Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор конструктивных и технологических решений дляповышения циклической прочности, применяемых при изготовлении коленчатых валов, методы определения напряженно деформированного состояния и оценки циклической прочности коленчатых валов форсированных среднеоборотных тепловозных дизелей 11
1.1. Обзор конструктивных и технологических решений для повышения циклической прочности, применяемых при изготовлении коленчатых валов форсированных среднеоборотных тепловозных дизелей 11
1.2. Методы определения напряженно-деформированного состояния и оценки циклической прочности коленчатого вала 30
1.3. Цель работы и постановка задачи исследования 43
Глава 2. Разработка математической модели расчета напряженно деформированного состояния коленчатого вала с учетом остаточных напряжений, возникающих после технологического процесса обкатки галтелей роликами на этапе его изготовления, и методики оценки его циклической прочности 44
2.1. Составление в трехмерной постановке алгоритма расчета остаточных напряжений в коленчатом вале после технологического процесса обкатки галтелей на этапе его изготовления 44
2.2. Методика расчета в трехмерной постановке напряженно деформированного состояния коленчатого вала в процессе работы форсированного среднеоборотного тепловозного дизеля 55 Стр.
2.3. Методика оценки циклической прочности коленчатых валов с учетом остаточной напряженности поверхностного слоя галтелей вследствие
поверхностного пластического деформирования обкаткой роликами 59
Выводы по второй главе 66
Глава 3. Расчет остаточных напряжений, определение напряженно деформированного состояния и оценка циклической прочности коленчатого вала форсированного среднеоборотного тепловозного дизеля 67
3.1. Расчет остаточных напряжений в коленчатом вале после технологического процесса обкатки галтелей на этапе его изготовления 67
3.2. Расчет напряженно-деформированного состояния коленчатого вала в процессе работы форсированного среднеоборотного тепловозного дизеля... 89
3.3. Оценка циклической прочности коленчатых валов с учетом остаточной напряженности поверхностного слоя галтелей вследствие поверхностного пластического деформирования обкаткой роликами 99
Выводы по третьей главе 109
Глава 4. Анализ результатов расчетного и экспериментального исследований напряженно-деформированного состояния после технологического процесса обкатки галтелей роликами и оценки циклической прочности коленчатого вала форсированного среднеоборотного тепловозного дизеля 110
Выводы по четвертой главе 117
Заключение 118
Список литературы
- Методы определения напряженно-деформированного состояния и оценки циклической прочности коленчатого вала
- Цель работы и постановка задачи исследования
- Методика расчета в трехмерной постановке напряженно деформированного состояния коленчатого вала в процессе работы форсированного среднеоборотного тепловозного дизеля
- Оценка циклической прочности коленчатых валов с учетом остаточной напряженности поверхностного слоя галтелей вследствие поверхностного пластического деформирования обкаткой роликами
Введение к работе
Актуальность темы исследования объясняется доминирующим
положением на наземном и водном транспорте дизельных двигателей. К
современной дизельной установке предъявляются высокие технико-
экономические требования, включая эффективные и экологические показатели,
повышенный ресурс, необходимые массогабаритные характеристики.
Коленчатый вал (КВ) должен выполнять свои функции в течение всего срока эксплуатации двигателя.
Выполнение заданных требований ставит перед разработчиками задачи по поиску новых более совершенных методик расчета конструкций на прочность и долговечность. Применяемые в прошлом подходы к конструированию и расчету КВ не всегда способны адекватно описать работу конструкции. Накопленная база эмпирических параметров, применяемых в расчетных методиках, все чаще сталкивается с границами своего применения и требует проведения новых экспериментов, что может серьезно увеличить стоимость и сроки разработки новых двигателей. Выход может заключаться в поиске новых и более современных методик расчета КВ.
Целью данной работы является уточнение методики оценки циклической прочности КВ при использовании методов поверхностного пластического деформирования зон концентрации напряжений.
