автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Уточненная оценка сопротивления усталости и трещиностойкости валов при двухосном нагружении

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ АРМЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНШЕРШЙ УНИВЕРСИТЕТ АВШШ

РГ в од

На правах рукопяса Экз. Я

ШАЦШШШ АЕШ СТЕПАНОВИЧ

УДК 669.14:620.178.1

УТОЧНЕННАЯ ОЦЕНКА СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСШ ВАЛОВ ПРИ ДВУХОСШ НАГРУШШ

(Специальность М-О&пШг- Машиноведение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени яавдидага технических наук

ЕРЕВАН - 1996

Работа выполнена в сектора машиноведения Государственного инженерного университета Армении

Научный руководитель

- кандидат технических наук, доцент СТШН М.Г.

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор САРКИСЯН Н.

- кандидат технических наук, доцент дежрчян а.з.

Ведущее предприятие

- Акц.общ.закр.типа "Армадекгроыаш".

Защита состоится 28 июня 1996г. в 13.00 часов на заседании специализированного Совета А 034 Государственного инженерного университета Армении.

Адрес: 375009, Г.Ереван, ул.Теряна, 105. С диссертацией мохно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 28 мая 1996г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук, доцент М.Г.АРУТШШ

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАК1ЕРШТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение производительности, рабочих скоростей и энерговооруженности современных машин и технологи« ческого оборудования о одновременным уменьшением их материалоемкости привело к усилению напряженно-деформированного состояния ответственных деталей и сборочных единиц а выдвинуло задачу исследования их характеристик прочности, долговечности и надежности в новых условиях работы. Это положение, наряду с применением новых материалов и перспективных технологий, диктует необходимость учета всего резерва прочности и долговечности конструкций, что возможно реализовать лишь уточнением их расчетной методики, основанной на полном учете всех факторов, действующих на процесс усталостного разрушения материалов.

Ранее выполненные исследования по данной проблеме в подавлявшем большинстве относятся к простым случаям нагруаения я охватывают окончательный период усталостного разрушения. Предоогенныа расчетные методика и схемы насколько упрощены а на учитывав г вса особешоста процесса усталостного разрушения (стадийность процесса, непрерывное изменение "живом" сечения детали, наличие переменного слснно-напрязенного состояния, одновременное действие двух а более поврездавдах факторов и др.), в связи с чем до настоящего времени нет четких рекомендаций а методов расчета характеристик сопротивления усталости и трещшостойкости с учетом стадийности и статистической природы усталостного разрушения. Проблема дальнейшей минимизации массы конструкций вызывает необходимость разработка уточненной штодака расчета прочности, я долговечности ответственных дзталой с трещДнамд на основе изучения механизма образования д развитая усталостных микрогрещин.

Работа выполнена совместно с ИП5 АН Респ.Беларусь (г.Манск), ИНН АН Респ. Украина (г.Каев), ПО "Ариэлактромаш", НПО "Камень а оилакатн" (г.Ереван), НПО "ПоддшрклоЗ" и НПО "Автоматика" (Г.ВалядзорУ.

Цель а соиовннз задача исследования. Целью исследованйя является разработка .инженерных методов расчета характеристик сопротивления усталости л тращшостоЗкостз валов и соединений типа "вал-ступица", дозволяИнИх на этапа проектирования для всего интервала

многоцикловой усталости с учетом стадийности процесса усталостного разрушения производить уточненную оценку их прочности и долговечности с вероятностных позиций.

Основные положения, выносимые на защиту, можно сформулировать следующим образом:

- разработка методики комплексного экспериментального исследования, вклхяавдею изучение стадийности процесса усталости физическими методами, и реализация испытаний на усталость при переменно м сложно-напряженном состоянии (СНС - совместные циклический изгиб и статическое 1фучение);

- усовершенствование конструкций экспериментальной техники

и измерительной аппаратуры для изучения процесса трещинообразова-ния и реализация испытаний на усталость при СНС;

- математическое описание стадийности процесса усталости;

- создание методики уточненной оценки характеристик сопротивления усталости и трещикосгойкосги валов по отдельным периодам усталостного разрушения и программное обеспечение задачи;

- разработка нового технологического процесса для повышения сопротивления усталости и трещиносгойкостл методом нанесения полимерного покрытия.

Методы исследования. Основные выводы, сделанные по материалам работы, основаны на положениях теории вероятностей и математической статистика. Проверка статистических гипотез вариационных рядов опытных данных выполнена согласно положениям дисперсионного анализа и непараметрическим оценкам по ранговому коэффициенту корреляции Спирмена. Семейства квангильных линий повреждаемости по отдельным периодам разрушения проверены методами корреляционного анализа.

Для уточненной оценки относительной прочности и долговечности деталей использован метод сравнения областей рассеяния долговечности, заключавдийся в совместном решении уравнений семейств квантильных линий повреждаемости и кривцх усталости для сопоставимых серий испытаний образцов.

Испытания на усталость при CEC (вращавдиеся образцы) и испытания резьбовых соединений бурильных'труб максимально приближены к реальным условиям работы валов передаточных механизмов общемаши-ностроигельного назначения и груб нефтехимических производств. Ре-

гистрация момента возникновения и геометрических параметров развивающейся трещины произведена электроиндукционным методом с использованием чувствительных магнятоферроэондовых датчиков, способных регистрировать не только нарушение сплошности материала, но и изменение изотропного состояния поверхностных слоев на ранних этапах периодического нагруженяя.

