CC BY
48
УДК 621.436-2:620.17
Е.А. Горшков ОЦЕНКА ВИБРОУДАРНОГО НАГРУЖЕНИЯ
И НАЧАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
ПОСЛЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ШАТУНОВ ФОРСИРОВАННЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Расчётно-экспериментальным методом в динамической постановке исследована возможность учёта комплексного критерия - коэффициента динамичности после поверхностного пластического деформирования. Разработан экспериментальный метод определения начальных технологических остаточных напряжений в детали с учётом динамики нагружения.
Технологические остаточные напряжения, поверхностное пластическое деформирование, гидродробеструйная обработка, коэффициент динамичности; шатун.
E.A. Gorshkov
VIBRATION STRESS AND INITIAL RESIDUAL PRESSURE ESTIMATION AFTER SUPERFICIAL TECHNOLOGIC PLASTIC DEFORMATION OF RODS OF THE FORCED DIESEL ENGINES
Through calculative experimental method in a dynamic state, the article studies possibilities of the account of complex criterion -factor of dynamism after superficial plastic deformation. The experimental method of definition of initial technologic residual pressure in a detail with dynamics account stress is developed here.
Technological residual pressure, superficial plastic deformation, hydro fraction jet processing. factor of dynamism, a rod.
В настоящее время в машиностроении получают развитие перспективные малоотходные технологии поверхностного пластического деформирования (ППД) путем дифференцированного гидродробеструйного упрочнения [1] и ультразвуковой обработки [2]. В условиях знакопеременного динамического нагружения высоконагруженных деталей транспортных дизелей поверхностный слой подвергается интенсивному физико-химическому влиянию: тепловому, механическому, магнитоэлектрическому, химическому и т.д. В этих условиях разрушения деталей, например, усталостные трещины, фреттинг-коррозии, как правило, начинаются с поверхности, в связи с чем к поверхностному слою предъявляются более высокие требования, чем к основному металлу детали [3].
Поверхностные слои шатунов форсированных дизелей являются особо ответственными, так как в большинстве случаев усталостное разрушение от динамического приложения нагрузок располагается именно в этих поверхностных слоях. Несущая способность шатунов существенно повышается за счёт сжимающих технологических остаточных напряжений, создаваемых в поверхностном слое в процессе поверхностного пластического деформирования, например, гидродробеструйного упрочнения (ГДУ) на установке ГДЭУ-5 (рис. 1).
Рис. 1. Установка ГДЭУ-5 для дифференцированного гидродробеструйного упрочнения шатуна
Исследования элементов привода этой установки в ОАО «Волжский дизель им. Маминых» показали, что наличие в системе смазки гидродинамических колебаний в сочетании с кинетической энергией виброудара шаров является причиной значительного динамического нагружения в процессе ГДУ деталей. Осциллографированием подтверждено, что при ГДУ в системе смазки ГДЭУ-5 имеют место вынужденные гармонические колебания -пульсация давления масла с круговой частотой, пропорциональной частоте вращения вала масляного насоса 0 = яХ/30.
Для комплексной оценки изменения физикомеханического состояния поверхностных слоев при ГДУ в производственных условиях используют контрольные пластины как образцы-свидетели, изготавливаемые из того же материала, что и упрочняемый шатун (рис. 2).
При этом считается [4-6], что статическая стрела прогиба пластины служит мерой интенсивности и стабильности процесса ГДУ. Вместе с тем известно, что виброударное нагружение шатуна и контрольных пластин при ГДУ, в отличие от статического, «вызывает более сложные процессы в металле, которые связаны с изменением диаграммы деформирования во время нагружения с различной степенью циклического упрочнения или разупрочнения материала, а при повышенной частоте циклов, по-видимому, и с перемещением атомов кристаллической решётки за счёт подводимой энергии при вибрировании» [7].
Данные об учёте динамики нагружения при ГДУ шатунов в технической литературе отсутствуют. Вместе с тем, если не учитывать характер нагружения указанных деталей и его влияния на уровень технологических остаточных напряжений, это может привести к существенной ошибке при оценке запасов несущей способности и неверному представлению о прогнозируемом ресурсе, долговечности и эксплуатационной надёжности шатунов транспортных дизелей. Следовательно, нужны новые подходы к оценке начальных технологических остаточных напряжений в контрольных пластинах-свидетелях при вибро-ударном динамическом нагружении в камере ГДЭУ-5.