Основные задачи диссертационной работы:
– составление алгоритма расчета и определение полей остаточных напряжений в КВ после процесса обкатки галтелей в трехмерной постановке;
– уточнение методики расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) КВ в процессе работы среднеоборотного дизеля в трехмерной постановке;
– уточнение методики оценки циклической прочности КВ с учетом остаточной напряженности галтелей вследствие обкатки роликами;
– проведение сравнительного анализ результатов расчетного и экспериментального исследований НДС после обкатки роликами и выдача рекомендаций по выбору параметров технологического процесса обкатки галтелей роликами.
Научная новизна работы в том, что:
– впервые в трехмерной постановке исследуется технологический процесс обкатки галтелей клиновыми роликами с целью повышения циклической прочности КВ;
– впервые проведено исследование влияния параметров обкатки (усилия, количество оборотов роликов) на повышение циклической прочности КВ и даны рекомендации по выбору рациональных параметров обкатки;
– впервые определена величина эффективной амплитуды напряжений в процессе работы КВ на основе теории подобия усталостного разрушения.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
– создана методика, позволяющая с достаточной точностью прогнозировать возникновение величины остаточных напряжений в поверхностном слое галтелей вследствие поверхностного пластического деформирования обкаткой роликами;
– создана методика расчета, позволяющая с помощью объемной конечно-элементной модели оценивать циклическую прочность КВ с достаточной точностью.
Автор защищает:
– результаты исследования по влиянию параметров обкатки (усилия, количество оборотов роликов) на повышение циклической прочности КВ;
– результаты определения величины эффективной амплитуды напряжений в процессе работы КВ на основе теории подобия усталостного разрушения;
– экспериментально обоснованные математические модели определения НДС КВ, методы компьютерной реализации этих моделей и результаты численных экспериментов, полученные на основе используемых моделей и методов.
Степень достоверности и обоснованности результатов работы
определяются:
– использованием фундаментальных законов и уравнений теории упругости, пластичности, циклической прочности с соответствующими граничными условиями, современных численных методов реализации математических моделей, результатами верификации математических моделей;
– применением современных моделей материалов в упруго-пластической области, построенных на основе опытных данных и реализованных в современных программных комплексах;
– применением надежных опытных данных по исследованию процесса обкатки вала роликами.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы были доложены на:
-
Научно-методической и научно-исследовательской конференции (МАДИ, Москва, 2012, 2013, 2014, 2015);
-
Заседаниях кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2012, 2013, 2014, 2015).
Личный вклад. Автором создана методика, позволяющая с достаточной точностью прогнозировать возникновение величины остаточных напряжений в поверхностном слое галтелей вследствие поверхностного пластического деформирования обкаткой роликами, на основе специализированного программного комплекса DEFORM-3D. С использованием экспериментальных
данных проведены выбор и отладка математических моделей определения напряженно-деформированного состояния коленчатого вала в процессе обкатки галтелей роликами.
Исследовано влияние усилия обкатки и количества оборотов вала в процессе технологического процесса обкатки на распределение остаточных напряжений в поверхностном слое галтели. Определен набор рациональных параметров обкатки, позволяющий получить заданный уровень циклической прочности коленчатого вала.
С использованием теории подобия усталостного разрушения определена величина эффективной амплитуды напряжений в процессе работы коленчатого вала для оценки циклической прочности коленчатого вала.
Проведено сравнение расчетного и экспериментального исследований эффекта от обкатки галтелей роликами на циклическую прочность коленчатого вала. Результаты сравнения подтвердили эффективность предложенной методики расчета остаточных напряжений.
Публикации. Результаты выполненной диссертационной работы отражены в девяти научных работах, из них три работы в рецензируемых журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, общим объемом 2.18 п.л.
Объем работы. Диссертационная работа содержит 144 страницы текста, 81 рисунок, 8 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 119 наименований, 4-х приложений.
