CC BY
9УДК 621.01
А.С. Рукодельцев, к.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ»
603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
А.В. Лаврухин, директор ООО «Ремсервис»
Г.Г. Ермолаев, инженер-механик ООО «Ремсервис»
606000, Нижегородская область, г. Дзержинск, Восточный промрайон,
«Капролактам», зд. 20
АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ КРАНОВЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ В МОДУЛЕ АРМ 'Ш^ТКиСТиКЕЗБ
Ключевые слова: усталостная долговечность, напряжение, выносливость.
Приведен анализ механизма усталостного разрушения крановых металлоконструкций
- двутавровой балки.
Если детали подвержены действию переменных нагрузок, то при определенных значениях переменных напряжений, возникающих внутри их объема, начинают протекать процессы зарождения и развития трещин, что, в конечном итоге, может привести к внезапному разрушению этих деталей. Зарождение трещин связано с накоплением повреждений, а их количество зависит от числа циклов нагружения детали. Вероятность появления трещины больше там, где выше уровень напряжений, и в этом смысле опасными являются как номинальные, так и местные напряжения.
Процесс зарождения трещины случаен и в сильной степени зависит от размеров зерен. Кроме того, причиной ее возникновения могут быть пластические деформации сдвига, появляющиеся в отдельных неблагоприятно ориентированных зернах. Следы таких сдвигов можно наблюдать и при малом числе циклов нагружения. Они бывают заметными даже в деталях, отработавших лишь один процент времени от фактической долговечности. Опасным местом зарождения и роста трещины является также поверхностный слой, который из-за наличия шероховатостей и поверхностных напряжений сам является концентратором напряжений. Процесс пластического деформирования вблизи поверхности оказывается более легким, чем в толще материала. Этим можно объяснить тот факт, что почти все трещины, приводящие к разрушению, начинаются с поверхности. Ярким доказательством этого служит периодическая обработка поверхности с целью удаления дефектного слоя, которая приводит к значительному увеличению срока службы детали, работающей в условиях переменного нагружения.
Механизм разрушения детали определяется многими факторами: неоднородностью структуры материала, наличием дефектов кристаллической решетки, примесей, включений и т. п. Возникновение микроскопических трещин, чаще всего связанное с перемещением дислокаций на границу зерна и их объединением, начинается в наиболее напряженных зонах. С течением времени трещины группируются, образуя макроскопические структуры протяженностью 0,1^0,5 мм. Повреждения таких размеров, являясь дополнительными концентраторами, способны существенно изменить картину распределения напряжений, что значительно ускоряет процесс разрушения.
Скорость процесса роста трещины зависит также от температуры тела. Поскольку в процессе нагружения механическая система поглощает энергию, то ее температура при этом возрастает, что приводит к увеличению подвижности дислокаций и скорости роста трещин [1]. Замедлить этот процесс можно с помощью теплоотвода.
Описанный выше тип разрушений является наиболее частой причиной поломки
машин, однако именно он менее всего прогнозируем. Способность металла сопротивляться процессу накопления повреждений, вызванному переменным характером нагружения, называют выносливостью. В основе расчетов на выносливость лежат фундаментальные экспериментальные исследования поведения материалов в условиях их переменного нагружения.
о
/"V /г\ *
! \ / \ \а,т/ \
0 I
Рис. 1
В большинстве случаев смена режимов нагружения происходит периодически (циклически). Это приводит к возникновению таких же переменных напряжений. Для периодического нагружения важной характеристикой является цикл. Под циклом нагружения понимается совокупность переменных напряжений за время, равное одному периоду. За время цикла напряжение меняются в пределах, где 7 7 ^ 7 -., где сттт и стах наименьшее и наибольшее напряжения цикла.
Для характеристики цикла можно использовать следующие параметры (рис. 1): - среднее (постоянное) напряжение цикла
-V: = -:-; (1)
амплитудное напряжение цикла
- коэффициент асимметрии
(2)
(3)
Рассмотрим несколько важных с практической точки зрения характерных циклов:
1;
- симметричный (рис. 2а) оат = отах= - атЫгат = О, К =
- асимметричный (рис. 26) аЬваЬ5(<ттт):
- пульсирующий положительный (рис. 2в)
®тт — (1ат — й — — 0,
- пульсирующий отрицательный (рис. 2г)
0. а„
-О г,
—СГ„
г/2,К = +«;
- постоянный
= 0, Я = 1.
