Научная статья на тему 'Методика оценки долговечности коленчатого вала судового ДВС по реальному профилю микронеровностей его поверхностей'

Методика оценки долговечности коленчатого вала судового ДВС по реальному профилю микронеровностей его поверхностей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
422
155
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ / ДОЛГОВЕЧНОСТЬ / УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ / ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТЕЙ / ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ КОЭФФИЦИЕНТ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ / CRANKSHAFT / DURABILITY / FATIGUE STRENGTH / SURFACE ROUGHNESS / THEORETICAL STRESS CONCENTRATION FACTOR

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Мамонтов Виктор Андреевич, Синельщикова Оксана Николаевна

Шероховатость оказывает большое влияние на несущую способность деталей, в частности на выносливость, снижая ее. Данное влияние связано с концентрацией напряжений от микронеровностей поверхностей, которая возникает в их впадинах и зависит от глубины, шага и радиуса закругления впадин. Исходя из этого усталостная прочность деталей машин в значительной степени должна определяться высотой микронеровностей поверхности. Представлен анализ современных способов оценки теоретического коэффициента концентрации напряжений от микронеровностей поверхностей деталей. Предложена методика оценки усталостной прочности коленчатого вала по шероховатости его поверхностей. Библиогр. 5. Ил. 3.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE CRANKSHAFT DURABILITY EVALUATION PROCEDURE OF MARINE COMBUSTION MOTOR IN ACCORDANCE WITH REAL PROFILE OF MICROROUGHNESSES OF ITS SURFACES

The surface undulation has a great impact on loading capacity of machine elements, especially on robustness, and makes it lower. This impact is caused by stress concentration from surface microroughness which appears at their valleys and depends on valley depth, step and rounded radius. On this basis fatigue strength of machine elements must mainly depend on the depth of the surface microroughness. The analysis of modern evaluation methods of theoretical stress concentration factor from the surface microroughness of the details is given. The crankshaft fatigue strength evaluation procedure in accordance with its surface roughness is offered.

Текст научной работы на тему «Методика оценки долговечности коленчатого вала судового ДВС по реальному профилю микронеровностей его поверхностей»

УДК 620.178.3

В. А. Мамонтов, О. Н. Синельщикова

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА СУДОВОГО ДВС ПО РЕАЛЬНОМУ ПРОФИЛЮ МИКРОНЕРОВНОСТЕЙ ЕГО ПОВЕРХНОСТЕЙ

Долговечность машин ограничивается сопротивлением усталости их деталей. Известно, что к основным факторам, влияющим на сопротивление усталости, относится шероховатость поверхности деталей. Шероховатость поверхности практически не оказывает влияния на прочность деталей, нагружаемых статическими силами. Но при циклических нагрузках она значительно влияет на усталостную прочность металлов, снижая её. Неровности, образующиеся на поверхности, являются концентраторами напряжений и играют роль очагов возникновения суб-микроскопических нарушений сплошности металла поверхностного слоя, становясь первопричиной образования усталостных трещин. Концентрация напряжений, возникающая во впадинах микронеровностей, зависит от высоты, радиуса закругления впадин и шага микронеровностей.

Для судовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) срок службы коленчатого вала определяет общий срок службы двигателя, т. к. в связи с высокой стоимостью и трудоемкостью изготовления коленчатого вала восстановление двигателя часто бывает нецелесообразным. Поломка коленчатого вала может привести к длительным простоям или стать причиной крупной аварии судна.

Во время освидетельствования техническое состояние коленчатого вала проверяют путем измерения раскепов и просадки. При осмотре коленчатого вала выявляют также отсутствие царапин, рисок и задиров. Известно, что к разрушению коленчатых валов, работающих при переменных нагрузках, приводит зарождение и развитие усталостных трещин в галтелях, шейках и щеках валов. Именно поэтому шероховатость поверхности в вышеуказанных элементах во многом определят долговечность коленчатого вала. В связи с этим при изготовлении или ремонте шейки и галтели подвергают полированию для уменьшения высоты микронеровностей. Однако в процессе эксплуатации, в силу разных причин, высота микронеровностей изменяется в сторону их увеличения, что может вызвать усталостные поломки.

Влияние шероховатости поверхности на сопротивление усталости обычно оценивается теоретическим коэффициентом концентрации напряжений ас . По литературным данным, значение теоретических коэффициентов концентрации напряжений от микронеровностей поверхности после механической обработки может составлять величину от 1,5 до 3, что сильно может снижать усталостную прочность.

В общем случае теоретический коэффициент концентрации напряжений определяется отношением максимального напряжения стах в зоне концентрации к номинальному напряжению сн в том же месте:

а ^тах

ис - .

