6.3. Порядок проведения работы
Данная работа выполняется в два этапа. На первом этапе проводятся лабораторные испытания образцов деталей на усталостную прочность, по результатам которых строится кривая усталости материала детали и определяются её показатели , N0, m (6.2). На втором этапе производится расчёт ресурса конкретной детали машины по критерию долговечности.
При изучении усталостной прочности наибольшее распространение получили лабораторные испытания образцов при знакопеременном симметричном цикле изменения напряжений, при котором их материал имеет меньший предел выносливости , чем при асимметричных циклах.
Схема стенда для испытания на усталость вращающегося образца при чистом изгибе, то есть при изгибе со знакопеременным режимом нагружения, приведена на рис. 6.4. В качестве таких образцов могут использоваться оси, пальцы и др. детали, применяемые в машинах для опоры отдельных деталей и узлов.
Рис. 6.4. Схема стенда для испытания образцов деталей на усталость и эпюра изгибающих моментов, действующих на вращающийся образец
Образец 1 по концам закрепляют в центрах шпинделей 2 и 3, установленных в корпусах шпиндельных бабок 4 и 5, имеющих опорные подшипники 6. Корпуса шпиндельных бабок внешними концами опираются на подшипники 7 и 8, установленные в гнёздах и на плоскостях стоек станины стенда. Таким образом, левая шпиндельная бабка может поворачиваться вокруг опоры 7 в вертикальной плоскости, а правая – поворачиваться и одновременно перемещаться в этой же плоскости на опоре 8. Испытуемый образец 1 и шпиндели 2 и 3 образуют единую жёсткую систему. Для создания необходимого изгибающего момента на испытуемом образце нагрузка от свободно подвешенных грузов 9 передается через систему рычагов и серьги 10 на шпиндельные бабки 4 и 5. Вращение шпинделей и образца осуществляется от электродвигателя 11 через соединительную упругую муфту 12. Испытуемый образец, закреплённый в шпинделях и приводимый во вращение от электродвигателя, испытывает от постоянно действующих через рычажную систему грузов 9 повторно-переменные (знакопеременные) напряжения изгиба с симметричным циклом нагружения.
Большое влияние на предел выносливости материала оказывает форма и состояние поверхности образца. Гладкие образцы испытывают для выявления наибольшего предела выносливости, который зависит только от свойств самого материала. При исследовании чувствительности материала к концентрации напряжений проводят испытания на усталость образцов, имеющих надрезы разной формы (острый, полукруглый, галтель, отверстие).
Для построения кривой усталости и определения предела выносливости испытывают не менее десяти образцов. Первый образец испытывают при напряжении, заведомо превышающем предел выносливости. При испытании второго и последующего образцов напряжения каждый раз снижаются. На уровне предела выносливости должно быть испытано не менее двух образцов.
Ориентировочный
вес свободно подвешенного груза Q
для испытания первого образца (величина
максимально допустимого груза)
определяется из условия прочности
образца по пределу текучести его
материала
.
Максимальное напряжение изгиба образца
(6.4)
где
момент сопротивления образца
(
- диаметр образца).
(6.5)
(6.6)
Тогда
(6.7)
где d в мм; в МПа; L, l, f – плечи действия сил по схеме на рис. 6.4, мм.
Поскольку одному обороту вала электродвигателя стенда соответствует один цикл нагружения образца, то общее число циклов нагружения образца до момента его разрушения определяется по формуле
(6.8)
где
– частота вращения вала электродвигателя,об/мин
= мин-1;
– продолжительность испытаний одного
образца до его разрушения, ч.
Для каждого образца
устанавливают свою нагрузку
,
которой соответствует напряжение изгиба
в опасном сечении образца:
(6.9)
Образец испытывают
до его разрушения в течение
часов, что соответствует числу циклов
нагружения:
Полученные
значения
и
наносят
на график
(см.
рис. 6.3, а).
На втором этапе работы производится расчёт ресурса детали механической системы по критерию долговечности (усталостной прочности).
Расчет необходимо вести в следующей последовательности.
1. Преподавателем задаются исходные данные: схемы силовой загрузки детали; геометрические параметры схемы загрузки и детали; материал детали; режим нагружения детали.
2. Определяется длительный предел выносливости материала детали для заданного режима её нагружения по результатам лабораторных исследований образцов или по рекомендуемым зависимостям:
-при растяжении
;
-при изгибе с r
= -1
;
- при кручении с
r=
-1
,
где
– предел прочности материала детали.
3. По результатам лабораторных испытаний или по табл. 6.1 принимаются значения показателей N0 и m.
4. По схеме силовой загрузки детали определяется число циклов нагружения детали в единицу времени nц (с-1).
5. По схеме силовой
загрузки детали определяется напряжение
в опасном сечении (ограниченный предел
выносливости детали )
.
6. Определяется
ограниченная усталостная долговечность
детали (число циклов перенагружения)
:
.
(6.10)
7. Определяется ресурс детали:
(час).
(6.11)
По расчётной величине ресурса детали, т.е. её долговечности, делается вывод о целесообразности использования её в машине.