(4)
На практике наиболее просто реализовать случай симметричного нагружения (рис. 2а). В этом смысле он является базовым и лежит в основе исследований на выносливость.
Рис. 2.
Экспериментально построенная кривая, определяющая зависимость допустимого напряжения ст от числа циклов нагружения Ы, называется кривой выносливости. Чаще всего она строится по результатам испытания цилиндрических образцов на изгиб при их вращении. Следует отметить, что число циклов до разрушения - непостоянная величина, а потому корректное построение кривой выносливости требует довольно большого числа испытаний с последующей статистической обработкой полученных значений. В качестве примера на рис. 3 приведена кривая, отражающая данные эксперимента для образцов из углеродистой стали в условиях симметричного нагружения.
Рис. 3
Аналитическое уравнение этой кривой может быть записано в виде
(5)
Здесь т - показатель степени, зависящий от материала и термообработки. Если нет более достоверных сведений, то величину показателя степени можно оценить с помощью формулы
т = 5 + СТь 80
(6)
где сть - предел прочности.
Как следует из рисунка, кривая выносливости делится на два участка. На первом
степенная зависимость оказывается ярко выраженной, а на втором наблюдается асимптотическое стремление функции к пределу Нто"^ = °-г
Уровень напряжений, соответствующий этому пределу и характеризующий усталостную прочность, называется пределом выносливости и обозначается стЯ, где нижний индекс равен коэффициенту асимметрии цикла. Так, в данном случае обозначение ст-1 говорит о том, что напряжение определяется для случая симметричного нагружения, для которого Я = - 1. Число циклов нагружения Ыа, соответствующее границе перехода от первого участка ко второму, называется базовым числом циклов.
В области малых значений чисел циклов напряжения ограничены пределом прочности сть. Под малым значением чисел циклов следует понимать диапазон 0 < N <102, для которого нет необходимости учитывать переменный характер режима нагружения. Область 102 < N <103 соответствует малоцикловой усталости. Числа циклов, принадлежащие диапазону 103 < N < да, составляют область многоцикловой усталости. Следует отметить, что режим нагружения с малым числом циклов N = 102^103, на практике встречается редко и поэтому здесь не рассматривается. Все дальнейшие выводы относятся к области многоцикловой усталости.
Параметры кривой выносливости определяются экспериментально, но для практического применения можно использовать приближенные зависимости, полученные с помощью обработки результатов огромного количества испытаний. Установлено, например, что предел усталостной прочности по нормальным изгибным напряжениям для сталей лежит в пределах &_1 = (0,4 + 0,5)<ть, где аь - предел прочности материала. Более точная зависимость описывается выражением
о_1 = (0,55 - 0,0001<тй)<т&
Предел прочности снижается, если кроме основных (номинальных) напряжений в образце возникают напряжения местного характера, превосходящие основной уровень (рис. 4). Местные напряжения появляются в областях резкого изменения конфигурации детали, которые называются концентраторами. В качестве концентраторов могут выступать галтели, канавки, отверстия, шпоночные пазы, шлицевые участки и т.д. Отметим, что разделение напряжений на номинальные и местные несколько условно. Современные численные методы расчета напряженно - деформированного состояния детали позволяют определить напряжения в любой точке, включая и местные напряжения, не разделяя их по признакам (рис. 5) [2].
Рис. 4.
Рис. 5.
Список литературы:
[1] Снитко Н.К. Сопротивление материалов. Учебное пособие. Л., Изд-во Ленингр. ун-та., 1975. 368 с.
[2] Замрий А.А. Проектирование и расчет методом конечных элементов трехмерных конструкций в среде APM Structure3D. - М.: Издательство АПМ. 2006. - 288 с.
ANALYSIS OF THE MECHANISM OF FATIGUE FAILURE OF PARTS OF CRANE METAL STRUCTURES IN THE MODULE APM WINSTRUCTURE3D
A.S. Rukodeltsev, A.V. Lavrukhin, G.G. Ermolaev
Keywords: fatigue life, stress, endurance.
An analysis of the mechanism offatigue failure of crane metal structures - I-beam.