Методы определения напряженно-деформированного состояния и оценки циклической прочности коленчатого вала
Во время работы КВ испытывают воздействие от давления газов в цилиндре двигателя, сил инерции поступательно и вращательно движущихся масс и усилий, обусловленных возникновением колебаний. Наличие фрикционных связей и периодический характер нагрузок стимулируют в КВ такие процессы как изнашивание его шеек, подшипников и УР, начинающееся в местах концентрации напряжений (края маслоподводящих отверстий и галтели – места сопряжения щек с шейками вала).
Вследствие сложности НДС и наличия деструктивных процессов при эксплуатации к конструкции КВ предъявляются высокие требования прочностной надежности, жесткости и износостойкости в сочетании с высокой точностью изготовления, твердостью, степенью чистоты обрабатываемых поверхностей шеек и хорошей уравновешенностью. Для достижения заданных требований на этапах разработки и изготовления КВ применяется комплекс конструктивных и технологических решений.
КВ ФСД выполняются кованными из легированной стали (38ХН3МА, 40Х2Н2МА, 20ХН3А и др.) или литыми из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧ30, ВЧ35 и др.) [73]. Однако в связи с постоянно повышающимися степенью форсирования по давлению наддува и максимальным давлением цикла двигателей предпочтение отдается КВ, выполненным из стали. На Рисунке 1.3. изображен стальной КВ ФСД.
Прочность КВ во многом зависит от оптимизации геометрии элементов колена с целью улучшения распределения напряжений по сечениям вала и способов обработки, позволяющих повысить ПВ.
Известно, что причиной неравномерного распределения напряжений является резкое изменение нейтральной оси вала при переходе от шеек к щекам. Поэтому на этапе проектирования КВ стремятся минимизировать влияние этого фактора. За счет увеличения перекрытия шеек (Рисунок 1.4.) удается получить повышение ПВ при изгибе.
Выбор таких параметров как длина и диаметр шеек, форма и размеры щеки обусловлен с одной стороны прочностью вала, а с другой – массогабаритными показателями. Рисунок 1.4. Влияние перекрытия шеек на ЦП при изгибе КВ
Для V-образных двигателей наблюдается тенденция перехода от прицепных шатунов к рядом сидящим из-за недостаточной прочности места соединения главного и прицепного шатуна, несмотря на увеличение осевых габаритов двигателя и на увеличение диаметров шеек КВ.
В местах ступенчатого перехода необходимо повышать радиусы галтелей и по возможности описывать несколькими радиусами, где больший соответствует месту с наибольшими напряжениями (Рисунок 1.5.). Рисунок 1.5. Виды галтелей: a) – с несколькими радиусами; б), в) – с углублением соответственно в щеку 1 и шейку 2 Снижению напряжений изгиба в галтели способствует смещение полости в шатунной шейке от оси вала, при этом ПВ может быть повышен на 10-15% и более. На продолжении щек стальных КВ устанавливаются противовесы для снижения нагрузки на коренные подшипники от сил инерции. Противовесы чугунных КВ отливаются заодно с щеками. Для снижения дополнительных напряжений, вызванных крутильными колебаниями, служит демпфер, который устанавливается на одном из концов КВ.
Расчеты показали, что наибольшие напряжения возникают в галтелях шеек КВ при действии знакопеременного изгибающего момента в плоскости кривошипа (Рисунок 1.7.) . Рисунок 1.7. Распределение интенсивности напряжений в КВ от действия изгибающего момента в плоскости кривошипа (1-1 – наиболее вероятная плоскость разрушения детали) Для повышения сопротивления усталости галтели в процессе изготовления КВ подвергают ППД [9,21,22,44,57,58, 61,62]. В соответствии с ГОСТ 18296-72 к этому типу обработки относится обдувка дробью, чеканка, обкатка и др. Подробная классификация и особенности применения методов ППД даны в литературе [18,21,61]. Наиболее приемлемой для обработки галтелей КВ является обкатка роликом или шариком.