Научная новизна. Проведено комплексное теоретико-эксперимен-тадьное исследование сопротивления усталости и трещиностойкоста валов передаточных механизмов, в рамках которого:

- предложена методика реализация модельных а натурных испытаний на усталость при СНС с параллельными измерениями параметров образовавшихся макротрещин;

- расширены функциональные возможности существующих конструкций машин для испытаний на усталость и предложены новые конструкции, поЕышашие надежность и быстродействие процесса кспыташй;

- уточнена методика расчета грещиносгойкоста белое при периодическом натруаении с учетом изменения геометрических параметров "живого" сеченая вала^

- доказана стадийность процесса усталостного разрушения и определены параметры каждого из четырех периодов процесса усталости;

- разработана методика расчета характеристик трещиностойкос-ти и сопротивления усталости методом построения семейств квантиль-яых ляниа поврездаемостд и кривых усталости по окончательному разрушению;

- предложены расчетные схемы для вероятностной оценки относительной прочности и долговечности валов по отдельным периодам усталостного разрушения с учетом вида напряденного состояния,масштабного эффекта, концентрации напрякенин и применения новых технологических процессов;

- доказана возможность применения композиционных полимерных клеев в зонах образования и роста усталостных микротрещин, благодаря челу достигнуто увеличение относительной, прочности и долговечности валов;

- реализовано программное обеспечение расчетов характеристик т'рещиностс&кости и сопротивления усталости валов.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанная методика комплексного исследования процесса усталостного

разрушения позволяет максимально приблизить испытания к реальным условиям работы валов и повысить информативность проведенных исследований. Построение семейств линий повреждаемости по периодам разрушения позволяет создать номограммы для оценки относительной прочности к долготечноетл валол л ка £го! осноб8 разработать вычислительные программы для автоматизации указанных расчетов, что и реализовано в рамках настоящего исследования.

Разработанная методика расчетной оценки характеристик трещи-ностойкосгн и сопротивления усталости применена в инженерных расчетах на прочность и долговечность залов с вероятностных позиций. Созданы алгоритм и вычислительная программа £М7Т1 (объем 64кБт) для выполнения указанных расчетов, которая зарегистрирована в ГФАЛ РФ в качестве стандартной.

Усовершенствованы узлы существующего оборудования и разработана новая конструкция машины, что позволяет реализовать испытания при "мягком" и "жестком" нагруженных в широком диапазоне изменения их параметров, повысить функциональные возможности а надежность работы оборудования. Указанные разработки защищены 5 авторскими свидетельствами РФ.

Разработаны состав и технология нанесения полимерного покрытия, позволяющего повысить трегциностойкость и сопротивление усталости валов.

Предложенные рекомендации реализованы в методике расчета валов электродвигателей малой мощности (ШО "Автоматика", г.Ванад-зор), благодаря чему, годовой экономический эффект за счет повышения надежности и сопротивления усталости валов составляет. 5,395 млн драм.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались, обсувдались и получили одобрение на: ежегодных научно-технических конференциях ЕрЩ за 1988-92гг.; П Респ. конф. асп. АрмССР (г.Ереван, 1987г.); I Респ. науч.-гехн.кон|>. "Повышение надежности и долговечности машин и сооружений" (г.Запорожье, 1988г.); Всесоюзн. конф. "Прочность материалов и'элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружения" (г.Киев, 1988г.); Респ. науч.-техн, ко^ф. "Молодежь и научно-технический прогресс в машиностроении" (г.Ереван, 1988г.); Всесоюзн. конф. с международным участием "Организация, ремонтного обслуживания технологического оборудования в машиностроении в условиях действия закона

СССР "О государственном предприятия-объединения (Ремонт-89)" (г.Ворошиловград, 1989г.); Ш Всесоюз. Симп. "Прочность материалов и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии" (г.Жатомир, 1909г.); Международ, науч.-техн.конф. студ., мол.уч. й спец. "Молодые ученые в решении комплексной программы научно-технического прогресса стран-членов СЭВ" (г.Киев, 1989г.); Ш Всесоюз. межотрасл. науч.-тех.конф. "Адгезионные соединения в машиностроения" (г.Рига, 1990г.); Меадународ. конф. "Зарождение и рост трещин в материалах а в керамике - роль структуры я окружающей среды" (Болгария, г.Варна, 1991г.).

Цублакйцид. По теме диссертации опубликовано 25 научных работ, в том числе получено 5 авт. свидетельств на изобретение РФ и I вычислительная программа зарегистрирована в МАП РФ.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 196 страницах, включает 49 рисунков и 29 ¡габлиц. Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы 211 наименований и приложений на 33 страницах. Обидай объем диссертации составляет 229 страниц.

Содержание работы

В первой главе произведен анализ исследований по изучению сопротивления усталости и трещиносгойкосги деталей пра простом и сложном нагруженаях. Показано, что разрушение является сгрук-гурно-чувствигельшм процессом, с увеличением нагрузки тело переходит из одного равновесного состояния к другому, а динамическое раскрытие мпкротрещаны трактуется как потеря устойчивости с последующим скачкообразным переходом в новое устойчивое состояние. Доказана стадийность процесса зарождения я роста усталостных микротрещин. В многочисленных исследованиях предложены различные стохастические модели возникновения и роста усталостных трещин в конструкциях. Статистический подход к оценке долговечности по условию роста трещины обычно представляется в виде произведения двух функций, первая из которых связана с коэффициентом интенсивности напряжений (КИН) Kj , а вторая характеризует случайную длину трещины и имеет логнорнальное распределение. В исследованиях последних лет накопление повреждений и рост трещин рассматривается как марковский процесс непрерывного или нестационарного типа.

Рассмотрены расчетные методы оценки характеристик грещияо-стойкости деталей, основанные на решениях краевых задач теории упругости, когда на вершине треданы образуется небольшая зона пластичности. На етой основе получены аналитические выражения для определения значений , которые уточнены для различных случаев нагружения. В качестве основной характеристики циклической трещиностойкости рассмотрена кинетическая диаграмма усталостного разрушения, которая описывает все стадии усталостного разрушения.

