CC BY
25
соединения упор-скоба с использованием односторонней разделки по скобе под углом 50о . Наложение первого слоя шва в разделку сварного соединения предлагается осуществлять арногоду-говой сваркой на весу. В крайнем случае, для этой цели модно применить ручную дуговую сварку с обратным формированием шва на флюсовой подушке и пониженном режиме сварки. Ожидаемое повышение работоспособности примерно на 50-100%.
Целесообразно применить аргонодуговую обработку (переплав границ сплавления сварных швов) неплавящимся электродом, так как именно там возникают усталостные трещины. Эта операция способствует улучшению свойств металла, из-за снижения его неоднородности, в прилегающей к границе сплаления области, снижению концентрации напряжений (переход от сварного шва к основному металлу получается плавным) и остаточных сварочных напряжений (за счет термообработки основного шва аргонодуговой сваркой). Это может повысить предел выносливости конструкции на 20-30% и долговечность в несколько раз.
Процесс сварки соединений упор-скоба и упор-уширитель предлагается вести от середины к краям, что обеспечивает для соединения упор-скоба циклическую нагруженность середины стыкового шва в 2 раза меньше, чем у его краев.
Предлагается последним накладывать сварной шов на соединение скоба-уширитель со стороны выпуклой поверхности уширителя. В процессе нормальной эксплуатации уширителей такой шов подвергается сжатию, а остальные - сварочным напряжениям растяжения. Данное обстоятельство может привести к снижению циклической на-груженности соединения.
В условиях недостаточной податливости конструкции уширителя, для снижения неблагопроят-ных остаточных сварочных напряжений в сварных соединениях можно рекомендовать точечный нагрев деталей у конца сварных швов (на расстоянии 5-10 мм от края).
Список литературы
1 Отчёт о научно-исследовательской работе по договору № 5500 от 11.09.2000 г. Сравнительные испытания уширителей гусеницы ТМ-1 на усталостную прочность. Курган, 2001. 33 с.
2 Аснис А. Е., Иващенко Г. А. Повышение прочности сварных конструкций. Киев : Наук думка. 1978. 193 с.
УДК 631.3.004.67:620.179.18
С.Г. Тютрин, Л.Н. Сабуркин
Курганский государственный университет
РЕМОНТ ШАТУНА КОСИЛКИ КС-2,1 ПО РЕЗУЛЬТАТАМ КОНТРОЛЯ УСТАЛОСТНЫМИ ДАТЧИКАМИ
Аннотация. Описана технология повышения прочности шатуна косилки КС-2,1 при ремонте. Приведены результаты экспериментального определения опасных участков детали с помощью оловянной фольги. Построены вероятностные кривые усталости детали в базовом и отремонтированном вариантах. Работа нацелена на повышение надёжности косилок КС-2,1 при эксплуатации.
Ключевые слова: ремонт, надёжность, долговечность, усталостный датчик, косилка.
S.G. Tyutrin, L.N. Saburkin Kurgan State University
REPAIR OF CONNECTING ROD
OF THE MOWER
«KC - 2,1» ACCORDING TO
FATIGUE GAUGES CONTROL
RESULTS
Annotation. The article describes the technology of «КС-2,1» mower connecting rod strength increasingafterrepair. The results of anexperimental search of dangerous zones through the use oftin foil are represented. Probabilistic fatigue curves of detail in the basic and reconditioned options are built. The paper aimed to reliability growth of mower «КС-2,1» during exploitation.
Keywords: repair, reliability, durability, fatigue gauge, mower.
ВВЕДЕНИЕ
В приводе ножа косилки КС-2,1 используется клиноремённая передача, а для предотвращения разрушения деталей косилки при кратковременных перегрузках клиновые ремни не должны быть «туго натянуты» [1]. Но слабое натяжение ремней влечёт за собой заметное снижение производительности косилки и рентабельности производства. Повышение производительности косилки за счёт увеличения частоты работы режущего аппарата и снижения скольжения в ремённой передаче путём усиления её натяжения приводит к поломкам шатуна косилки. В процессе эксплуатации излом (рисунок 1) шатуна происходит через каждые 2...3 недели работы косилки, что при частоте 1200 об/мин составляет несколько миллионов циклов н а груже н и я .
Целью исследования было предложить способ ремонта шатуна косилки КС-2,1, обеспечивающий повышение его прочности и долговечности. Данная работа является продолжением цикла работ [2, 3] по научно-технической поддержке отечественных производителей в агропромышленном комплексе РФ.