Для оценки динамической напряженности и связи показателей виброударного нагружения при ГДУ с конструктивными параметрами консольно-закрепленной пластины как об-разца-свидетеля примем комплексный критерий - коэффициент динамичности нагрузки Кд. Чтобы определить, как зависит уровень начальных технологических остаточных напряжений от этого критерия, используем принцип Сен-Венана - заменим распределенную виброударную нагрузку на консольно закрепленную пластину при ГДУ равнодействующей гармонически меняющейся сосредоточенной вибрационной силой Р-8т М (рис. 3), полагая при этом, что пульсирующий характер движения масла в системе ГДЭУ-5 близок к гармоническому.
Рис. 2. Образцы для исследования сопротивления усталости материала шатунов
Используем уравнение амплитуды динамического прогиба для консольной пластины, подверженной действию вынужденных гармонических колебаний [8]
^ = ^0А1 + фоВг ~ + М0С, о + 0>ДI----
К
+ -
1
1
EJK 02
+
z М с +-z Pi Д*-02 z Ji vC +—z M Y да
K
К
Приняв начало координат в точке приложения силы Р^т та, запишем граничное условие на левом конце (в заделке) консольной пластины
y, = Y■ A +ф„ ■ в, ■!-РД,
1
0.
(1)
^ ‘ Е I-^3
Решение (1) дает амплитуду динамического прогиба консольной пластины в точке приложения гармонической силы
Р - Л ' Д1 + В1' С1
e■ I ■ к3 А2-В, ■ Д,
(2)
где К = ^Цв^/^/Е; 0 - частота внешней пульсирующей нагрузки; ц - прогонный вес пластины; Р - пульсирующая сосредоточенная сила; I - момент инерции поперечного сечения пластины; ,Се и Де - функции влияния, вычисляемые по выражениям табл. 6 [8].
При статическом действии силы Р стрела прогиба для консольно-закрепленной пластины [9]
Ус = Р1Ъ/3Ш.
Коэффициент динамичности нагрузки
Кд = Yo Yc =
3 Г - a ■ д + в, ■ с, ^
3 /3
А, - Bi ■Д,
(3)
Изгиб / консольно-закрепленной пластины на расстоянии I от заделки в условиях гидродробеструйного упрочнения образца - свидетеля под действием осевой силы Рн выражается зависимостью
Рн (Н - Н) 12 -12 _3Нон/2(Н - Н)
f =
2
2EbH3
(4)
Отсюда начальные технологические остаточные напряжения в поверхностном слое образца
E
о., = —■
fH3
(5)
3 hi 2( H - И)'
По исходным данным для консольно-закрепленной пластины q = 0,994 Н-м-1, 0 = 303,5 с-1, K = 0,0378, А1 = 1, В1 = 0,04, С1 = 0,008, Д = 0,00001, I = 0,03 м, J = 17,3-10-9 м4, h = 2,82-10-4 м, f = 0,4-10-3 м (принято по экспериментальным данным табл. 3 [10] для стали 40ХНМА-Ш - материала шатуна) расчетное значение Кд = 1,22 и он = -139,8 МПа. Указанное значение он удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными, полученными для консольно-закрепленного образца-свидетеля (он = -125 МПа).
Рис. 3. Схема исследования динамического нагружения и технологических остаточных напряжений
Для экспериментальной оценки коэффициента динамичности Кд и его влияния на уровень начальных технологических остаточных напряжений в контрольной пластине после ГДУ в ОАО «Волжский дизель им. Маминых» проведены специальные исследования, блок-схема которых приведена на рис. 3. Консольная пластина 1 односторонне обрабатывалась виброударно шариками из сопла 2 в камере установки ГДЭУ-5. На противоположной - не-упрочнённой стороне посредине пластины наклеивались рабочий Я и компенсационный К тензорезисторы, включённые в усилитель 3 тензостанции 8 АНЧ-ТМ. Преобразованный сигнал динамической деформации пластины регистрировался на шлейфовом осциллографе 4 марки Н-115. Схема питалась от блока питания П-131 (5). Перед проведением исследований рабочий тензорезистор тарировался статически на специальном приспособлении с заданием прогиба пластины микрометром и контролем его по индикатору.
