книги / Усталость крупных деталей машин
..pdfстанов и др.) для машины УП-300 были дополнительно разрабо таны соответствующие комплекты захватов для крепления деталей. В результате наличия этих захватов на машине УП-300 можно испытывать крупные модели роторов диаметром 380 мм и длиной 2,4 м, турбин и генераторов мощностью 500 и 1000 МВт, а также секций натурных коленчатых валов с шатунной шейкой диаметром 320 мм мощных судовых дизелей (рис. 3).
Техническая характеристика машин УП-300: мощность приводного электродвигателя 15 кВт; масса колебательной си стемы 22 650 кг; общая масса установки 26 880 кг; размеры уста новки — длина 2,65 м, ширина 2,8 м, высота 2,6 м.
По проектам ЦНИИТМАШа в ЧССР построены испытательные
машины моделей |
У-200 и УП-200 |
и в ПНР — машины модели |
||
УП-50. |
|
|
|
|
Машины УК-40 |
и |
УК-200 конструкции С. И. Яцкевича и |
||
В. М. Андренко |
[А. |
с. |
№ 114067 |
(СССР)] позволяют проводить |
испытания на кручение при симметричном цикле цилиндрических образцов диаметром соответственно 40—60 и 200—260 мм. На машине УК-200 [14 ] можно испытывать помимо крупных образцов валы двигателей внутреннего сгорания, оси подвижного состава, торсионные валы, валы гребных винтов, секции коленчатых валов и отдельные узлы машин, которые можно закрепить в захватах машины.
Машина УК-200 (рис. 4) имеет колебательную систему, инер ционный вибратор с приводом, станину, пульт управления.
В колебательную систему входят образец 11 с закрепленными по его концам массивными нагружающими траверсами 10, вы полненными в виде прямоугольных параллелепипедов, которые установлены на восьми винтовых цилиндрических пружинах 3. Нагружающие траверсы совершают крутильные колебания отно сительно оси образца.
Образец крепят в траверсах с помощью клеммовых захватов. Траверсы состоят из толстых пластин с продольными сквозными пазами, идущими от отверстия для установки образца к краю пластин. Пластины собраны в пакет, стянутый шпильками. Клеммовое соединение, стягиваемое резьбовыми шпильками 1У допу скает многократную смену образцов без повреждения контактных поверхностей клеммового захвата. Для облегчения установки и снятия образцов клеммы траверс раскрываются отжимными бол тами 2. Шпильки затягивают с помощью специального гидравли ческого устройства, работающего от масляного насоса высокого давления.
Нагружение образца крутящим моментом осуществляется инер ционными силами, возникающими при колебании нагружающих траверс. Вынужденные колебания системы создаются двумя вибра торами 9, представляющими собой неуравновешенную массу 12, эксцентрично закрепленную на валу. Эксцентриситет массы регу лируется в определенных пределах от нуля до заданной величины.
3350
2 |
1 |
A-к |
42
Рис. 4. Конструктивная схема машины УК-200 для испытания на усталость при кру чении валов диаметром до 260 мм
Оба вибратора установлены по концам одной из нагружающих траверс колебательной системы и приводятся во вращение авто номными электродвигателями 7 постоянного тока. Варьируя частоту вращения и величину эксцентриситета неуравновешен ной массы, можно получать в образце необходимую амплитуду напряжения кручения при наиболее выгодном коэффициенте динамического усиления колебаний.
Приводные электродвигатели связаны с вибраторами кардан ными валами 8. Валы вибраторов связаны между собой кинемати чески таким образом, что их неуравновешенные массы постоянно вращаются в противоположных фазах, т. е. с углом сдвига ср = = 180° Для осуществления этой кинематической связи электро двигатели соединены посредством червячных редукторов 6, вы ходные валы которых жестко соединены с промежуточным валом 5. Вся установка смонтирована на раме 4.
Техническая характеристика машины УК-200: мощность одного приводного электродвигателя 6,6 кВт; масса колебательной си стемы около 16 000 кг; общая масса установки около 20 000 кг; максимальное число колебаний в минуту 900; размеры уста новки — длина 3,4 м, ширина 3,8 м, высота 1,1м.
Рассмотренные машины позволяют испытывать образцы и мо дели в широком диапазоне их поперечных сечений от диаметра 40 и 50 X 75 мм вплоть до ультракрупных сечений диаметром 400 и сечением 300 X 400 мм. На этих машинах выполнен значитель ный объем исследований. Результаты исследований позволили уточнить коэффициенты запаса прочности при переменном нагру жении, создать надежные детали и элементы и в ряде случаев снизить металлоемкость машин.
Результаты исследований сопротивления усталости образцов и моделей в ЦНИИТМАШе на крупных испытательных машинах были реализованы при проектировании и строительстве элементов мощных прессов усилием 300, 650 и 750 МН, сборных и сварных роторов турбин и генераторов мощностью 500— 1000 МВт, колен чатых валов мощных судовых дизелей, гребных валов супертан керов и т. д.