Рисунок 1 - Шатун с датчиками после разрушения
1 Схема и технология ремонта шатуна
Исследование нагруженности шатуна косилки КС-2,1 в реальных условиях эксплуатации было проведено осенью 2014 г. с помощью усталостных датчиков из алюминиевой [4-6] и оловянной [7-9] фольги. Использовалась фольга промышленного производства [10]: алюминиевая (ГОСТ 25905-83) толщиной 17 мкм и оловянная (ГОСТ 18394-73) толщиной 20 мкм с дополнительным отжигом при температуре 203 °С. Наружная поверхность датчиков полировалась до и после наклейки (применялся клей «Момент-1»).
Осмотр усталостных датчиков при максимальном увеличении 98х с помощью микроскопа МБС-9 после разрушения шатуна показал отсутствие следов дислокаций на алюминиевых датчиках. В то же время, на поверхностях всех оловянных датчиков наблюдались следы деградации разной интенсивности. Наибольшая повреждён-ность датчиков в виде макротрещин наблюдалась на линии разрушения и в непосредственной близости от неё (рисунок 2 а). Скопления следов дислокаций меньшей интенсивности наблюдались на датчиках, оказавшихся на отломанной малой части трубы шатуна (рисунок 3 а). На датчиках, расположенных на основной части трубы шатуна, наблюдались отдельные слабые следы дислока-
а б
а - зона, примыкающая к излому; б - зона сварного шва Рисунок 2 - Макротрещины на оловянной фольге (28х)
а б
а - зона утонённой трубы; б - зона трубы номинальной толщины
Рисунок 3 - Скопления следов дислокаций на оловянной фольге (98х)
Причина такой индикации датчиков была выявлена при тщательном анализе конструкции шатуна (рисунок 4 а): для установки резьбовой втулки стенки трубы шатуна утонены цилиндрической расточкой диаметром 29,3 мм, которая заканчивается галтелью малого радиуса г ~ 0,1 мм, что приводит к возникновению высокой концентрации напряжений и разрушению.
Можно утверждать, что наблюдаемое разрушение является следствием внесённых изменений в первоначальную [1, 11] конструкцию шатуна. Ранее опасным считалось [11] среднее поперечное сечение трубы (штока) шатуна, где помимо продольной силы действует максимальный изгибающий момент от даламберовой силы инерции.
Следует отметить, что в зонах термического влияния сварных швов на датчиках также образовались макротрещины (рисунок 2 б), что указывает на существенную неоднородность свойств металла шатуна на этих участках.
Рисунок 4 - Размеры наиболее нагруженной части шатуна в базовом (а) и отремонтированном (б) вариантах
Для ремонта шатуна косилки КС-2,1 предложено, помимо сварки в месте разрушения, усилить его путём приваривания дополнительной наружной втулки (рисунок 4 б). А для удобства выполнения сварочных работ изготовлено несложное приспособление (рисунок 5).
1 - шпильки стяжные; 2 - брусья упорные; 3 - шатун Рисунок 5 - Приспособление для фиксации шатуна при сварке
Ремонт шатуна был выполнен в лаборатории кафедры сварочных производств Курганского госуниверситета. Применена ручная электродуговая сварки электродом марки ОК-46 при обратной полярности постоянного тока. После сварки производилась зачистка сварных швов (по радиусу галтелей) с помощью угловой шлифовальной машинки.
2 Сравнительная оценка гамма-процентного ресурса шатуна
Расчёт циклической долговечности шатуна (таблица) при симметричном цикле растяжения-сжатия в базовом и отремонтированном вариантах выполнен по методике [12].