Номинальные напряжения вычисляются по формулам сопротивления материалов без учета концентрации напряжений, в то время как нахождение максимального напряжения связано с решением уравнений теории упругости.

Авторы ряда работ предлагают учитывать влияние микронеровностей поверхности на усталостную прочность деталей машин при помощи теоретического коэффициента концентрации напряжений ао, полученного решениями Г. Нейбера. В [1] рассмотрен ряд случаев надрезов (выточек) в пластинке и круглом стержне. Решение представлено в криволинейных (эллиптических) координатах и и V. Для получения наиболее простого хода решения задачи рассматриваются выточки гиперболической формы, поскольку Нейбер считает, что различные формы выточек оказывают малое влияние на коэффициент концентрации напряжения, и, следовательно, выбор круговой или гиперболической выточки большой роли не играет.

При решении уравнений теории упругости используется метод трех функций, согласно которому компоненты перемещений и напряжений вычисляются через одну пространственную

функцию напряжений, которая, в свою очередь, выражена тремя гармоническими составляющими. Для вывода формул коэффициентов концентрации напряжений рассматриваются две задачи: для глубокой и мелкой выточек.

Наибольший интерес представляет вывод формулы коэффициента концентрации напряжений для мелкой выточки, поскольку ее используют для учета влияния шероховатости поверхности на усталостную прочность. Для данного случая Нейбер отмечает, что напряжение меняется только у самой выточки, оставаясь равномерным в остальной части ширины образца, а коэффициент концентрации напряжений зависит только от соотношения глубины выточки и радиуса ее закругления и не зависит от ширины образца.

Поскольку мелкая выточка характеризуется тем, что можно пренебречь отношением радиуса выточки к половине ширины образца, то для этого случая Нейбер выбирает следующую систему координат (рис. 1):

X = и +

У = V-

22 и + V

/

р

и = и

X

Рис. 1. Мелкая внешняя выточка при растяжении

и

V

Коэффициент концентрации напряжений а^ для рассматриваемого случая при растяжении и изгибе приближенно будет равен:

где t - глубина выточки; р - радиус ее закругления.

В случае большого ряда мелких выточек глубина t заменяется приведенной глубиной t :

t пр = У ■ t ,

где у - коэффициент, зависящий от отношения шага надреза к его высоте.

Тогда коэффициент концентрации напряжений определяется по формуле

ак =1 + 2^ур . (1)

Теория Нейбера нашла широкое применение в расчетах на прочность. Многие авторы не только используют ее для расчета теоретического коэффициента концентрации напряжений от шероховатой поверхности, но и сопоставляют свои результаты вывода формул с зависимостью (1), показывая степень их совпадения.

В [2] предлагается ряд подходов к определению теоретического коэффициента концентрации напряжений от шероховатости поверхности. При выводе формул распределение напряжений вблизи обработанной поверхности изучается методами теории упругости с привлечением аппарата теории случайных величин. На основе положений теории упругости авторами [3] получены соотношения для избыточного (сверх единицы) коэффициента концентрации напряжений и приближенные соотношения для вычисления избыточного коэффициента концентрации напряжений. Способ расчета теоретического коэффициента концентрации напряжений при известных гармонических составляющих профиля поверхности представлен в [4].

Вышеуказанные способы оценки теоретического коэффициента концентрации напряжений, безусловно, заслуживают внимания. Однако их авторы рассматривают образцы, имеющие ряд мелких выточек [1], кольцевых надрезов, канавок [3] или представляют шероховатость поверхности системой периодически повторяющихся выступов и впадин [2, 4]. Данные подходы весьма приближенно отождествляют реальный профиль микронеровностей поверхности после механической обработки. В связи с этим современные способы оценки теоретического коэффициента концентрации напряжений, не учитывающие реальный профиль микронеровностей поверхности, далеки от совершенства и требуют уточнения.

Согласно Российскому речному регистру [5], расчет коленчатых валов ДВС на прочность включает в себя расчеты коренной шейки (кручение), шатунной шейки (кручение и изгиб) и щеки (кручение и изгиб) на усталостную прочность. Коэффициенты запаса прочности при кручении ст и изгибе са определяются по формулам:

^ = 1-^-----------, (2)

— - -Р + -хт

ет

Са=, „ °"1-----------------------------------------, (3)

—„•а.

еа

Р + Уа-О,

где х_1 и а_1 - пределы выносливости в случаях кручения и изгиба при симметричном цикле; — и — - эффективные коэффициенты концентрации напряжений; ту и ау - амплитуды

напряжений; тт и ат - средние напряжения; у и _ уа - коэффициенты влияния асимметрии цикла; Р - коэффициент поверхностной чувствительности.

