Влияние резких изменений сечения деталей, работающих в условиях переменных напряжений, на их прочность хорошо известно конструкторам. Тем не менее, до сих пор в деталях дизеля встречаются такие изменения сечений, которые, являясь концентраторами напряжений, резко снижают надежность и срок их службы. Напомним некоторые элементарные положения о распределении напряжений в деталях сложной формы.
Известно, что срок службы той или иной детали механизма зависит не только от средней величины периодически меняющейся нагрузки на нее и от предела усталости материала, из которого она изготовлена, но также от ее формы При наличии резких переходов сечений, отверстий, канавок, шпоночных пазов напряжения распределяются неравномерно и резко возрастают в указанных местах, которые принято называть концентраторами напряжений.
Исследования показали, что для образования усталостной трещины решающее значение имеют величины местных напряжений, возникающих в местах резкого изменения формы детали, или при повреждении ее поверхности (царапины, риски), или в местах нарушения сплошности материала (пустоты, включения, трещины). Величины местных напряжений обычно значительно превышают наибольшие напряжения, возникающие при отсутствии факторов концентрации
Для уменьшения величин концентрации напряжений часто вносят незначительные изменения в форму детали, сохранив ее общие конструктивные очертания. К таким изменениям относятся: замена резких переходов сечения галтелью, изменение формы шпоночной канавки, перенесение отверстий для стопоров, или смазки в другое сечение, изменение формы или размеров круговой канавки и т. д.
При профилактических осмотрах деталей нужно прежде всего обращать внимание на места, где могут возникнуть концентрации напряжений, так как в этих местах прежде всего и возникают трещины.
Механики должны знать, в каких зонах и сечениях наиболее вероятно возникновение концентрации напряжений, уметь обнаруживать признаки усталостного разрушения в самой начальной стадии, задолго до того, как наступит разрушение детали. Кроме того, во избежание увеличения концентрации напряжений механикам следует оберегать поверхности участков, в которых вероятна концентрация напряжений, от каких бы ни было повреждений (рисок, царапин, шероховатостей и т. д.).
Но если этим и ограничиваются действия судовых механиков в борьбе с разрушениями деталей, то СРЗ совместно с конструкторскими бюро располагают средствами для уменьшения концентрации напряжений не только при изготовлении новых деталей, но и при ремонте старых. При этом руководствуются следующими соображениями. В нагруженном осевой силой стержне с постоянным по длине сечением поток силовых линий распределяется равномерно по сечению и длине стержня и вызывает в нем равномерные деформации и упругое смещение зерен металла.
Рис 11. Смещение силовых линий в надрезе
Всякий надрез стержня или изменение его сечения вызывает изменение направления соответствующих силовых линий. Перерезанные волокна материала при взаимном смещении благодаря боковому сцеплению с соседними находят опору во внутренних неперерезанных волокнах и перегружают их тем больше, чем ближе к надрезу они находятся.
Рис 12. Эллиптическая переходная галтель для круглых стержней, работающих на кручение и изгиб
Поток силовых линий, подходя к надрезу или месту перехода одного сечения в другое (рис.11), претерпевает более или менее резкое сжатие, вследствие чего происходит как бы уплотнение напряженности металла, достигающее максимума у основания надреза или галтели. Чем острее надрез и чем резче переход из одного сечения в другое, тем сильнее повышается напряжение у основания надреза или галтели.
Отсюда следует, что для уменьшения концентрации напряжений необходимо постепенное и по возможности равномерное изменение напряжения силового потока. Этого можно достигнуть, придав детали такую форму, которая давала бы силовому полю плавное и равномерное уплотнение по всему работающему сечению или же направляла его через другие менее нагруженные зоны сечения.
С. И. Пеньков приводит несколько примеров уменьшения концентрации напряжений конструктивными способами.
Рекомендуется при образовании переходной галтели от одного сечения вала к другому делать ее не по дуге круга с радиусом г, а по эллипсу (рис. 12, а).
Эллиптическая дуга, замененная сочетанием двух-трех круговых кривых радиусов, в начале галтели будет иметь больший радиус закругления, чем у обычно однорадиусной круговой галтели. Это даст соответствующее снижение концентрации напряжений в наиболее опасном месте галтели.
Так как удлинение эллиптической галтели происходит за счет уменьшения рабочей длины шейки вала, то (во избежание слишком большого уменьшения последней) рассчитывают оптимальные r1,r2,r3 для трех дуг, составляющих кривую эллипса. Такой способ образования галтели рекомендуется при изготовлении новых деталей взамен сломавшихся вследствие малого радиуса галтели.
