массы т от оси вращения.
При наиболее |
употребительных |
режимах работы |
машины, |
|
при |
эксцентриситете р = 30 мм и |
частоте вращения вибратора |
||
п = |
2500 об/мин |
|
|
|
|
Q = тр |
) 2= 12,2 •0,03 х |
( 3,14302500) 2~250 |
кН. |
Величину изгибающего момента, действующего на образец при работе машин, изменяют варьированием угловой скорости эксцентрика или смещением массы эксцентрика относительно оси вращения.
При увеличении частоты вращения вибратора возрастает на грузка на образец, и, таким образом, достигается требуемая при испытании величина деформации образца, которая поддерживается на заданном режиме на все время испытания.
Отношение собственной частоты колебаний к частоте, создава емой вибратором, не должно превышать определенного значения, обеспечивающего устойчивую работу машины. Достаточно устой чивыми являются режимы работы машины, при которых частота колебаний, создаваемая вибратором, составляет ~ 0 ,8 собственной частоты.
Техническая характеристика машины У-200 следующая: собственная частота колебаний 58 Гц или 3500 кол/мин; частота колебаний, создаваемая вибратором, от 12,5 до 50 Гц, или 750— 3000 кол/мин; масса одного нагружающего диска ~3000 кг; размеры установки в плане 1,5 X 4,5 м; мощность приводного электродвигателя 16 кВт.
Машина У-200 предназначена для испытаний на усталость при изгибе по симметричному циклу цилиндрических образцов сплошных и полых осей и валов диаметром 200—250 мм. Эти испы тания позволяют изучать влияние различных факторов на проч ность металлов: различного рода концентраторов напряжений (надрезы, галтели, резьба, шпоночные пазы, отверстия); поверх ностного упрочнения (дробеструйная обработка, обкатка роликом,
механическая чеканка и др.); термической и химико-термической обработки; состава и структуры сталей и чугуна, титановых спла вов и т. п.
Образец, помимо обычного исполнения, может представлять
собой узлы |
различных конструкций типа |
прессовых, |
сборных |
и сварных |
соединений. |
и УП-300 |
конструк |
Машины УП-20, УП-30, УП-50, УП-200 |
|||
ции С. И. Яцкевича и В. М. Андренко [А. с. № 106506 (СССР)] позволяют изгибать в одной плоскости по симметричному циклу призматические образцы сечением соответственно 20 X 30, 30 X X 40, 50 X 75, 200 X 300 и 300 X 400 мм. Таким образом, на этих машинах можно изучать влияние абсолютных размеров образцов на сопротивление усталости металлов в широком диапа зоне — от малых образцов сечением 20 X 30 мм до крупных образцов сечением 300 X 400 мм.
Использование эффекта динамического усиления колебаний в машинах позволяет значительно нагружать образец при малой затрате мощности.
Машина УП-300 (рис. 2) [1 ] в сравнении с другими машинами для испытаний крупных образцов имеет малые размеры, простое устройство, бесшумна в работе, надежна в эксплуатации и обеспе чивает постоянство нагружения.
Машина УП-300 имеет колебательную систему, инерционный вибратор с приводом, станину, пульт управления, передвижную насосную станцию с гидравлическим приспособлением для за тяжки образца и обслуживания тарировочного устройства.
Образец 8 вместе с закрепленными по его концам двумя нагру жающими траверсами 9, выполненными в форме прямоугольных параллелепипедов, представляет собой колебательную систему. Она установлена на восьми винтовых цилиндрических пружи нах 3 (малой жесткости) так, чтобы траверсы могли свободно со вершать колебания в горизонтальной плоскости относительно продольной оси образца. Такая установка колебательной системы устраняет возможность передачи колебаний на окружающие машины и здания, а также исключает необходимость изготовления массивного фундамента. Образец закрепляют с помощью рычаж ных захватов, встроенных в нагружающие траверсы. Эти захваты состоят из клиньев 7, рычагов 4 и сухарей 5. При закреплении образца сухари сближаются стяжными шпильками 6 и выпря мляют рычаги. Подтягивание клиньев и сближение сухарей производится специальным гидравлическим приспособлением 11 от насосной установки высокого давления 10.
Вынужденные колебания системы создаются инерционным вибратором ненаправленного действия, который вмонтирован
водну из нагружающих траверс машины. Вибратор имеет корпус,
вкотором в подшипниках качения установлен вал с закреплен ными на нем грузами-эксцентриками. Общий эксцентриситет вра щающихся эксцентриков можно регулировать от нуля до заданной
