книги / Усталость крупных деталей машин

станов 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

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.

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-

с надетым на одной стороне колесным центром и бандажом. Одно­ стороннюю колесную пару прикрепляют к вращающейся план­

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

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

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