Сущность данного метода заключается в том, что деформация металла начинается с вдавливания ролика в поверхность заготовки в момент их соприкосновения. Площадка контакта в предположении упругопластической деформации в зависимости от кривизн поверхностей представляет собой подобие эллипса (Рисунок 1.8.).
Величина отпечатка зависит от нагрузки на ролик (усилия вдавливания) и от твердости обрабатываемого материала. Рисунок 1.8. Площадка контакта при вдавливании ролика
Последняя в свою очередь зависит от углов вдавливания ролика (а, b). Расчет усилия обкатки в зависимости от формы и размеров отпечатка приведен в [9,21,50].
В процессе обкатки заготовке придается вращательное движение и отпечаток ролика превращается в кольцевой след (обкатка без продольной подачи ролика), соответствующий кривизне инструмента в осевом сечении.
После завершения одного оборота детали ролик начинает вдавливаться в уже деформированную область, расширяя и углубляя контактную канавку. При последующих проходах процесс расширения следа проходит не так интенсивно, вследствие упрочнения металла и увеличения ширина зоны контакта ролика с деталью (Рисунок 1.9.) [9,53]. Для процесса с продольной подачей схема деформирования обрабатываемой поверхности представлена в [58]. Зависимости ширины контактной канавки и угла вдавливания ролика от количества проходов (оборотов детали) при обкатке без продольной подачи приведены в [9].
Эффект от обкатки проявляется в уменьшении шероховатости поверхности, которая оказывает значительное влияние на ЦП деталей. Чем выше шероховатость поверхности, тем ниже ПВ. Снижение выносливости является следствием концентрации напряжений, создаваемой микронеровностями поверхности.
Цель работы и постановка задачи исследования
Наряду с большими размерами элементов КВ среднеоборотного дизеля (dш 250 мм и т.п.) имеются геометрические области, размеры которых существенно меньше. При расчетах ЦП эти геометрические особенности играют существенную роль, так как являются концентраторами напряжений.
Для получения адекватных результатов необходимо рассматривать трехмерную модель расчета КВ, что является серьезной задачей уже на этапе выбора геометрической модели.
В настоящее время трехмерные прочностные расчеты выполняются с использованием вычислительных программ на основе МКЭ (ANSYS, CATIA, Pro/E, DEFORM-3D и др.). Это обстоятельство вызывает необходимость замены реальной геометрической модели КВ на КЭ модель, при учете всех влияющих геометрических особенностей, состоящую из сотен тысяч элементов. Расчет таких систем может занимать несколько месяцев, поэтому требуется вводить допущения для уменьшения количества элементов.
В нашем случае, при расчете ОН особое внимание следует уделить области галтели и прилегающих участков. Учитывая это обстоятельство, можно выделить из всего КВ наиболее важную для последующего анализа расчетную область (Рисунок 2.2.). Такое допущение позволит увеличить количество элементов в области галтели и повысить точность расчета, а также сократить время вычислений.
Во время процесса обкатки галтелей роликами на вал, вращающийся с частотой n, действует сила давления ролика F – усилие обкатки (Рисунок 2.4.). За счет этого в пятне контакта вала и ролика возникает сила трения, характеризующаяся коэффициентом трения f. Вал фиксируется в фиксаторах (4).
В случае расчета половины длины шатунной шейки требуется задать условие симметрии на поверхности торца шейки (плоскость A). Это условие является правомерным так как, процесс обкатки происходит одновременно для двух галтелей одной шейки и можно предположить, что задача является симметричной. Рисунок 2.4. К выбору граничных условий расчета Эффект от обкатки проявляется в уменьшении шероховатости поверхности заготовки, упрочнении в зоне контактной деформации и создании поля благоприятных ОН. Остаточная напряженность поверхностно-деформированных деталей является главной причиной повышения их ЦП [5,41]. Во время работы в обкатанных деталях возникающие напряжения растяжения от внешней нагрузки суммируются с ОН сжатия, при этом опасные растягивающие напряжения уменьшаются. В процессе обкатки поверхность заготовки КВ претерпевает пластическую деформацию, поэтому задача определения НДС является нелинейной. Это обстоятельство является следствием нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями в пластической области работы материала. Задача определения НДС КВ в процессе обкатки решается с использованием вариационных принципов. Если известно решение линейной задачи, то решается нелинейная задача с помощью итерационного процесса [26,82,83,105,109].
