книги / Усталость крупных деталей машин

о (МПа) в шве

ружены трещины, появившиеся до испытаний. Происхождение этих трещин, по-видимому, следует объяснить температурными перепадами при термообработке вследствие резкого различия массы диска и концевика, хотя не исключена вероятность появле­ ния этих трещин и в результате процесса сварки. Разрушение происходило по разнородным швам вблизи подкорневой зоны со стороны концевика.

Модели ротора ЗА и 2Б с большей податливостью (/2 = 110 мм) сопрягаемых элементов (рис. 57, б) и сварными стыками без под­

o’ = 34, 65, 80 и 100 МПа. Трещина усталости возникла в корневой части нижнего шва от подкладного кольца со стороны концевика. Разрушение модели 2Б (см. рис. 57, б, г) произошло при нагруже­ нии изгибающим моментом УИ4 = 50,3 кН-м, после того как она прошла без повреждения на трех ступенях нагрузки в общей сложности 40 млн. циклов. Излом произошел по стали Х16Н25М6 на значительном расстоянии от верхнего шва. Все три шва остались неповрежденными. Трещина усталости возникла внутри модели у места сопряжения галтельной и цилиндрической частей конце­ вика.

Сравнение данных испытаний сварных и сборных на штифтах моделей роторов (см. гл. VI) показывает, что изготовление роторов для заданных условий эксплуатации в сварном варианте более рационально.

Деконцентраторы напряжений. В ЦНИИТМАШе было предло­ жено повышать сопротивление усталости сварных роторов турбин и генераторов созданием искусственных деконцентраторов в виде кольцевых проточек в области сварного соединения [4]. При та­ ком решении конструкции соединения снижается уровень напря­ женности в корневой части шва, где возможны непровары, тре­ щины, поры и другие дефекты сварки, а также неблагоприятные остаточные напряжения. Кольцевые проточки помогают также проведению дефектоскопирования корневой части шва. Кроме того, введение в корневую часть проточек содействует стабилиза­ ции проплавления при сварке вследствие ограничения тепло­ отвода в корне шва.

Известны и другие способы создания искусственных декон­ центраторов в элементах сварных конструкций в виде выкружек и отверстий в местах образования высокой концентрации напря­ жений, вызванной сваркой (около начала и окончания шва, в ме­ стах пересечения швов и др.).

При выборе рациональной конструкции сварного соединения в корневой части шва требовалось исследовать влияние на сопро­ тивление усталости многих факторов, таких, как композиция и ширина зоны наплавки в корневой части шва, цилиндрическая полость в прикорневой зоне, остающееся подкладное кольцо, гео­ метрические параметры проточек, шероховатость поверхности проточек и др.

Если принять во внимание значительную разницу в величинах эффективного коэффициента концентрации напряжений в зоне корня шва Ко и в вершине деконцентратора К'а, то можно ожидать положительный эффект от деконцентраторов даже при весьма глубоком их проникновении в толщу металла.

Предельную глубину деконцентраторов у корневой части одно­ сторонних швов можно определить, исходя из следующих сообра­ жений (рис. 58).

Отношение предельных опасных для конструкции амплитуд напряжений в зонах у вершины деконцентратора о' и у корня

Вместе с тем можно считать, что это отношение предельных напряжений будет прямо пропорционально отношению соответ­ ствующих эффективных коэффициентов концентрации напряжений и обратно пропорционально отношению площадей поперечных се­ чений в соответствующих зонах (для случая, если элемент работает

При указанных условиях глубина деконцентраторов может достигать половины высоты сечения рассматриваемого сварного бруса.

Если сварной брус работает не на осевое растяжение, а на изгиб, то условие, определяющее предельную величину декон­ центраторов, примет вид

К° < 1

*(‘Ч г)'*'а

и

(1 —|!.)г>0,5,

откуда

т. е. глубина деконцентратора при этих условиях может быть выбрана в пределах до 30% высоты сечения бруса.

Предварительно проведенные испытания небольших цилиндри­ ческих полых сварных образцов 0 70/25 мм из стали 25ХНЗМФА (рис. 59) показали [5], что сопротивление усталости существенно зависит от конструкции корневой части соединения и возможных технологических дефектов сварки в корне шва. Образцы с под­ кладным кольцом (тип II, а) сваривали электродами ЦЛ-30 (от = = 530 МПа). В остальных образцах выполняли предварительную

мовым электродом с присадкой проволоки Св-ЮХМ.

П р и м е ч а н и е . o_i — предел выносливости полых образцов 0 50/25 мм из ос­ новного металла; а_1к — предел выносливости сварных образцов, рассчитанный по на­

пряжениям на поверхности образца в зоне сварного шва.

Последующее заполнение разделки электродами ЦЛ-30. После сварки образцы подвергали отпуску при температуре 600— 630 °С (10 ч).

Образцы типа II, б выполняли с полным и неполным пропла­ влением притупления корня шва.