Проведен анализ работ, посвященных изучению сопротивления усталости при переменном сложно-напряженном состоянии (СКС).Рассмотрено совместное действие циклического изгиба и статического кручения, часто встречащееся в сечениях валов передаточных механизмов общемашинос трои тельного назначения. Изучено изменение компонентов напряженного состояния за цикл напряжений и величины отношения касательных и нормальных напряжений ^/б" , Еыбранного в качестве параметра нагружения . Рассмотрен вероятностный аспект усталости при СНС и изучены поверхности предельных напряжений, характеризующие прочность и долговечность валов в области многоцикловой усталости.

Рассмотрены экспериментальные методы изучения процесса усталостного разрушения деталей и оборудования для реализации подобных экспериментов. Показано, что наиболее перспективными является методы неразрушавщего -контроля, основанные на установлении изменения физических свойств материала (магнитной вязкости, проницаемости, электрояндуктивности и др.)', являщихся интегральными характеристиками структурных изменений и нарушений сплошности в процессе усталости. Изучены работы, в которых регистрацией изменения магнитных характеристик материалов установлена стадийность усталостного разрушения.

В результате проведенного обзора и анализа состояния вопроса сформулированы следующие задачи исследования:

1. Усовершенствование методики и оборудования для реализации комплексного исследования процесса зарождения и роста трещин, а также испытаний на усталость при переменном СНС;

2. Уточнение методики расчета характеристик трещиностойкости материалов с учетом характера изменения номинальных напряжений

при периодическом нагружении;

3. Разработка расчетной методики оценки характеристик прочности и долговечности валив с учетом стадийности процесса усталости и при действии различных повреадащих факторов;

•4. Разработка нового технологического процесса для защиты поверхностных слоев деталей в местах вероятного зароздения и роста усталостных трещин.

Во второй главе рассмотрены конструкции и способы тарировки экспериментального оборудования и методы определения параметров нагруяения. Для испытаний на усталость при СЫС использован экспериментальный комплекс, состоящий из машины, работающей по принципу замкнутого силового контура при "мягком" нагружении, и стенда, работающего по прямоточному принципу нагружения ("генератор-электромагнитный тормоз") при "мягком" и "жестком" нагружениях. В конструкциях указанных машин усовершенствованы зажимные устройства образцов, позволяйте ускорить их установку и съем, реализовать испытания при высоких отношениях Ж и предотвратить полошу образцов в зажимах от фреттинг-коррозии. Для машины с замкнутым силовым контуром разработана новая конструкция редуктора для нагружения образцов вращающим моментом, исключающая "излом" продольной оси системы быстроходных валов и повышающая надежность шарнирных узлов машины. Предложена новая конструкция усталостной машины, в которой максимально использованы узлы и детали стандартных машин, а для нагружения вращающим моментом только рабочей части образцов применены неуравновешенные массы и пространственная система их направляющих.

В качестве материала образцов принята сталь 45 в нормализованном состояний (ГОСТ 1050-80). Конструкции образцов - гладкие (d = 12мм), с галтелью и V-образной выточкой ( */d = 0,033, % = 1,25, со = 60°), с отверстием под установочный винт ("лунка" - VJ = 0,017, = 1,053, = 118°), испытанных при круговом изгибе (V<5" я 0) и изгибе с кручением ( У О а 0,6 d 1,0). Совместно с Ш2 АН Респ. Беларусь выполнены нйтурные испытания на циклический изгиб резьбового соединения стальных бурильных труб (сталь 36ГС2, -Др = 113,03мм, <Г = 10мм, резьба С 4-А, yd = 0,003, ^/d . = 1,034). База испытаний составляла 5-Ю® циклов.

Для исследования процесса возникновения и роста микрогрещин параллельно с испытаниями на усталость с помощью прибора магнито-фаррозондового контроля марки ФК-1 произведены измерения магнитных характеристик материала и определены зоны долговечностей, соответствующие различным периодам разрушения. Указанные измерения проведены в 8 сериях испытаний. Проведены 4 серии сравнительных испытаний на усталость образцов с галтелью и V-образной выточкой, нанесенных в местах концентраторов напряжений полимерным покрытием при = О и 0,6. Всего испытано 14 серий с количеством образцов внутри каадой из них П а 12... 19.

Результаты испытаний на усталость и магнитоферрозондовых измерений обработаны методами теории вероятностей и математической статистики. Разработаны вычислительный алгоритм и программа КОйЯъ,ля обработки результатов экспериментов и получения се*-мейотв квантилышх линий повреждаемости и кривых усталости на наклонном и горизонтальном участках:

СрА/= (¿¡¡М+гР $«гУ(т+гРЩбГ-фб-)=С-т/дб; (1)

В третьей главе рассмотрено уточнение расчетной методики определения КИН К}с , значения которого для циклических образцов при круговом изгибе определяется согласно зависимости: К^ Амплитуда номинальных напряжений в области многоцикловой усталости варьирует и зависит от размеров области смыкания берегов трещины, "аивого" сеченая и характера располоаения зоны окончательного 'додома, которая при высоких перенапряжениях имеет концентричное расположение, а при низких - несимметричное, преимущественно в виде эллипса. Это приводит к усилению напряаенЕого. состояния и появлению ассиметрии циклов переменных напряжений, а максимальное значение номинального напряжения определяется

бпта<=МуПт(и:/ЪП) Ъ«* . (3)

Получены аналитические выражения для определения значений смещения нейтральной оси Цат и момента инерции "живого" сечения ]гя при высоких и низких перенапряжениях. На ЭШ шаговым методом, начиная со значения ££ = 0, через каддые ¿<% ш 0,1 ш

- П -

вычислены значения ^т , 1гл , а по ним - битах до критического значения , определенного фрактографическим методом. Выполненные расчеты (рис.1) свидетельствуют о том, что в зависимости от О.^ значения &пта% превосходят б р в 1,3.. .3,0 раза,что должно быть уточнено при определении Лус .