Хотя процесс формоизменения заготовки КВ при обработке ППД сопровождается деформациями, значительно превышающими возможные упругие деформации, в данном случае учет последних крайне необходим. Связано это с тем, что после завершения ППД (снятие усилия обкатки) в заготовке КВ сохраняются самоуравновешенные ОН, механизм образования которых определяется законом о разгрузке. Из сказанного ясно, что модель материала заготовки КВ должна быть упруго-пластической.
Зависимость компонентов деформаций от компонентов напряжений выражается законом Гука, который справедлив до образования пластических деформаций [28,30,77,91], У Е где ju и Е - коэффициент Пуассона и модуль упругости первого рода; 8V- символ Кронекера.
Пластические деформации в упрочняющемся материале возникают, когда компоненты напряжений удовлетворяют условию пластичности F(cr..,z) = 0, (2.2) где х – параметр упрочнения [27,49]. Условие пластичности принимается в виде зависимости Максвелла-Хуберта-Мизеса, устанавливающей связь между интенсивностью напряжений в точке и напряжением текучести JТ [35,54,76]: =(тТ(єРР), (2.3) являющимся функцией интенсивности скорости пластических деформаций в данный момент времени єр и накопленных пластических деформаций к данному моменту времени: sP=\spdt. 0 J /
Связь приращений пластических деформаций с условием пластичности устанавливает ассоциированный закон течения где dX - множитель Лагранжа. Данный закон выражает требование ортогональности вектора приращений пластических деформаций поверхности пластичности в n-мерном пространстве напряжений. Полная деформация при бесконечно малом приращении напряжения складывается из упругой и пластической частей, т.е.
Связь между скоростями точки и компонентами тензора скоростей деформаций задается в виде соотношений Коши для малых деформаций: где v- - компоненты вектора скорости смещения точки по осям координат дх. Функционал баланса мощности внутренних и внешних сил включает в себя скорость рассеяния энергии деформации и мощность, развиваемую действующими на заготовку внешними силами ft на скоростях смещений v. [89]:
Методика расчета в трехмерной постановке напряженно деформированного состояния коленчатого вала в процессе работы форсированного среднеоборотного тепловозного дизеля
КЭ модель расчетной области (Рисунок 3.6.) состоит из 132000 тетраэдрических элементов модели вала (1) (характерный размер грани тетраэдров – от 0.5 мм до 7 мм со сгущением в районе контактных областей).
На Рисунке 3.6. показан участок КВ с галтелью (1) в начальный момент времени, на котором установлены равномерно по окружности три ролика: два ролика клинового профиля (3) и один ролик постоянного профиля (2) (более подробно об этом было сказано в пункте 1.1. данной работы). Вал фиксируется от осевых и радиальных перемещений 4-мя фиксаторами (4). С помощью данных фиксаторов валу передается угловая скорость вращения. Усилие обкатки передается на вал через ролики (2) и (3). Ролики имеют возможность свободно вращаться вокруг своей оси во время процесса обкатки за счет силы трения в пятне контакта с валом (1).
При расчетах принимается, что фиксаторы (4) и ролики (2), (3) являются абсолютно жесткими объектами, т.е. не деформируются под действием приложенных воздействий. Вал (1) являются упруго-пластическим объектом.
В процессе обкатки такая схема расположения роликов обеспечивает: – равномерную степень обкатки по дуге галтели за счет создания переменной области контакта клиновыми роликами; К вращающемуся валу (1) через ролики (2), (3) прикладывается заданное режимом обкатки усилие (Рисунок 3.10.): F=36 кН. Коэффициент трения в местах контакта роликов и вала f=0,12 по данным [15,16,37]. Стоит заметить, что для улучшения процесса сходимости решения все силовые и кинематические воздействия необходимо прикладывать постепенно, т.е. с плавным возрастанием по времени до номинального значения. После достижения номинального значения усилия обкатки этап 1) завершается.