С целью последующего рационального выбора для крупных моделей геометрических параметров проточек на образцах типа II, в и //, г предварительно было оценено влияние на сопротивле­ ние усталости кольцевых проточек с двумя предельными радиу­ сами — минимальным R — 3 и максимальным R = 20 мм.

Испытания образцов на усталость проводили при изгибе по симметричному циклу в одной плоскости на машине УП-50 на базе 107 циклов.

Использование аргонодуговой сварки для заварки корневой части шва позволило существенно (на 80%) повысить сопротивле­ ние усталости образцов в сравнении с образцами с подкладным кольцом (табл. 59).

Образцы с непроваром в корневой части шва при аргоно-

дуговой сварке имели такое же значение предела выносливости,

6) г)

Рис. 60. Виды разделок для односторонней сварки моделей роторов:

а — с остающимся подкладным кольцом; б — с цилиндрической подкорневой полостью

в — с кольцевыми проточками по наплавке; г — с кольцевыми проточками R = 4 и 8 мь по основному металлу

что и образцы с остающимся подкладным кольцом. Вве дение кольцевых проточек в корневую зону соединения npi аргонодуговой сварке приводило к переносу усталостного повре ждения от корневой части шва на поверхность проточек. Проточк; с малым радиусом (R = 3 мм) явилась сильным концентраторои напряжений и привела к существенному снижению предела вы

гости, как и для образцов с полным проплавлением корня шва Была исследована [4 ] роль деконцентраторов напряженш в корневой зоне одностороннего шва на сопротивление усталост)

на более крупных полых моделях диаметром 180/125 мм, длино: 1300 мм в связи с конструктивно-технологическими особенностям исполнения.

Предлагаемую конструкцию корневой зоны шва с кольцевым проточками (рис. 60, в, г) сравнивали с вариантами конструкци? содержащих остающееся подкладное кольцо (рис. 60, а) и цилиь дрическую полость в прикорневой зоне (рис. 60, б).

В моделях с остающимся подкладным кольцом корневые шв: выполняли электродами ЦУ-1.

Корневую часть шва в моделях со сварным соединением бе подкладного кольца выполняли аргонодуговой сваркой. Кромк корневой зоны предварительно наплавляли низколегированным электродами с целью обеспечения возможности сварки корневы швов без подогрева. Наплавку кромок проводили на заготовка моделей при подогреве до температуры 350—400 °С с последа ющим отпуском при 550—600 °С.

После сварки моделей проводили местный отпуск газовым горелками при температуре 550—600 °С и окончательный отпус

Результаты испытаний на усталость полых сварных моделей 0 180/125 мм стали 25ХНЗМФА [4]

В этом случае для моделей с проточками а_х = 45 МПа повысился почти в 2 раза в сравнении с а_х = 24 МПа для моделей с цилин­ дрической полостью без кольцевых проточек.

Для моделей с узким и широким участком наплавки корневой зоны (см. рис. 60, в, г) с полным проплавлением и при наличии дефектов в корне шва установлены [4 ] оптимальные размеры про­ точек R = 8 мм, Д/i = 7,5 мм, обеспечившие существенное повы­ шение сопротивления усталости моделей и переход разрушения в сечение проточек с началом развития усталостной трещины от дна проточек.

Предел выносливости моделей с наплавкой кромок корневой части электродами ЦЛ-49-1 (ат = 500 МПа) превысил на 40% значение предела выносливости ст_х = 50 МПа моделей с наплав­ кой электродами ЦУ-1 (сг_1 = 320 МПа).

Наибольший предел выносливости (а_х = 105 МПа) был до­ стигнут для моделей с узкой зоной наплавки с расположением дна проточки в основном металле (сгт = 605 МПа) в сравнении с пре­ делами выносливости моделей, в которых проточки располагали в металле наплавки (с широкой зоной наплавки).

плавки корневой зоны с проточкой в основном металле было до­ стигнуто на 39% большее сопротивление усталости (<з_х = 92 МПа) по сравнению с моделями с широкой зоной наплавки с располо­ жением проточки в зоне наплавки (сг_х = 66 МПа).

На основании полученных опытных данных по испытанию на усталость полых сварных моделей различных диаметров Did —

Масштабный коэффициент при переходе от малых образцов диаметром 70/25 мм к крупным моделям диаметром 340/280 мм из стали 25ХНЗМФА составил е0 = 0,65.

Наведение средних сжимающих напряжений резьбовой стяжкой. Опытами ЦНИИТМАШа установлено [5], что сопротивление уста­ лости сварного ротора можно существенно повысить созданием в сварном соединении сжимающих напряжений (стягиванием резь­ бовой стяжкой).

Испытания на усталость проводили на сварных моделях раз­ личных размеров диаметром Did — 70/40 мм (из стали 45), 175/85 мм (из стали 40ХН2МА) и диаметром 380/257 мм (из стали 25ХНЗМФА), стянутых резьбовой стяжкой (рис. 62).