Инерционная машина типа УКВ-180 разработана Всесоюзным научно-исследовательским тепловозным институтом (ВНИТИ) совместно с ЦНИИТМАШ на основе идеи, использованной в ма шине типа УП-200. Машина предназначена для испытаний на уста лость при изгибе образцов в одной плоскости по симметричному циклу [6]. Способ нагружения образцов инерционный. На ма шине можно испытывать натурные валы или модели ступенчатых или коленчатых валов, роторов, а также отдельные сборочныэ единицы, имеющие соответствующие головки для закрепления в захватах. Машина УКВ-180 (рис. 5) имеет: станину У, предста вляющую собой сварную коробчатую конструкцию из фасонного проката; колебательную систему, состоящую из двух вертикаль ных маятников 2 и «3, к которым крепят образец, опирающийся
Рис. 5. Конструктивная схема машины У КВ-180 для испытаний на усталость при изгибе
на станину через цилиндрические пружины 4\ механический эксцентриковый вибратор 5 ненаправленного действия; ось вибра тора, соединенную гибким шлангом с осью электродвигателя 6 постоянного тока мощностью 10,5 кВт с регулируемой частотой вращения.
Подвеска колебательной системы практически свободная и не передает колебаний на станину и поэтому не требует специального фундамента. Нагружающие маятники с пружинами установлены на опорах, которые можно передвигать и закреплять в пазах станины, что позволяет регулировать расстояние между массами
всоответствии с различной длиной образца. Маятники выполнены
ввиде сварной коробки, в нижней части которой крепят набор сменных грузов (пластин) для изменения частоты собственных колебаний. Образец к маятникам крепят при помощи крышек, стальных вкладышей и шпилек. Опыт длительной эксплуатации этих машин [6] показал, что предложенный способ крепления образцов весьма надежен и не повреждает поверхностей контакта.
Производительность машины ограничивается частотой соб ственных колебаний системы и составляет 1800 цик/мин.
Необходимые амплитуды напряжений в образце обеспечи ваются соответствующим выбором угловой скорости вибратора и величины эксцентриситета его неуравновешенной массы. Массу колебательной системы и частоту колебаний выбирают такими, чтобы при установившейся работе достигалось приблизительно пятикратное усиление, что обеспечивает возможность построения полной кривой усталости. Максимальная амплитуда изгибающего момента в машине достигает 100 кН-м.
Машина успешно эксплуатируется во ВНИТИ. На ней про ведено значительное число испытаний коленчатых валов с диа метром коренных шеек 204 мм тепловозных двигателей.
Инерционные машины для испытаний на усталость осей желез нодорожного подвижного состава. Во Всесоюзном научно-иссле-
ее часть можно перемещать вдоль рамы по направляющим опорам качения. Опоры созданы для компенсации перемещений от изгиба образца, а также для отвода правой части установки при монтаже и поломке образца. Эти опоры имеют ролики 9, воспринимающие нагрузку от подвижной части машины и катков 10, передающих рабочую нагрузку от стоек 4 на неподвижную фундаментную раму 11. На один шпиндель 2 насажен шкив 1 клиноременной передачи привода.
Для испытаний на коррозионную усталость в машине имеется устройство 12, состоящее из ванны, камеры и специальных аппара тов, обеспечивающих с помощью насоса подачу электролита фон танным методом к рабочей части образца.
Техническая характеристика машины УФМИ-200: частота вращения шпинделя 150—590 об/мин; мощность приводного элек тродвигателя 100 кВт; размеры установки — длина 22 м, ширина 3,5 м, высота 2,5 м; масса установки 70-103 кг.
Электромагнитная вибрационная машина с электромагнитным наведением колебаний разработана и успешно эксплуатируется в Институте электросварки им. Е. О. Патона [43]. Она предназна чена для испытания на изгиб плоских консольных образцов сече нием до Ы 0 ~ 2 м2 при любом цикле напряжений с частотой до 44 Гц. Колебания образца вызываются и поддерживаются перемен ными силами притяжения электромагнита, возникающими при прохождении магнитного потока через образец. Электромагнит питается переменным током от генератора с регулируемой ча стотой.
Амплитуду колебаний образца подбирают изменением вели чины силы тока, протекающего по обмоткам электромагнита.
При дополнительном включении мощного электромагнита, питаемого генератором постоянного тока, можно создавать опре деленную постоянную составляющую напряжения в образце. Варьированием соотношения постоянной и переменной составля ющих напряжений можно получать различные коэффициенты асимметрии цикла. Заданное напряжение подбирают с помощью электрических датчиков сопротивления, наклеенных на образце.
Проведенное обобщение показывает, что отечественные лабора тории располагают мощной экспериментальной базой для оценки сопротивления усталости крупноразмерных деталей машин и элементов конструкций. Результаты испытания крупных пластин и цилиндрических образцов на описанных отечественных машинах позволяют надежно экстраполировать усталостные характери стики на натурные крупногабаритные элементы толщиной до 500 мм и различного рода валы диаметром 500—700 мм.