Этап 2) проходит при постоянном номинальном значении усилия обкатки (F=36 кН) и угловой скорости (=11 об/мин) вала (1). Длительность этого этапа определяется режимом ТПО, который задает требуемое количество оборотов вала (1): n=18.
Этап 3) снятия усилия обкатки проходит в противоположном этапу 1) направлении, т.е. последовательно снимается усилие обкатки и угловая скорость вала. После этого моделирование ТПО завершено. 3.1.4. Результаты расчета остаточных напряжений в коленчатом вале после технологического процесса обкатки галтелей
После обкатки галтели роликами в свободном вале существует самоуравновешенное поле напряжений, то есть имеются области как растягивающих, так и сжимающих напряжений. Стоит остановиться непосредственно на окружных ОН , действующих в окружном направлении, которые играют существенную роль в повышении ЦП вала. Эти напряжения распределены в объеме детали таким образом, что в поверхностном слое вала сжимающие напряжения достигают максимального значения по модулю. По мере перехода вглубь детали они уменьшаются, переходя в растягивающие напряжения.
В процессе обкатки на заготовке можно наблюдать деформационный след, характерный для клинового ролика (Рисунок 3.11.).
В определенном диапазоне углов поворота ролика имеет место двойной контакт (A) с заготовкой. За один оборот такой ролик обкатывает галтель по всей дуге, но имеется область (B), которая остается необкатанной после одного прохода клинового ролика. С увеличением количества проходов клинового ролика область (B) будет уменьшаться. Следует отметить, что для реализации обкатки клиновыми роликами существует следующее ограничение: габаритные диаметры ролика и вала не должны быть кратными друг другу. Иначе с увеличением количества проходов ролик будет обкатывать одну и ту же область (A), а зона (B) останется необкатанной.
По мере увеличения количества оборотов деформации увеличиваются. На Рисунке 3.12. показано распределение деформаций в зависимости от количества оборотов обкатки.
Максимальное по модулю напряжение принимает у поверхности вала (= – 423 МПа). Сжимающие напряжения в поверхностном слое вала постепенно переходят в растягивающие напряжения, что можно видеть на Рисунках 3.14, 3.15. Стоит отметить, что на Рисунке 3.15. показано распределение напряжений идентичное Рисунку 3.14. с цветовой масштабной шкалой, на которой откладываются положительные значения напряжений (все отрицательные значения выделены темно-синим цветом).
Таким образом, сохраняется уравновешенность всего вала, ненагруженного внешними усилиями, за счет распределения сжимающих и растягивающих напряжений по объему.
Из диаграммы на Рисунке 3.15. видно, что сжимающие напряжения локализованы на глубину до 3 мм. Эффект на ЦП КВ от влияния сжимающих напряжений будет рассмотрен в пункте 3.2. Величина растягивающих напряжений невелика и достигает значения =39,1 МПа на глубине 5 мм, что вносит незначительное увеличение максимальных напряжений при суммировании с напряжениями в процессе работы КВ и не понижает ЦП детали.
Оценка циклической прочности коленчатых валов с учетом остаточной напряженности поверхностного слоя галтелей вследствие поверхностного пластического деформирования обкаткой роликами
На ОАО “Коломенский завод” проведены усталостные испытания на изгиб одноколенного элемента КВ, содержащего одну шатунную и две коренные шейки. Элемент вырезан из натурного вала по галтелям коренных шеек, примыкающих к поверхностям щек соседних кривошипов. Усталостные испытания одноколенного элемента проводились в специальном приспособлении, которое имеет в качестве опор подшипники качения, обеспечивающие свободу угловых и продольных перемещений коренных шеек, установленных на эти опоры, при действии радиальной нагрузки, приложенной к шатунной шейке в плоскости колена.