л_
1 " і \ /
Рис. 4. Осциллограмма динамического нагружения образца-свидетеля при ГДУ
На рис. 4 представлена осциллограмма динамических напряжений в консольной пластине в процессе ГДУ. Анализ показывает, что напряжения образованы сложением двух вынужденных колебаний первой и второй гармоник. При этом динамическое вибрационное нагружение действует с частотой кратковременных, периодически повторяющихся пиков, близких к затухающим синусоидальным колебаниям. Уровень динамики нагружения консольной пластины в процессе ГДУ, оцениваемый коэффициентом динамичности Кд, определяется из соотношения Кд = 1+// Г, где / - относительное динамическое изменение напряжений в пластине - разность между средними значениями пиков амплитуды I и II гармоник; Г - среднее относительное значение амплитуды I гармоники напряжений в пластине. Согласно осциллограмме Кд = 1+6,6/33 = 1,2. Начальные технологические остаточные напряжения а„ в пластине при виброударном нагружении 1 определяются между двумя нулевыми линиями 2 и 3, отмеченными на осциллограмме до и после гидродробеструйного упрочнения. Зависимость а„ от величины Кд представлена графически на рис. 5.
Выводы
1. В динамической постановке расчётно-экспериментальным методом исследована возможность учёта комплексного критерия - коэффициента динамичности при виброудар-ном нагружении ГДУ консольно-закреплённой пластины. Показано, что изменение амплитуды вибрационного нагружения в консольной пластине достигает 22%, что необходимо учитывать при оценке уровня технологических остаточных напряжений после поверхностного пластического деформирования шатунов.
2. Использован экспериментальный способ измерения начальных технологических остаточных напряжений в детали путём учёта динамики нагружения, согласно которому начальные технологические остаточные напряжения определяют между двумя нулевыми линиями, отмеченными на осциллограмме динамической напряжённости образца-свидетеля до и после гидродробеструйного упрочнения.
3. Так как при ГДУ происходит локальная пластическая деформация сжатия поверхностных слоев шатуна, особенно в зонах концентрации напряжений, несущая способность конструкции существенно зависит от технологических остаточных напряжений, которые при сложении с рабочими технологическими напряжениями могут привести к возникновению разрушающих технологических напряжений. Влияние технологических остаточных напряжений в расчётах на усталостную долговечность и эксплуатационную надёжность должно учитываться при определении предела выносливости материала конструкции.
1. Косырев С.П. Безотходные технологические методы повышения работоспособности элементов КШМ высокофорсированных дизелей / С.П. Косырев. Балаково: Вирма, 1997.
2. Патент России № 2133282 Способы стабилизации остаточных напряжений в поверхностном слое детали / В.Г. Кочерэхенко, Б.Н. Степанов, С.П. Косырев, В.В. Петухов, Д.В. Аникин.
3. Косырев С.П. Остаточные напряжения - резерв прочности нагруженных деталей высокофорсированных дизелей / С.П. Косырев, Л. А. Сорокина, Р.М. Рафиков // Современные технологии в машиностроении - 2003: сб. статей VI Всерос. науч.-практ. конф. Пенза: Приволжский Дом знаний, 2003. С. 306-308.
4. Петросов В.В. Гидродробеструйное упрочнение деталей и инструмента / В.В. Петросов. М.: Машиностроение, 1977. 180 с.
5. Рыковский Б.П. Местное упрочнение деталей поверхностным наклёпом / Б.П. Рыковский, В.А. Смирнов, Г.М. Щетинин. М.: Машиностроение, 1985. 160 с.
6. Саверин М.М. Дробеструйный наклёп / М.М. Саверин. М.: Машгиз, 1955. 312 с.
7. Ряхин В.А. Долговечность и устойчивость сварных конструкций строительных и дорожных машин / В.А. Ряхин, В.Н. Мошкарёв. М.: Машиностроение, 1984. 69 с.
8. Безухов Н.И. Устойчивость и динамика нагружения в примерах и задачах / Н.И. Безухов, О.В. Лужин, Н.В. Колкунов. М.: Изд-во литературы по строительству, 1969.
9. Тимошенко С.П. Механика материалов / С.П. Тимошенко, Дж. Гере. М.: Мир, 1976.
10. Пульцин Н.М. Влияние дробеструйной обработки на остаточные напряжения и предел выносливости деталей / Н.М. Пульцин // Тр. Ленинградской военно-воздушной академии, 1949. С. 68.
ЛИТЕРАТУРА
48 с.
320 с.
380 с.
Горшков Евгений Александрович -
кандидат технических наук, ассистент кафедры «Высшая математика и механика» Балаковского института техники, технологии и управления (филиала) Саратовского государственного технического университета
Gorshkov Evgeniy Aleksandrovich -
Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of the Department of «High Mathematics and Mechanics» of Balakovo Institute of Techniques, Technologies and Management (branch) of Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 15.09.09, принята к опубликованию 14.01.10