-- симметричный долом, ---- -асимметричный долом.

Уровни 1,2,3 и 4 соответствуют Q!jc при = 240, 200, 180 и 160 МПа.

Для выполнения дняанерных расчетов деталей и конструкций с трещинами следует уточнить значения Л/ как функции от Qi напряжения "нетто" сечения бн . При этом исходя аз условий, что на разных уровнях перенапряжений на вершине трещины действуют разные напряженно-деформированные состояния и имеет место связь: 6HQj = С . Для условий выполненных экспериментов получены зависимости для определения Kj. при высоких и низких перенапряжениях;

Известная формула Лариса в данном случае имеет вид:

¿Qi/d^Mh

откуда для o6iaero случая получается зависимость

N<

i

(M

{ [($»)>а?Г

Учитывая варьируемый характер напряженно-деформированного состояния от уровня перенапряжений, для повышения точности расчетов интервал ^ разбивается на участки ДЩ = 0,1мм, в пределах которых (¡¿н=co/7si » и долговечность детали с трещиной определяется как сумма

«V

Задача реализована на ЭШ шаговым методом. Результаты расчетов (рис.2) позволяют с учетом режима нагружения, уровня перенапряжений и кинетики развития трещины рассчитать и прогнозировать остаточный ресурс детали с трещиной. Совмещая результаты

г < и ¿ t с( . i ♦ t «

(О* /0е _ !

Рис.2 f

Кривые 1,2,3 и 4 соответствуют б г * 240,200,180 и 160 Ша.

расчетов с фрактографическими замерами зон излома, можно рецшть обратную задачу - воссоздать предысторию периодического нагружения, что важно при экспертной оценке причин поломок деталей и конструкций.

Исследование магнитных параметров образцов в зонах зарождения и роста трещин показывает, что вариация их значений от долго-

вечности носит немонотонный, волновой характер с тенденцией роста по мера накопления А/ . При этом локальные экстремумы функций этих параметров соответствуют границам периодов усталостного разрушения (рис.3): I - инкубационного, II - появления первых субмикротрещан', Ш - стабильного роста ми!фотрвщан, 1У - оконча-

кв

А <Л * - * с

/ £ / 1 \\

п 1 В Г / 1 1 1

-Ц. 11 ¥ я •1М

* * »

ю'

* н

Рис.3

Кривые при испытаниях на усталость стальных бурильных

труб 16" = 80 МПа). 1,П,Ш и 1У - периоды усталостного разрушения.

тельного разрушения. В логарифмических координатах, совмещая результаты испытаний на усталость и магнитоферрозондовых измерений, аналогично кривым усталости для каждого периода разрушения можно получить семейство квантильных линий повреадаемостл, а в целом -номограмму для определения прочности и долговечносгей в области многоцикловой усталости (рис.4).

Для унификации вычислений предложены расчетные схемы Ж и 2 для определения относительной прочности и долговечности (рис.4): а) внутри каадой серии испытаний однотипных образцов (сравниваются 1-1У, Л-17 и Ш-1У периода):

8% = , Лк//У//>, У3 ¿Л

(7)

б) между двумя сериями испытаний разнотипных образцов (сравниваются 1-1, ПП-Ш1, Ш-Ш и 1У-1У периоды разнотипных испытаний) : /

Не*3 Ал/у 'М/Л/н, т? г 4 ■ ■ у 4 (а)

о

- 14 -

ИЛИ Лбу = Флу*/^^ ^ЛЧ ~ Мф/л^-

Рис, 4 .у.

К определению зависимостей , ~ У,¿[^ Р'^/] и ¿Ц- •

^(лО] • 1.П.И и ЗУ - семейства кван тялышх линий повреждаемости.

Входящие в (7)-(9) параметры являются вероятностными величинами, а их медйанные значения в области Ю^/У < 5*10® варьируют, поэтому для отыскания функциональных связей сГ&_/ , К е-) ■ - $/.г[Н я 8ц = использован ме-

тод сравнения областей рассеяния , закяшавдийся в сов-

местном решении уравнений семейств квантильных линий повреждаемости и кривых усталости сопоставимых периодов разрушения. Намечены зоны /V и £Г в пределах которых вид зависимостей остается неизменным (возможны 9 различных вариантов сочетаний зон): для расчетной схемы Ж А/% а * &/>/>}

для расчетной схема № 2 - М< /V ¿/

£> ^бяр, б^в^б"бк/* " &■

Зависимости (7)-(8) имеют вид:

Таблидд

Зоны л/ и е Расчетная схема Ж Расчетная схема №

м 1 2 3

6 1 2 3 Су-Ату - А ¿V/ -Лт^фб1 =АО, -А (т^бя^сап^

4 ^к-С^/т^ Му,- '/щ - ,

Мг = '//Яр; Л Су =0'-^ Ату -ту

Щ, {¿я* М^'/щ /У* =

А *АС<?, - /71^¿у^ Д/7)ц -/77^

Аналогичный подход предлокен для вероятностной оценки коэффициентов, учитывающих влияние различных факторов (масштабный эффект, режим нагруженяя, ди.д напряженного состояния, упрочнение, коррозионная среда и др} на сопротивление усталости по окончательному разрушению:

а*2(м/М-}, Ъ V .(10)

Учишвая, что в справочной литературе представлены медианные значения указанных коэффициентов лишь для зоны /V > 5 '10®, целесообразно использовать расчетную процедуру оценки относительной прочности и долговечности для этого случая:

Учитывая, что К £ I, возможны 4 различных варианта расчетных процедур (расчетная схема #3).

