Введение к работе
Актуальность теш. Повышение производительности, рабочих скоростей и энерговооруженности современных машин и технологии ческого оборудования с одновременным уменьшением их материалоемкости привело к усилению напряженно-деформированного состояния ответственных деталей и сборочных единиц а выдвинуло задачу исследования их характеристик прочности, долговечности и надеа-ности в новых условиях работы. Это положение, наряду с применением новых материалов и перспективных технологий, диктует необходимость учета всего резерва прочности и долговечности конструкции, 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 подавляющем большинстве относятся к простым случаям нагруаения и охватывают окончательный период усталостного разрушения. Предлогенныа расчетные методика и схемы насколько упрощены а на учитывают все особенности процесса усталостного разрушения (стадийность процесса, непрерывное изменение "давого" сечения детали, наличие переменного елсаяо-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 трещшосгойкостя с учетом стадийности и статистической природы усталостного разрушения. Проблема дальнейшей минимизации массы конструкций вызывает необходимость разработка уточненной методика расчета прочности, я долговечности ответственных деталей с трещинами на основе изучения механизма образования д развитая усталостных микрогрецин.
Работа выполнена совместно о ИЩ АН Респ.Беларусь (г.Минск), ИНН АН Респ. Украина (г.Киев), ПО "Ариэлактромаш", НПО "Камень а силикаты" (г.Ереван), НПО "Полдшрклой" и НПО "Автоматика" (г.Еааздзор)4.
Цель а основные задача исследования. Целью исследования является разработка .инженерных методов расчета характеристик сопротивления усталости л грецяносгойкостя валов и соединений типа "вал-стушща", дозволяннях на этапа проектирования для всего интервала
многоцикловой усталости с учетом стадийности процесса усгалосгно-го разрушения производить уточненную оценку их прочносги и долговечности с вероятностных позиций.
Основные положения, выносимые на защиту, можно Сформулировать следующим образом:
разработка методики комплексного экспериментального исследования, вклхяаадею изучение стадийности процесса усталости физическими методами, и реализация испытаний на усталость при переменном сложно-напряженном состоянии (СНС - совместные циклический изгиб и статическое кручение);
усовершенствование конструкций экспериментальной техники
и измерительной аппаратуры для изучения процесса трещянообразова-ния и реализация испытаний на усталость при СНС;
математическое описание стадийности процесса усталости;
создание методики уточненной оценки характеристик сопротивления усталости ж трещикосгойкосги валов по отдельным периодам усталостного разрушения и программное обеспечение задачи;
разработка нового технологического процесса для повышения сопротивления усталости и трещиносгойкоста методом нанесения полимерного покрытия.
Методы исследования. Основные выводы, сделанные по материалам работы, основаны на положениях теории вероятностей и математической статистики. 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 долговеч-ностей, заключавдийся в совместном решении уравнений семейств квантильных линий повреждаемости и кривых усталости для сопоставимых серий испытаний образцов.
Испытания на усталость при СНС (вращавдиеся образцы) и испытания резьбовых соединений бурильных'груб максимально приближены к реальным условиям работы валов передаточных механизмов общемаши-ностроительного назначения и груб нефтехимических производств. Ре-
гистрация момента возникновения и геометрических параметров развивающейся трещины произведена эдвктроиндукционным методом с использованием чувствительных магнягоферроэондовых датчиков, способных регистрировать не только нарушение сплошности материала, но и изменение изотропного состояния поверхностшх слоев на ранних этапах периодического нагружения.
Научная новизна. Проведено комплексное теоретико-экспериментальное исследование сопротивления усталости и трещиносгойкости валов передаточных механизмов, в рамках которого:
- предложена методика реализаада модельных я натурных испыта
ний на усталость при СНС с параллельными измерениями параметров
образовавшихся макротрещин;
расширены функциональные возможности существующих конструкций мапшн для испытаний на усталость и предложены новые конструкции, повышайте надежность и быстродействие процесса испытаний;
уточнена методика расчета трещиносгойкосга е&дое при периодическом яагруяения с учетом изменения геометрических параметров "живого" сеченая вала^
доказана стадийность процесса усталостного разрушения и определены параметры каздого из четырех периодов процесса усталости;
разработана методика расчета характеристик трещиностойкос-ти и сопротивления усталости методом построения семейств квангиль-яых линии повревдаемостд 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 напрякениа и применения новых технологических процессов;
доказана возможность применения композиционных полимерных клеев в зонах образования и роста усталостных микротрещин, благодаря чему достигнуто увеличение относительной, прочности и долговечности валов;
- реализовано программное обеспечение расчетов характеристик
трещиностсйкости 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 оценка относительной прочности и долговечности валол л на sroil оснобє разработать вычислительные программы для автоматизация указанных расчетов, что и реализовано в рамках настоящего исследования.
Разработанная методика расчетной; оценки характеристик трещи-ностойностя и сопротивления усталости применена в инженерных расчетах на прочность и долговечность залов с вероятностных позиций. Созданы алгоритм и вычислительная программа SMJTl (объем 64кБг) для выполнения указанных расчетов, которая зарегистрирована в ГФАД РФ в качестве стандартной.
Усовершенствованы узлы существующего оборудования я разработана новая конструкция машины, что позволяет реализовать испытания при "мягком" и "жестком" нагруженя&х в широком диапазоне изменения их параметров, повысить функциональные возмохностя а надежность работы оборудования. Указанные разработки защищены 5 авторскими свидетельствами РФ.
Разработаны состав и технология нанесения полимерного пок-рытля, позволяющего повысить трещиносгойкость 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 ЕрШ за І988-92гг.; П Респ. конф. асп. АрмССР (г.Ереван, 1987г.); Ш Респ. науч.-гехн.кон$. "Повышение надежности и долговечности машин и сооружений" (г.Запорожье, 1988г.); Бсесоюзн. конф. "Прочность материалов я'элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружєния" (г.Киев, 1988г.); Респ. науч.-техн, конф. "Молодежь я научно-технический прогресс в машиностроении" (г.Ереван, 1988г.); Бсесоюзн. конф. с международным участием "Организация, ремонтного обслукивания технологического оборудования в машиностроении в условиях действия закона
СССР "О государственном предприятии-объединении (Решнт-89)" (г.Ворошиловград, 1989г.); Ш Всесоюз. Симп. "Прочность материалов и элементов конструкций при слоаном напряженном состоянии" (г.Житомир, 1989г.); Международ, науч.-техн.конф. студ., мол.уч, и спец. "Молодые ученые в решения комплексной программы научно-технического прогресса страк-членов СЭВ" (г.Киев, 1989г.); Ш Всесоюз. меяоїрасл. науч.-тех.конф. "Адгезионные соединения в машиностроении" (г.Рига, 1990г.); Меадународ. конф. "Зароздение и рост трещин в материалах и в керамике - роль структуры я окружающей среды" (Болгария, Г.Варна, 1991г.).
Цубланации. По теме диссертация опубликовано 25 научных работ, в том числе подучено 5 авт. свидетельств на изобретение РФ и I вычислительная программа зарегистрирована в ГФАД РФ.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 196 страницах, вюилаег 49 рисунков и 29 таблиц. Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы 211 наименований и приловеаий на 33 страницах. Общий объем'диссертации составляет 229 страниц.