2. ЗАРУБЕЖ НЫЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Машина фирмы Тимкена для испытания на усталость железно дорожных осей. Машина позволяет вести испытания при изгибе двух консольных осей одновременно. Каждую ось испытывают
с надетым на одной стороне колесным центром и бандажом. Одно стороннюю колесную пару прикрепляют к вращающейся план
шайбе 34 |
болтами, проходящими через специальные отверстия |
в ободе |
колеса. Шейка оси входит в углубление планшайбы, |
не соприкасаясь с последней. Оси изгибаются от пружинного нагружения по концам. Максимальные размеры испытуемых осей: диаметр 355 мм, длина до 2,5 м. Шпиндель машины вращается в роликовых подшипниках. Приводной электродвигатель имеет мощность 55 кВт и частоту вращения до 1000 об/мин.
На этой машине выполнены обширные по объему исследова ния [481. Было исследовано влияние на сопротивление усталости железнодорожных осей различных факторов: размеров образцов, состояния их поверхности, концентраторов напряжений в виде прессовых посадок и галтелей, фреттинг-коррозии, упрочняющей обкатки, термообработки.
Машина для испытания крупных образцов на усталость при чистом изгибе с вращением. Существенным недостатком конструк ции машины [9] является применение громоздких образцовшпинделей диаметром 254 мм, длиной 6,64 м, что требует чрез мерных затрат при их изготовлении и приводит к нерациональ ному использованию материала. Рабочая часть исследуемых валов относительно небольшая и составляет 610 мм. На этой машине испытывали два типа образцов: гладкие диаметром 228,6 мм с радиусом закругления R = 305 мм и образцы с кольцевой вы точкой радиусом R = 3,18 мм с диаметром по выточке 215,9 мм.
Нагрузка прилагается к валу путем смещения с линии центров двух средних подшипников с помощью клинового устройства с болтом. Использование такого устройства делает систему нагру жения малоупругой и тем самым не обеспечивает высокую точ ность и стабильность нагружения. Приложенная нагрузка изме ряется четырьмя тензометрами сопротивления с соответствующей регистрацией записывающими приборами.
Электродвигатель имеет мощность 44 кВт и 1760 об/мин.
Инерционные машины для испытаний на кручение крупных валов. Машины [46] позволяют испытывать на кручение по сим метричному циклу ступенчатые валы диаметром 76, 143 и 248 мм. Диаметры цапф, устанавливаемых в захватах, превышают диа метры рабочей части вала в 1,65 раза. Две нагружающие массы, расположенные параллельно, закрепляют неподвижно на цапфах ступенчатых валов. Нагружающие массы изготовлены из тяжелых сварных коробчатых балок. Балки свободно подвешены в среднем положении на проволочных тросах.
Неуравновешенные массы установлены в одной из коробчатых балок и приводятся во вращение через соединительную муфту электродвигателем с регулятором скорости от электронного тира трона.
Глава II
УСТАЛОСТЬ КРУПНЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПРИ ИЗГИБЕ
1. О МЕТОДИКЕ ИСПЫТАНИЙ НА УСТАЛОСТЬ
Экспериментальным определением характеристик усталостной прочности машиностроительных материалов и моделей деталей машин занимается в Советском Союзе большое число лабораторий
внаучно-исследовательских институтах, вузах и на заводах.
Врезультате изучения усталостных свойств материалов и де талей машин делаются важные в научном и практическом отноше нии выводы о природе усталостного разрушения, о влиянии со ставов, форм, размеров исследуемых материалов, а также выраба тываются и проверяются всевозможные средства повышения сопротивления усталости. Обобщения испытаний на усталость весьма ценны в проблеме обеспечения качества, прочности и долго вечности изделий металлообрабатывающей и машиностроительной
промышленности. Однако вследствие больших трудозатрат и весьма больших расходов, связанных с исследованием усталости металлов, возникает необходимость в рационализации методов испытаний. Ниже изложены некоторые соображения по этому
поводу.
1. Следует обратить внимание на сравнительно малое исполь зование при оценке свойств усталости хорошо коррелирующих между собой величин пределов выносливости и временного сопро тивления разрыву сталей. Для гладких образцов (диаметром 8—10 мм) углеродистых и легированных сталей предел выносли вости при изгибе по симметричному циклу может быть с высокой степенью точности определен из зависимости типа ов1 = а Ьов. Так, С. Л. Жуков на основании статистических обработок боль
шого количества опытных данных (Гафа, |
Одинга, Мура, |
Лера |
и своих) рекомендует зависимость ог_х = 3,8 |
-f- 0,43ав для |
сталей |
спрочностью до 1400 МПа.
Впределах точности, вполне удовлетворяющей практику, можно считать, что указанные отношения одинаковы для легиро ванных и углеродистых сталей. Их можно заменить и более про
стой зависимостью (Х_х = |
0,46<хп, которая изображена |
на рис. 8 |
в виде прямой на фоне |
экспериментальных точек, |
собранных |
С. Л. Жуковым. Едва ли можно рассчитывать на погрешность ме нее =i=7% при непосредственных испытаниях на усталость если их выполнять (в соответствии с ГОСТ 23207—78) на сериях образцов