Выполнение подобных вычислений (наличие 13 вариантов сочетаний зон А/ и 6" ) возможно реализовать лишь при наличии программного обеспечения задачи. Для этой цели разработана комплексная вычислительная программа ¿МЗТ! , которая включает; составление двумерных статистических таблиц и расчет параметров линий регрессии для всех периодов разрушения; проверка статистической значимости этих параметров и расчет их 90^-ых доверительных интервалов; определение параметров функций (7)-(9),(11) и значения коэффициентов для интервалов долговечностей,'напряжений и вероятностей неразрушения 10^ А/ 4 5 «10®, 6ц<р и

Р(Х) т ОД...0,999.

В четвертой главе рассмотрены результаты статистических вычислений для всех серий испытаний. Проверки выборочного коэффициента корреляции X и параметров медианных линий регрессии по критериям Фишера, Спирмена и Стьвдента показали высокую тесноту корреляционной связи между ^ и /V для всех периодов разрушения и статиаваческую значимость параметров. Проверки однородности дисперсий ф /V по критерию Кочрена и сравнительно низкие значения вариационных коэффициентов указанных параметров ( V ж о,03,..0,09) предварительно указывают на возможность принятия "нулевой гипотезы" нормальности распределения результатов магнитоферрозондовых измерений и соизмеримость областей рассеяния мЛ/ для 1-1У периодов разрушения.

Для оценки влияния вида напряженного состояния, масштабного эффекта, концентрации напряжений, полимерного покрытия или совместного действия этих факторов согласно (7)-(П) и данным таблицы расочитаны я составлены номограммы для определения коэффи-

циентов , Л* , и ИО/^ (рас.5-7).

Для всех расчетных схем основным фактором, влияющим на сопротивление усталости я трещиностойкости, является концентрация напряжений и совместное действие нескольких факторов, повревдаодий эффект которых усиливается при натурных испытаниях.

Сравнительная оценка периодов отнотипных образцов (расч.схема Ш) показывает (рис.5), что принятый вид напряженного состояния

к

0,975

0,950 0,925

В р=-— / //Г

- -К

2 1 \Г / —7У ^

/ —' !

Ю3

6 а кг

N

250

300

350 б;мпа

г Рис.5

Зависимости 21 /,/д/, Р(ы)] и Р(м)1 для гладких об-

разцов при «0,6: 1,2.3 - сомейотва линий о в; и ¿у/ при у = 1,2 и 3; а, б\ в - М - ОД, 0,5 и 0,999; у

при = 0...0.6 не оказывает существенного влияния на показатели прочности, а периоды разрушения сравнительно близки а взаимно перекрываются: лишь для I периода начало процесса зафиксировано на уровне /У« 0,4 . Наибольший повревдащдй аффект наблюдается при испытаниях резьб, соединений бурильных грй»: « = 0,39...0,85 и блу- 0,03, т.е. в реальных конструкциях циклические повреждения появляются на ранних стадиях периодического нагрухения, а срок безопасной эксплуатации соединения с тре-щинама снижается, примерно до 0,в .

При сравнении периодов разрушения разнотипных образцов (расч. схема 02) новым является наличие максимальных значений Коэффициентов К^ для I периода разрушения, а также значительное рассеяние их вероятностных величин, которые с переходом к 1У периоду снижаются, но, в основном, больше аналогичных справочных даннкх на 20...255?, Это, по-видимому, связано с проявлением эффекта чувствительности к надрезу при N ~> (0,2...0,5)*Ю6, который по мере продвижения фронта кольцевой трещины, из-за пластических деформаций на вершине грещида приводит к снижению максимальных разрутаидих напряжений. При натурных испытаниях снижение относительной прочности и долговечности максимальное (рис.6) -

»101^-1, Л/ . Ю5, Р(Ы) ш 0,999), ш 7,3 (л> =1, . Р№ = 0,999).

Оценка сопротивления усталости по окончательному разрушению (расч. схема №3) выполнена для всех серий испытаний, из которых Основным, является определение эффективности предложенного технологического процесса нанесения полимерного покрытия. По сравнении с известными методами упрочняющих технологий применение полимерных покрытий не приводит к значительному повышению прочности и долговечности деталей, но этот метод обладает рядом преимуществ: не вызывав® отклонения от форм и взаимного расположения рабочих поверхностей; доступен и легко реализуется в производственных условиях и особенно при ремонтно-восстановительных работах; покрытие способно выдерживать длительное воздействие периодического натрукения и коррозионных сред. Их применение в зонах концентрации напряжений сводит на нет влияние переменного СНС, частично снижает степень дреденграпии напряжений (рис.7), при этом обеспечивает повышение прочности на 12...26%, а долговечности - 1,5...2,8 раза.

/ !

3

4 / \ \ 4 5 \ **

♦ г * е 8 ^ г ♦ в

V 4 ' * *

Кщ

К?

ш ко

гоо

С5» ЗОО С, »Па.

рис.б

Зависимости

V -образной выточкой при Цг =0.6; 1,2,3 и 4 - семейства линий ** г Ь, при >) . 1,2,3 и 4 т - од. 0,5 и 0,999).

/so

гоо

¿so

3oocrtnna

6.