Во избежание сокращения рабочей длины шейки вала может быть применена галтель с поднутрением уступа (рис. 12,6). Радиусы поднутрения также определяют расчетом.
Рис. 13. Уменьшение концентрации напряжений на валу при помощи разгружающих выточек
При наличии на валу круговой выточки (рис. 13, а) рекомендуется по обе ее стороны сделать еще по одной выточке (рис. 13, б).
Как показали лабораторные исследования, коэффициент концентрации напряжений ак одиночной выточки при работе вала на изгиб по статическим измерениям оказался равным 2,4.
После того, как на таком же образце были сделаны еще две выточки, величина ак уменьшилась для крайней выточки до 1,8, а для средней — до 1,6. Такое уменьшение коэффициента обусловливается более плавным отклонением силового потока на большей длине.
Такая рекомендация очень показательна, но не на всех деталях может быть применена. Во всяком случае ее нужно иметь в виду и по возможности выполнять.
Рис. 14. Уменьшение концентрации напряжений на валу с переходным диаметром при помощи дополнительной выточки
Для валов, имеющих переходы с одного диаметра на другой, помимо галтели, рекомендуется дополнительная выточка на большем диаметре в непосредственной близости от переходного сечения. На рис. 14, а показан образец с переходом диаметров от 10 к 9 мм. После того как на большем диаметре была сделана выточка диаметром 9,1 мм (рис. 14,6), образец оказался прочнее на 9%.
Среди деталей дизеля встречаются валы с поперечным отверстием, работающие на изгиб или кручение. Наиболее высокие напряжения у них наблюдаются по краям поперечного отверстия (рис. 15, а). Если с обеих сторон отверстия сделать закругленные вырезки в виде лунок или, что еще лучше, вмятины (рис. 15,6), то силовой поток будет плавно отклоняться от наиболее опасного места сечения, а прочность валика при изгибе повысится примерно на 14% при вырезке лунки и почти полностью восстановится при вдавливании впадины.
Рассмотрим некоторые рекомендации, способствующие уменьшению концентрации напряжений в наиболее опасных сечениях коленчатых валов. Больше всего такими исследованиями занималась автомобильная промышленность, но теоретическая база исследований в общих чертах распространяется и на мощные малооборотные дизели морских судов.
Рис. 16. Способы уменьшения концентрации напряжений в коленчатых валах
Конструктивные способы уменьшения концентрации напряжений в коленчатых валах показаны на рис. 16.
Наибольшая концентрация напряжений в колене находится в переходах круглых шеек в прямоугольную щеку у входящих углов (район К, рис. 16, а). Для разгрузки наиболее опасных мест колена применяют вырезы в щеках у входящих углов (рис. 16,6).
В дисковых щеках, нередко встречающихся у высокооборотных дизелей и компрессоров холодильных установок, вырезают фигурные просветы (рис. 16, б). Такие просветы создают наиболее выгодное распределение силовых линий от щеки к шейке.
Исследованиями установлено, что относительная прочность коленчатых валов на усталость при кручении характеризуется пределами усталости: t-i=4,5 кгс/см2 — для обычной конструкции шеек и щеки (рис. 16, г) и t-i = 8,5 кгс/см2 — для шеек с прямым сверлением (рис. 16, д). При бочкообразной расточке шеек (рис. 16, е) и применении фигурных вырезов на дисковых щеках т_1 = 1б кгс/см2.
Применяют также перекрытие шеек (рис. 16,ж), однако при изготовлении нового вала вместо старого этот способ не применим. Перекрытие шеек значительно улучшает распределение силовых линий от щеки к шейке и уменьшает концентрацию напряжений до 20% во входящих углах при изгибе и кручении.
Другим опасным местом в коленчатых валах является поперечное смазочное отверстие шейки. По возможности масляные каналы следует располагать так, чтобы они проходили как можно дальше от опасных зон концентрации напряжений в соединениях шеек со щеками (см. рис. 16,ж). Наклонное расположение канала в плоскости мотыля при изгибе повышает предел усталости, а при кручении — снижает.
При оценке пределов усталости отдельных деталей дизеля нужно иметь в виду следующее. В литературе чаще всего приводят величины пределов усталости не самих деталей, а образцов, изготовленных из того же материала, что и деталь. Пределы усталости, полученные на образцах, всегда выше пределов, которые были бы получены при испытании самой детали.
