CC BY
12
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
(Представлено научным семинаром кафедр теоретической и прикладной механики)
Несущая способность вальцовочного соединения, осуществляемого? путем холодного расширения трубы в гнезде трубной решетки, определяется величиной остаточного радиального напряжения (давления) сжатия, возникающего на контактной поверхности соединения. Аналитическое определение контактного давления связано с решением задачи для сложного напряженного состояния за пределами упругости и может выполнено только с рядом упрощающих предпосылок. Для подтверждения результатов теоретических исследований [1] автором были проведены опыты по определению контактного напряжения в рассматриваемом соединении с применением тензометрии.
Эксперименты проводились на образцах соединений «труба-диск», в которых труба и диск были изготовлены из малоуглеродистой стали. Для образцов использовались цельнотянутые трубы диаметром 76 и 83 мм. Диски, воспроизводящие трубную доску, имели диаметр 240 мм, толщину 25 мм. Радиальное расширение труб (развальцовка) производилось вальцовками стандартного самоподающего типа ручным способом. За критерий качества выполненного соединения была принята степень развальцовки, определяемая как разность между полным увеличением внутреннего диаметра трубы и величиной зазора между трубой и стенкой отверстия до развальцовки трубы.
У выполненных образцов соединений степень развальцовки, выраженная в процентах по отношению к диаметру отверстия в диске, находилась в пределах 1,5—1,7%.
Контактное давление в соединении определялось по упругим окружным (тангенциальным) деформациям.
Используя уравнения теории упругости, можно показать, что для круглого конечного диска с центральным отверстием, раздаваемого в пределах упругости равномерным радиальным давлением, приложенным на внутреннем круге (плоская схема напряженного состояния), окружная деформация определяется уравнением
Том 114
1964
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕНЗОМЕТРИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНТАКТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ВАЛЬЦОВОЧНОМ
СОЕДИНЕНИИ
Д. к. НЕЧАЕВ
Р( 1-10
Е г//г, у -1
1Л >-.. !
к
Р( 1
Гп_
Ян
В этих выражениях ^ — модуль нормальной упругости; у— коэффициент Пуассона; г„ — радиус отверстия в диске после удаления трубы; /?п — наружный радиус диска; г —текущий радиус элемента; р — давление на внутреннем контуре диска.
Из уравнений (2) может быть получена формула для определения контактного давления
(3)
Р= Е М-У1 к
(1
Упругое восстановление диска, после выталкивания из соединения трубы, будет снимать деформацию, определяемую уравнением (1), так как оно будет эквивалентно снятию давления раздачи (развальцовки).
Последнее позволяет, используя график функции з, —^ , определить значение к как углового коэффициента прямой (I) и вычислить контактное давление р.
Окружные деформации замерялись с помощью проволочных тензо-датчиков с базой 5,5 мм, сопротивлением 50 ом. Расположение тензо-датчиков, наклеенных на поверхности диска после развальцовки трубы показано на рис. 1. Каждый из шести датчиков, расположенных на поверхности диска, включался поочередно в мостовую схему (рис. 2). Рабочий датчик—Др и компенсационный датчик—Дк , показанные на этой схеме, образуют полумост, который был собран на диске, другой полумост образован сопротивлениями Я и Яг , последнее из которых изменялось при подстройке моста. В измерительную диагональ моста был включен высокочувствительный гальванометр со шкалой 300—0—300, где цена одного деления 6,8-10 8 а. Тензометрическая схема тарировалась по напряжениям растяжения, которое изменялось в пределах от 1 до 7 кг/мм2, в результате чего была получена зависимость между относительной деформацией и показанием гальванометра.
Все измерительные мосты до удаления трубы были сбалансированы на нулевое показание гальванометра. После выталкивания трубы из соединения, которое производилось на универсальной испытательной машине ZDN\ 10 т/91, поочередно подключались все цепи рабочих тен-зодатчиков и записывались показания гальванометра. Последние позволили, используя тарировочный график, получить значения окружных деформаций.
Опыты были проведены на четырех образцах и значения снятых окружных деформаций по ¡показаниям тензодатчиков сопротивления
приведены на рис. 3. Экспериментальная прямая^ = Ги— | дает возможность определить коэффициенты в и к в уравнении (1) и вычислить контактное давление р, например, по формуле (3).
Величины среднего контактного давления — р и выталкивающей нагрузки (усилие сдвига)—N приведены в таблице. Зафиксированная
у о
Рис. 2. Схема включения тензодатчиков.
нагрузка является минимумом, требуемым для начала движения трубы относительно диска.
Средние значения контактного давления (напряжения) в рассматриваемом соединении, найденные изложенным выше методом, оказались несколько больше (на 15—20%), чем остаточные радиальные напряже-
§
& &
Си
S 4J
0020
ÜO/5
i $
I-
0005
-
> (
© Tpy5a ф 76/68 MM ф~Гру5а ф 83/7Smm
Рис. 3. Значения окружных деформаций по показаниям тензодатчиков сопротивления.
ния, вычисленные аналитически для испытанных соединений [1]. В то же время напряжения на контактной поверхности соединения, определенные по упругому восстановлению диска по своей величине, мало отличаются от напряжений, полученных экспериментально другими исследователями [2], [3] для аналогичных соединений.
Результаты испытаний на выталкивание
Труба К-10"' (среднее значение) Контактное давление (среднее значение) Р Усилие сдвига N
наружный диаметр толщина стенки
мм мм кг\мм- кг
1 2 3 4 76 76 83 83 6 6 4 4 35,50 34,20 28,85 29,50 5,15 4,94 4,10 4,20 6500 6100 8300 7700
Таким образом, эксперименты подтверждают, что предложенный нами приближенный графо-аналитический метод определения остаточных напряжений в вальцовочном соединении [1] приемлем для практического расчета этих соединений на прочность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нечаев Д. К. Исследование прочности вальцовочных соединений стальных •груб. Известия Сибирского отделения Академии наук СССР, № 11, 1958.
2. Г л и к м а н Л. А. и Степанов В. А. Остаточные напряжения при развальцовке. «Советское котлотурбостроение», № 5, 1948.
3. Siebel Е. und Коре Е. Beanspruchung in gelochten Platten, «VDI», Forschungsheft 369, Bd. 5, 1934.