Рис.7

шости кь РШ] и К*=X а •

й /fo и для образцов: 1-е V -образной ш-vö" « 0,6 и 0; 2 - с галтелью и полимерным покрытием •>! 3 . с V -образной выточкой и полимерным покрытием А 4 - - 0) и с V-образной шготкоа

м i =0,6); а,б,в 0,5 и

ли:

>крытием

а

Основные выводы л рекомендации

I. Повышена надежность и быстродействие работы захватных узлов испытательной машины на усталость, позволяющих проводить испытания образцов при высоких значениях отношения касательных и нормальных напряжений . Расширены функциональные возможности сборных образцов, имитирующих работу соединений типа "вал-ступица".

Увеличена долговечность подвижного редуктора и элементов замкнутого силового контура испытательной машины. Предложена новая конструкция машины для испытаний на усталость при СНС, в которой использованы основные узлы существующих машин, и принцип неуравновешенных грузов, благодаря которым крутящий момент действует на рабочем участке образца.

Указанные конструктивные решения защищены 5 авторскими свидетельствами РФ.

2. Определен оптимальный химический состав композиционного полимерного покрытия марки ГШК II-II. Разработаны оборудование и технологический процесс получения полимерного покрытия с высокими упругими характеристиками, способного выдерживать длительное воздействие периодического нагружения и различных коррозионных сред.

3. Уточнена методика определения величины КИН Kjt при периодическом нагружении: расчет номинальных напряжений проводится с учетом изменения "живого" сечения детали в процессе усталости. Учтен характер продвижения фронта кольцевой трещины на разных уровнях напряжений и на этой основе уточнен расчет живучести валов с трещинами.

4. Проведены испытания на усталость и магнитоферрозондовые измерения поверхностных слоев образцов гладких и с концентраторами напряжений, а также резьбовых соединений бурильных труб при круговом изгибе и изгибе с кручением (14 серий испытаний при = О, 0,6 и 1,0). Экспериментально подтверждена стадийность процесса усталостного разрушения и получены линии равной повреждаемости, являющиеся границами периодов: I - инкубационного, П - нарушения сплошности материала и появления субмикротрещин*. Ш - стабильного роста микротрещин и 1У - окончательного разрушения. В системе координат 0п 6"- ¿д А/ указанные линии описываются уравнениями семейств,

аналогичных квантильным кривым усталости по окончательному разрушению, и имеют коэфф. корреляции Z = 0...0,95.

Получены статистические параметры семейств линий равной повреждаемости а на а той основе построены полные диаграммы равной повреждаемости, позвсшдацие производить оценку периодов усталостного разрушения с учетом вероятности неразрушения,

5. Для вероятностной оценки характеристик сопротивления усталости и грещиностойкости применен метод сравнения областей рассеяния циклических долговечностей сравнительных усталостных испытаний а магнигоферрозовдовых измерений» заключавдинся в совместном решении уравнений семейств линий повреждаемости и квантильных кривых усталости. Составлены расчетные схемы:

Щ - для оценка относительной прочности и долговечности внутри каждой серии испытаний по отдельным периодам разрушения, _

)& _ то же, для каждого периода разрушения двух разнотипных серий испытаний,

363 - для оценки факторов по окончательному разрушению.

Составлена система уравнений для расчета коэффициентов относительной прочности и долговечности, в которой параметроычяв-ляется уровень заданной вероятности неразрушения.

6. Составлены алгоритм и комплексная программа для реализации расчетных схем И-ЖЗ, включакщие процедуры:

а) составление двумерных статистических таблиц и расчет параметров медианных линий регрессии равной повреждаемости для сопоставимых серий испытаний;

б) проверки статистической значимости выборочного коэффициента корреляции и параметров медианных линий регрессии согласно критериям Фишера, Стьвденга и Спирмена, определение доверительных интервалов этих параметров;

в) определение параметров квантильных линий равной повреждаемости и функций относительной прочности и долговечности для 1-17 периодов разрушения;

г) расчет коэффициентов относительной прочности и долговечности , , » Кы^ и Ке-9 , Кнр для фиксированных значений /V , £ и интервала вероятностей нвразрушания ~ = 0,1...О,999.

7. Выполненные статистические вычисления подтвердили:

а) возможность принятия "нулевой гипотезы" нормального распределения результатов шгнигсйеррозондовых измерений и значимость выборочных коэффициентов корреляции;

б) соизмеримость и параллельное расположение областей рассеяния А/ для 1-1У периодов разрушения, облегчающих составление математической модели процесса усталостного разрушения и построение, номограмм равной повреждаемости.

8. Основным фактором, влияющим на значения коэффициентов относительной прочности и долговечности, является концентрация яапряяений. Принятый вид переменного СНС незначительно влияет на величины этих коэффициентов. Максимальное снижение сопротивления усталости и трещиностойкости имеет место при натурных испытаниях бурильных труб из-за неблагоприятного сочетания нескольких повреждавшие факторов - неравномерного распределения нагрузки,масштабного эффекта, концентрации напряжений и фреттинг-коррозии.

Вычисления по расчетным схемам й1-3 показывают, что : а) для лабораторных испытаний ( с/ = 7,5мм) области рассеяния N по всем периодам усталостного разрушения плотно расположены друг другу и смещены в область высоких значений ц)А/ . При натурных испытаниях бурильных труб возникновение и ртст усталостных микрогрещин имеют место на ранних этапах периодического нагружения, что должно быть учтено при уточненных расчетах

остаточного ресурса деталей с трещинами; _ _

б) средневероятные значения коэффициентов и с переходом от I к 1У периоду разрушения монотонно снижаются, что является результатом срезания пиков напряжений и наличия мякроплас-паческих деформаций на' вершине усталостной трещины;

. в) вероятностные значения Лб> и К*? варьируют в широких пределах и это диктует необходимость уточнения их значения в справочной литературе. Применение композиционного полимерного покрытия в зонах концентрации напряжений повышает относительную прочность на 14...28%, долговечность - 1,9...2,8 раза я подавляет отрицательный эффект от совместно действующих нескольких повреждающих факторов.