Р=Рг Ркор Руп ,

где Рг - коэффициент, учитывающий влияние шероховатости; Ркор - коэффициент, учитывающий влияние коррозионной среды; Руп - коэффициент, учитывающий влияние упрочняющих технологий.

В свою очередь, уравнение для определения коэффициента Рг является аппроксимацией экспериментальных данных и принимает вид

Рг = 1,037 _ 0,362 • По + 388,446 + 0,087 • По2 _ 273544,81 + 82,347 • 5° _0,0133 • По3 +

К пт К

+ 594ЛЛ9 _ 26709,573 • По + 9,674 ^ Ш2

пЗ ’ к2 ’ кЗ ’

т т т

где Ят - временное сопротивление на растяжение; По - признак обработки, принимаемый равным: 1 - для зеркального полирования, 2 - тонкого шлифования, 3 - тонкого точения, 4 - грубого шлифования (грубой обточки), 5 - при наличии окалины.

Таким образом, влияние шероховатости поверхности на усталостную прочность коленчатого вала в вышеуказанном руководстве предлагается учитывать при помощи коэффициента Рг, рассчитанного аппроксимацией экспериментальных данных.

В связи с этим предлагается разработать методику оценки усталостной прочности коленчатого вала от микронеровностей поверхностей, характер которых изменяется в процессе эксплуатации, и уточнить коэффициент, учитывающий влияние шероховатости поверхностей.

Шероховатость поверхности принято оценивать по ее профилю, при этом профиль рассматривается на длине базовой линии, относительно которой определяются параметры шероховатости поверхности. Для измерения шероховатости поверхностей наиболее широкое примене-

ние нашли электромеханические и оптико-механические методы. Оптико-механический метод основан на получении профилограммы поверхности с помощью профилографов. В зависимости от возможностей прибора профилограмма поверхности может быть выведена на экран монитора или воспроизведена на бумажной ленте (с последующей компьютерной обработкой).

На рис. 2 приведена профилограмма поверхности в увеличенном масштабе.

Рис. 2. Профилограмма поверхности

При помощи программы «Графула 3» была произведена оцифровка данных и проведена средняя линия профиля или линия ортогональной регрессии, определяемая формулой

у = а + (3 • (х - х),

где а - ордината средней точки (х, у) этой линии; (3 - ее угловой коэффициент; х - среднее арифметическое значение абсцисс; у - среднее арифметическое значение ординат.

Поскольку концентрация напряжений, возникающая во впадинах микронеровностей, зависит от высоты микронеровностей, разработаны программы, позволяющие выделить впадины и выступы профиля и определить самую глубокую впадину, с тем, чтобы выделить участок профилограммы, содержащий самую глубокую впадину (рис. 3).

Напряжения, возникающие в данном участке, предлагается рассчитать методом конечных элементов и применить их в определении теоретических коэффициентов концентрации напряжений. Полученные коэффициенты концентрации напряжений будут использоваться для оценки усталостной прочности коленчатого вала в процессе эксплуатации согласно уравнениям (2) и (3).

Таким образом, данная методика позволит прогнозировать долговечность коленчатых валов судовых ДВС в зависимости от микронеровностей поверхностей в процессе их эксплуатации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нейбер Г. Концентрация напряжений. - М.: Гостехиздат, 1947. - 204 с.

2. Хусу А. П., Витенберг Ю. Р., Пальмов В. А. Шероховатость поверхностей (теоретико-вероятностный подход). - М.: Наука, 1975. - 344 с.

3. Дунин-Барковский И. В., Карташова А. Н. Измерения и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности. - М.: Машиностроение, 1978. - 232 с.

4. ВиттенбергЮ. Р. Шероховатость поверхности и методы ее оценки. - Л.: Судостроение, 1971. - 108 с.

5. Р.008-2004. Расчет коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания на прочность.

Статья поступила в редакцию 4.09.2008

THE CRANKSHAFT DURABILITY EVALUATION PROCEDURE OF MARINE COMBUSTION MOTOR IN ACCORDANCE WITH REAL PROFILE OF MICROROUGHNESSES OF ITS SURFACES

V. A. Mamontov, O. N. Sinelshchikova

The surface undulation has a great impact on loading capacity of machine elements, especially on robustness, and makes it lower. This impact is caused by stress concentration from surface microroughness which appears at their valleys and depends on valley depth, step and rounded radius. On this basis fatigue strength of machine elements must mainly depend on the depth of the surface microroughness. The analysis of modern evaluation methods of theoretical stress concentration factor from the surface microroughness of the details is given. The crankshaft fatigue strength evaluation procedure in accordance with its surface roughness is offered.

Key words: crankshaft, durability, fatigue strength, surface roughness, theoretical stress concentration factor.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.