С. И. Пеньков приводит результаты испытаний по усталостной прочности натуральных коленчатых валов автомобильных и авиационных двигателей и их образцов. Сопоставление результатов показывает, что пределы усталости натуральных коленчатых валов составляют 0,27—0,46 от предела усталости гладкого лабораторного образца. Учитывая масштабный фактор, можно полагать, что для больших коленчатых валов морских дизелей эта разница еще больше. Поскольку еще не существует стендов для испытаний коленчатых валов с диаметром шеек, допустим, 500 мм, то усталостную прочность больших валов принимают согласно установленным соотношениям результатов испытаний, полученных на образцах.
Известно, что срок службы той или иной детали механизма зависит не только от средней величины периодически меняющейся нагрузки на нее и от предела усталости материала, из которого она изготовлена, но также от ее формы При наличии резких переходов сечений, отверстий, канавок, шпоночных пазов напряжения распределяются неравномерно и резко возрастают в указанных местах, которые принято называть концентраторами напряжений.
Исследования показали, что для образования усталостной трещины решающее значение имеют величины местных напряжений, возникающих в местах резкого изменения формы детали, или при повреждении ее поверхности (царапины, риски), или в местах нарушения сплошности материала (пустоты, включения, трещины). Величины местных напряжений обычно значительно превышают наибольшие напряжения, возникающие при отсутствии факторов концентрации
Для уменьшения величин концентрации напряжений часто вносят незначительные изменения в форму детали, сохранив ее общие конструктивные очертания. К таким изменениям относятся: замена резких переходов сечения галтелью, изменение формы шпоночной канавки, перенесение отверстий для стопоров, или смазки в другое сечение, изменение формы или размеров круговой канавки и т. д.
При профилактических осмотрах деталей нужно прежде всего обращать внимание на места, где могут возникнуть концентрации напряжений, так как в этих местах прежде всего и возникают трещины.
Механики должны знать, в каких зонах и сечениях наиболее вероятно возникновение концентрации напряжений, уметь обнаруживать признаки усталостного разрушения в самой начальной стадии, задолго до того, как наступит разрушение детали. Кроме того, во избежание увеличения концентрации напряжений механикам следует оберегать поверхности участков, в которых вероятна концентрация напряжений, от каких бы ни было повреждений (рисок, царапин, шероховатостей и т. д.).
Но если этим и ограничиваются действия судовых механиков в борьбе с разрушениями деталей, то СРЗ совместно с конструкторскими бюро располагают средствами для уменьшения концентрации напряжений не только при изготовлении новых деталей, но и при ремонте старых. При этом руководствуются следующими соображениями. В нагруженном осевой силой стержне с постоянным по длине сечением поток силовых линий распределяется равномерно по сечению и длине стержня и вызывает в нем равномерные деформации и упругое смещение зерен металла.
Всякий надрез стержня или изменение его сечения вызывает изменение направления соответствующих силовых линий. Перерезанные волокна материала при взаимном смещении благодаря боковому сцеплению с соседними находят опору во внутренних неперерезанных волокнах и перегружают их тем больше, чем ближе к надрезу они находятся.
Поток силовых линий, подходя к надрезу или месту перехода одного сечения в другое (рис.11), претерпевает более или менее резкое сжатие, вследствие чего происходит как бы уплотнение напряженности металла, достигающее максимума у основания надреза или галтели. Чем острее надрез и чем резче переход из одного сечения в другое, тем сильнее повышается напряжение у основания надреза или галтели.
Отсюда следует, что для уменьшения концентрации напряжений необходимо постепенное и по возможности равномерное изменение напряжения силового потока. Этого можно достигнуть, придав детали такую форму, которая давала бы силовому полю плавное и равномерное уплотнение по всему работающему сечению или же направляла его через другие менее нагруженные зоны сечения.
С. И. Пеньков приводит несколько примеров уменьшения концентрации напряжений конструктивными способами.
Рекомендуется при образовании переходной галтели от одного сечения вала к другому делать ее не по дуге круга с радиусом г, а по эллипсу (рис. 12, а).
Эллиптическая дуга, замененная сочетанием двух-трех круговых кривых радиусов, в начале галтели будет иметь больший радиус закругления, чем у обычно однорадиусной круговой галтели. Это даст соответствующее снижение концентрации напряжений в наиболее опасном месте галтели.
Так как удлинение эллиптической галтели происходит за счет уменьшения рабочей длины шейки вала, то (во избежание слишком большого уменьшения последней) рассчитывают оптимальные r1,r2,r3 для трех дуг, составляющих кривую эллипса. Такой способ образования галтели рекомендуется при изготовлении новых деталей взамен сломавшихся вследствие малого радиуса галтели.