9. Использование разработанной методики расчетной оценки' сопротивления усталости и трещиностойкости валов при переменном

СНС позволили на основе полного учета влияния факторов по периодам усталостного разрушения и реальных условий работы сократить сроки проведения испытаний, повысить надежность и долговечность валов , электродвигателей малой мощности марки ДАУ-25Н, ДСР 4/60, ДСР 10/60 и получить годовой экономический эффект в размере 5,395 млн драм .

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. A.c. I430816 СССР, AI G 01 И 3/34. Машина для испытания на усталость вращашегося образца /М.Г.Сгакян, А.С.Мнацаканян, Г.А.Манукян, Л.Г.Оганесян (СССР). - Н87770/25-28; Заявл. 17.01. 87; Опубл. 15.01.88, Бюл. £38. - 3 с.

2. A.c. 1490556 СССР, G 01/V 3/04. Устройство для зажима образца при испытаниях на прочность /М.Г.Стакян, Л.Г.Оганесян, Г.А.Манукян, А.С.Мнацаканян (СССР). - £4351127/25-28; Заявл. 28.12.87; Опубл. 30.06.89, Бюл. №24- 3 с.

3. A.c. 1508132 СССР, AI С, 01 А/ 3/32. Образец соединения для испытания на усталость /М.Г.Стакян, Н.С.Исаханян, А.С.Мнацаканян, Г.А.Манукян (СССР). - JS434975I/25-28; Заявл. 24.11.87; Опубл. 15.09.89, Бюл. Ж34- Зс.

4. A.c. 1504568 СССР, AI G 01 Ы 3/34. Машина лля испытания ка усталость образцов материалов /М.Г.Стакян, Г.А.Манукян, Л.Г. Оганесян, А.С.Мнацаканян, Н.В.Олейник (СССР). - М367389/25-28; Заявл. 25.01.88; Опубл. 30.08.89, Бш.'й32 -2 с.'

5. A.c. 1559269 СССР, AI <S 01N 3/34. Нагружашее устройство к стендам замкнутого контура для испытания валов на усталость /М.Г.Стакян, Г.А.Манукян,,Л.Г.Оганесян, А.С.Мнацаканян (СССР) -М338023/25-28; Заявл. 07.12.87; Опубл. 24.04.90, Бш. М5.- 4 с.

6. Мнацаканян A.C. Прогнозирование параметров кинетики развития трещин по усталостным изломам //Тез.докл. 2-ой Респ.конф. асп. АрмССР. - Ереван, 1987. - С. 96. .

7. Стакян М.Г., Мнацаканян A.C., Егинян М.Ж. К определению характеристик грещиностойкости деталей из конструкционных сталей //Изв. АН АрмССР. Сер. ТН. - 1988. - T.4I, И. - С. Г7-23.'

8. Стакян М.Г., Оганесян Л.Г., Мнацаканян A.C. Совершенст-

вование методики расчета сопротивления усталости и трещиностойкос-тя валов передаточных механизмов //Тез.докл. - Ш научн.-твхн. конф. "Повышение надежности и долговечности машин и сооружений г.Запорожье, 1988г. - Киев, 1988. 4.2. - С. 80-81.

9. Стакян М.Г., Мнацаканян A.C., Оганесян Л.Г. Современные методы изучения накопления усталостных повреждений ферромагнитных материалов //Тез! докл. Всесоюзн. конф. "Прочность материалов"! элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах наг-ружения", г.Каев, 7-8 дек. 1988г. - Каев. 1988. - С.10.

10. Мнацаканян A.C. Прогнозирование живучести деталей резьбовых соединений //Тез. докл. Респ. науч.-гех.конф. "Молодежь и научно-технический прогресс в машиностроении", г.Ереван, 26-28 апреля, 1988г. - Ереван, 1988. - С.28.

11. Стакян М.Г., Манукян Г.А., Мнацананян A.C. Метод восстановления и повышения работоспособности деталей машин применением полимерных клеев с учетом влияния среда //Тез.докл. Всесоюгн. конф. с мевдународ. учасг. "Организация ремонтного обслуживания технологического оборудования в машиностроении в условиях действия Закона СССР" 0 государственном предприятия (объединения) Ворошиловград, 1989. - С. 144-145.

12. Стакян М.Г., Оганесян А.Г., Манукян Г.А., Мнацаканян A.C. Расчетная оценка сопротивления усталости валов при совместном изгибе а кручении в воздухе и коррозионных средах //Тез. докл. Ш Всесоюз. симп. "Прочность материалов и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии", г.Житомир, 24-26 окт. 1989г.-Кяев. /ИИ АН УССР, 1989. - 4.2. - С.51-52.

13. Стакян М.Г., Манукян Г.А., Мнацаканян A.C. Повышение сопротивления усталости деталей машин на воздухе и в коррозионных средах применением композиционных клеев //Тез.докл. Ш Всесоюзн. межотрасл. науч.-тех.конф. "Адгезионные соединения в машиностроении", г.Рига, 19-21 дек. 1989г. - Рига /РМ, 1989. - С.202-204.

14. Стакян М.Г., Кроян С.А.»Манукян Г.А., Мнацаканян A.C. Повышение сопротивления усталости деталей машин на воздухе и в коррозионных средах применением конструкционных полимерных клеев //Изв. АН АрмССР. Сер. ТН. - 1989. - Т.42, - С. 263-268.

15. Манукян Г.А., Мнацаканян A.C., Оганесян Л.Г..Новые методы повышения сопротивления усталости деталей, работающих в услови-

ях переменного сложно-напряженного состояния и при наличии коррозионных сред У/Гез.докл. Мездунар. науч.-тех.конф.мол. уч. и спец. "Молодые ученые в решении комплексной программы научно-технического прогресса стран-членов СЭВ". - г.Киев, 19-22 апреля 1989г. - Каев, 1989. - С. 25-26.