Основными несущими деталями приспособления являются опоры (10) с установленными на их концевые цапфы роликовыми подшипниками качения (18). Наружные кольца подшипников запрессованы в обойму (6) и фиксируются от осевых перемещений фланцами (19) и болтами (20). Опоры соединены между собой шпильками (22).
Одноколенный элемент вала (1) устанавливается на секторы вкладышей коренных подшипников (16), которые опираются на переходники (9), лежащие на опорах (10). Одноколенный элемент крепится к опорам при помощи шпилек (25) и хомута (4). Для предотвращения поворота вала предусмотрена планка (5), крепящаяся опоре (10) и к шатунной шейке болтами.
Закрепленный на опорах элемент вала устанавливается на опорные плиты (8), прикрепленные к столу испытательной машины. Плиты жестко скреплены между собой поперечными планками (15) и центрируются на столе испытательной машины бонкой (12).
Для исключения боковых усилий в силовом цилиндре испытательной машины и обеспечения свободы перемещений элемента вала в плолкости кривошипа, используются специальные переходники (3) и пуансон (2) с плоской опорной поверхностью. Переходник закреплен на фланце испытательной машины планками (24). К нему крепится пуансон с закрепленным на нем сектором вкладыша (17).
При проведении испытаний гайки на шпильках (22) отворачиваются, что позволяет обеспечить свободу угловых и продольных перемещений коренных шеек под действием нагрузки.
Испытания осуществлялись в условиях синусоидального цикла нагружения с частотой 12 Гц при максимальной нагрузке 1600 кН и минимальной нагрузке 100 кН. Цикл нагружения близок к пульсационному (отнулевому), коэффициент асимметрии цикла r=0,06.
Элемент КВ прошел базу испытаний 107 циклов без разрушений и микротрещин. Контроль состояния вала выполнялся методом цветной дефектоскопии.
Перед началом испытаний было осуществлено статическое тензометрирование наиболее нагруженных районов вала: радиусный переход (галтель) от поверхности шатунной шейки к щеке вала, а также кромки масляных отверстий на поверхности шатунной шейки. Выполненный анализ показал, что уровень напряжений в указанных районах соответствует уровню напряжений в серийном КВ.
Вычисленный по результатам испытаний коэффициент поверхностного упрочнения рэксп =158. В п. 3.3.3. расчетом было установлено, что максимальное УПР значение ррасч =1 61, которое отражает только влияние ОН на ЦП. В первой главе УПР было показано, что эффект от поверхностного пластического деформирования обкаткой роликами на ЦП выражается не только в создании поля сжимающих ОН, но и в уменьшении шероховатости поверхности и в улучшении механических свойств материала. По этой причине суммарный коэффициент упрочнения будет иметь большее значение близкое к 1,8, что согласуется со значением, полученным по результатам испытаний.
С целью определения достоверности (верификации) предложенного алгоритма расчета ОН в КВ в трехмерной постановке после ТПО галтелей роликами был проведен сравнительный анализ результатов расчета (№1 и №2), соответствующих разным параметрам обкатки, и экспериментальных данных. За основу были выбраны результатов эксперимента О.О. Куликова и В.М. Браславского [45] по обкатке крупных валов диаметром 230 мм из стали 50.
Геометрическая модель расчета процесса обкатки вала представлена на Рисунке 4.2. Через ось 2 ролика 1 на вал 3 передается усилие обкатки F. Модель материала вала - упруго-пластическая (сталь 50), ролика - упругая (ШХ15). Вал 3 вращается вокруг своей оси. За счет сил трения в пятне контакта вала 3 и ролика 2 последний совершает вращательное движение вокруг оси 1.
Для выбранной геометрической модели создана КЭ модель со сгущением сетки на поверхности вала (Рисунок 4.3.). Количество элементов сетки вала - 100 тыс., ролика - 53 тыс. элементов.