Во избежание сокращения рабочей длины шейки вала может быть применена галтель с поднутрением уступа (рис. 12,6). Радиусы поднутрения также определяют расчетом.
При наличии на валу круговой выточки (рис. 13, а) рекомендуется по обе ее стороны сделать еще по одной выточке (рис. 13, б).
Как показали лабораторные исследования, коэффициент концентрации напряжений ак одиночной выточки при работе вала на изгиб по статическим измерениям оказался равным 2,4.
После того, как на таком же образце были сделаны еще две выточки, величина ак уменьшилась для крайней выточки до 1,8, а для средней — до 1,6. Такое уменьшение коэффициента обусловливается более плавным отклонением силового потока на большей длине.
Такая рекомендация очень показательна, но не на всех деталях может быть применена. Во всяком случае ее нужно иметь в виду и по возможности выполнять.
Для валов, имеющих переходы с одного диаметра на другой, помимо галтели, рекомендуется дополнительная выточка на большем диаметре в непосредственной близости от переходного сечения. На рис. 14, а показан образец с переходом диаметров от 10 к 9 мм. После того как на большем диаметре была сделана выточка диаметром 9,1 мм (рис. 14,6), образец оказался прочнее на 9%.
Среди деталей дизеля встречаются валы с поперечным отверстием, работающие на изгиб или кручение. Наиболее высокие напряжения у них наблюдаются по краям поперечного отверстия (рис. 15, а). Если с обеих сторон отверстия сделать закругленные вырезки в виде лунок или, что еще лучше, вмятины (рис. 15,6), то силовой поток будет плавно отклоняться от наиболее опасного места сечения, а прочность валика при изгибе повысится примерно на 14% при вырезке лунки и почти полностью восстановится при вдавливании впадины.
Конструктивные способы уменьшения концентрации напряжений в коленчатых валах показаны на рис. 16.
Наибольшая концентрация напряжений в колене находится в переходах круглых шеек в прямоугольную щеку у входящих углов (район К, рис. 16, а). Для разгрузки наиболее опасных мест колена применяют вырезы в щеках у входящих углов (рис. 16,6).
В дисковых щеках, нередко встречающихся у высокооборотных дизелей и компрессоров холодильных установок, вырезают фигурные просветы (рис. 16, б). Такие просветы создают наиболее выгодное распределение силовых линий от щеки к шейке.
Исследованиями установлено, что относительная прочность коленчатых валов на усталость при кручении характеризуется пределами усталости: t-i=4,5 кгс/см2 — для обычной конструкции шеек и щеки (рис. 16, г) и t-i = 8,5 кгс/см2 — для шеек с прямым сверлением (рис. 16, д). При бочкообразной расточке шеек (рис. 16, е) и применении фигурных вырезов на дисковых щеках т_1 = 1б кгс/см2.
Применяют также перекрытие шеек (рис. 16,ж), однако при изготовлении нового вала вместо старого этот способ не применим. Перекрытие шеек значительно улучшает распределение силовых линий от щеки к шейке и уменьшает концентрацию напряжений до 20% во входящих углах при изгибе и кручении.
Другим опасным местом в коленчатых валах является поперечное смазочное отверстие шейки. По возможности масляные каналы следует располагать так, чтобы они проходили как можно дальше от опасных зон концентрации напряжений в соединениях шеек со щеками (см. рис. 16,ж). Наклонное расположение канала в плоскости мотыля при изгибе повышает предел усталости, а при кручении — снижает.
При оценке пределов усталости отдельных деталей дизеля нужно иметь в виду следующее. В литературе чаще всего приводят величины пределов усталости не самих деталей, а образцов, изготовленных из того же материала, что и деталь. Пределы усталости, полученные на образцах, всегда выше пределов, которые были бы получены при испытании самой детали.
С. И. Пеньков приводит результаты испытаний по усталостной прочности натуральных коленчатых валов автомобильных и авиационных двигателей и их образцов. Сопоставление результатов показывает, что пределы усталости натуральных коленчатых валов составляют 0,27—0,46 от предела усталости гладкого лабораторного образца. Учитывая масштабный фактор, можно полагать, что для больших коленчатых валов морских дизелей эта разница еще больше. Поскольку еще не существует стендов для испытаний коленчатых валов с диаметром шеек, допустим, 500 мм, то усталостную прочность больших валов принимают согласно установленным соотношениям результатов испытаний, полученных на образцах.
Комментариев нет:
Отправить комментарий
Примечание. Отправлять комментарии могут только участники этого блога.