16. Стакян М.Г., Мнацаканян A.C. Метод повышения сопротивления усталости валов применением полимерных клеев //Теория и конструирование машин: Межвуз. сб.науч.тр. по маши. - Ереван, 1989. - С. 102-108. .

17. Шагаев Ю.П., Мнацаканян A.C. Вероятностная оценка периодов усладостного повреждения орали //Сб.: Механика деформируемого твердого тела. - Ереван: Изд-во АН АрмССР, 1989. - С.

18. Стакян М.Г., Шагаев Ю.П., Мнацаканян A.C. Вероятностная оценка периодов усталостного разрушения стальных бурильных труб //Химическое машиностроение: Респ. межвуз. науч.-тех. сб.ст.-Киев: Техника, ¿990. - £51. - С. 23-28.

19. Стакян М.Г., Йсаханян Н.С., Мнацаканян A.C. Быстросъем-ное устройство для зажима образцов при испытаниях на усталость //Заводская лаборатория. - 1990. - 1ё5. - С.81-82.

20. Стакян М.Г., Мнацаканян A.C., Оганесян Д.Г. Современные методы изучения накопления усталостных повреждений ферромагнитных материалов //Проблемы прочности. - 1990. - Ш. - С.41-45.

21. Стакян М.Г., Мнацаканян A.C., Джрбашян Т.Э. Расчетная оценка трещиностойкоети валов передаточных механизмов по периодам усталостного разрушения //Изв. АН Армении. Сер. ТЕ. - Г>Л Т.43, «L. - С. 155-163.

22. Стакян М.Г., Мнацаканян A.C. и др. Расчетная оценка тре-щиностойкостя валов на основе Физических методов исследования возникновения и роста усталостных трещин // ФХШ. - 1991. - 1.2?.-№. - С. 45-54.

23. Стакян М.Г., Джрбашян Т.Э., Мнацаканян A.C. Вероятностные метода расчета относительной прочности и долговечности деталей машин// Алгоритмы и программы: Инф. бш. Всерос. НтТ. инф. центра. - 1УЭ2. - Ш-6. - С.9.

24. Стакян М.Г., Мнацаканян A.C., Джрбашян Т.Э. Расчетная оценка трещиностойкости валов по периодам усталостных повреждений //Теория и конструирование машин: Межвуз. сб. науч. тр. по машшостр. - Ереван / ЕрПИ, 1992. - С. 56-64.

25. Стакяк М.Г., Оганесян Л.Г., мнащканян A.C. Расчетная . оценка сопротивления усталости гладких валов при совместном изгибе и кручении // Сб.: Надежность и долговечность машин и сооружений. - Киев: Наук,, думка. 19У2. - Вып. 21. - С. 55-61.

26. Сгакян М.Г., Мнацаканян, A.C. а др. Комплексное исследование надежности передаточных механизмов Ц Сб. .ст., посвящ. бО^летию ШФ ГШ. - Ереван/ГИУА, 1996. - С.. 35-41.

Ш «TT

Ê »>»

с* er

XT о

СГ

ra с"

дг

3

It»

to с"

JT £ <3

Е С=

ш s

3 сг

г сГ тз g

<- -г-

3 3

S-'i

с" г tr -55

О С— ГТ 3 СП гс»

F" гз ф

S Е

-с.

■О-

<- Е

-С. (О

£ Е or Of ГХ

со гг

гЗ t. э

го о* е гз О Е С Е or Е 3 -С" ГЗ г--С. -о г s «О- 3

м J

и• rr cf I-» т

ю со

ЕМ» С' «3

3 л

1.

с* о- л .

ТО гЛ СГ 3 с* г е s -а" Х- с* S гз q-=" & ГЗ

з s -з-г- о» со

rs¡ <—

I-

-л -л

Е с" •si Е .с. гз Е g 3 X-с, 3 Ё П С. 3 и г то с «5 . s

0- г1 л e'er

tr

1— ГЗ

с" с» о.

-С. оЕ ?

гО £Г

6 с?

*3

дг л

-С. 3

s J* er С

е

Л or

ЪЗ.

л т

-С. с*

Е

or та

з а

в «3

I- е* со

-С. «fr

г з

О" г ТО Г—

ef а сг

•2 "5 «и

с»

3

&

.л в

Е 5

NJ О"

A tf"

Е S

-з -В-

-СГ 3

г с

с ^

3

О- <\ "S3 с" '3 ГЗ

■з- *

сг х-

ГУ

А

<=. s

ГО ОТ

Е

дг ÍT

S.S-

ГЗ с

"3 £Г 3 ГЗ

С гг то

=. 6. S ГЗ

-а- з Е г -33 or с_

I- *

F-

ГЗ

С сг

-SI гэ Е

са г

та -а

3 ¡3

Г" X-

с, СГ

ш

3

а. Г*

ci тг

от е

<Ь 1—< СГ

чг cf

а1

..д "3

< ■з-

ЕЙ

в

ей 3 -з

СЛ ■0 с;

=> 2Í* «

C?,

=s О"

ГЗ с;

CS сл

СЗ- ■з- CJ-

-з ef в 1

сз в; Ö

ч es -P е* ю

■э ■з» •з* 33

э о аз 3 '

те •■о -3 Ö

—* ш

D TS1 а

с* 2 a

? Ö с?

OS

'tí V-í

СГ « cf

=5 Л

а.

СО а

Ö -■a

сГ сз

si

-Р В

CÍ аз

Л a

з

ZD с"

э

—i V

Э CD

ш