Таблица 1 - Расчет характеристик сопротивления усталости шатуна в базовом и отремонтированном вариантах (обозначения и соотношения - в соответствии с [12])
Обозначение характеристики Расчетная формула, № таблицы, рисунка или пункта указаний, пояснение Найденная величина
базовый вариант вариант после ремонта
СТ-1 (0,55 - 0,0001а в )а в 249,7 МПа 249,7 МПа
0,211 - 0,000143ств 0,1396 0,1396
черт. 20 приложения 3 3,373 1,196
ь L=пd 92,05 мм 104,93 мм
о 2,3/р 23,0 мм-1 0,46 мм-1
ь о ь о 4,0 мм2 228,1 мм2
0 1 ь 8 ,3 О 0,0453 2,583
Р (0, ) 2 1 + 0-Уа 0,787 1,066
К а аа (0, Vа) 2,65 1,27
черт. 3 приложения 4 0,93 0,85
п. 1.11.2 1 1
К и без упрочнения 1 1
К Г К'+ 1 -1]. 1 1 Каа КР ) К и КА 2,725 1,446
К1 п. 1.3.1 1 1
СТ-1 к1 .а-1 249,7 МПа 249,7 МПа
=p s-1 0,8 • s-1 [13] 199,8 МПа 199,8 МПа
s-l Д S/k 73,3 МПа 138,2 МПа
C 5 + sj 80 11,24 11,24
m C/K 4,125 7,77
V s max O,1/(1+0V) 0,0606 0,0467
Vs-1 п. 3.3 0,06 0,1
п. 3.4 0,1 0,06
Vs-1 Д 1 2 2 2 V , „ _ д/V + V i + V s-1Д V s max s-1 as 0,131 0,126
Возникающие номинальные напряжения, определяемые по формуле сопротивления материала, в базовом варианте -
F
F • 4
(6705...7290) • 4
- 33,2...36,1
н A n(d2 -d02) п[(33,4)2 -(29,3)2] "
МПа,
в варианте после ремонта -
_F_ F • 4 _ (6705...7290) • 4 _ „ , „МПа J" _ A ~ n(d2 -d02) " п[(33,4)2 -272]
■_ 22,1...24,0
где F - усилие шатуна косилки (получено путём сопоставления экспериментальных данных работ [3] и [11]);
А - площадь опасного поперечного сечения шатуна.
В соответствии с [12], для определения медианного значения предела выносливости стч было экспериментально определено среднее значение предела прочности стали ав . Испытание образцов на растяжение до разрушения (рисунок 6) проведено на машине ИР-100. Для образцов, изготовленных из трубы нового шатуна, получено:
а в =499,3 МПа. Материал трубы шатуна, предположительно, - сталь 20.
Рисунок 6 - Образцы из трубы шатуна после испытания на растяжение
По результатам таблицы, приняв [12] абсциссу точки перелома кривой усталости Мс=2-106 циклов, получаем уравнение кривой усталости шатуна при вероятности разрушения Р=50% для номинальных, полученных по формулам сопротивления материалов, напряжений в базовом варианте (рисунок 7, сплошная кривая 1) -
1ест = 73,3 + (1е 2000000 - 1е N), 4,125 7
и в отремонтированном варианте (рисунок 7, сплошная кривая 2) -
1е а = 138,2 + —(1е 2000000 - 1е N) 7,77
Кривые усталости для других уровней вероятности разрушения (пунктирные линии на рисунке
7) определены через пределы выносливости шатуна на той же базе в предположении справедливости нормального закона распределения по формуле [12]:
=s-i 'I1
+ Vs-1 Д>
где zP - квантиль нормального распределения, соответствующая заданной вероятности разрушения Р [14].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Применение усталостных датчиков из отожжённой оловянной фольги помогло установить причину недостаточной долговечности исследуемой детали. Правильность выбранной схемы ремонта с целью повышения прочности и ресурса шатуна и результаты теоретического обоснования такого повышения успешно подтверждены в реальных условиях эксплуатации при проведении полевых работ.
1 - базовый вариант; 2 - вариант после ремонта Рисунок 7 - Расчётные кривые усталости (в номинальных напряжениях) трубы шатуна с вероятностью разрушения Р=0,001...0,9
Таким образом, при принятом в расчётах динамическом усилии на шатуне F=6705...7290 Н, коэффициент запаса его циклической прочности в базовом варианте составляет
s-i Д n =-— - ■
73,3
33,2...36,1
= 2,21...2,03
и (как показывает опыт эксплуатации) является недостаточным. Разрушения шатуна при эксплуатации, вероятно, вызваны неучтёнными при расчёте: изгибающим моментом и поперечной силой, возникающими вследствие инерционных и вибрационных нагрузок; неравномерностью толщины стенки из-за смещения оси цилиндрической расточки и овальности трубы шатуна.
Коэффициент запаса циклической прочности шатуна после ремонта равен
n =
'-1Д
138,2
22,1...24,0
= 6,25...5,76
Это, как минимум, в 2,6 раза больше, чем в базовом варианте. Полученные результаты расчётов позволили рекомендовать отремонтированный шатун к применению в условиях эксплуатации, что и было сделано. После ремонта шатун отработал сезон полевых работ 2015 года и остался пригодным для дальнейшего использования.
Список литературы
1 Косилка скоростная навесная КС-2,1. Инструкция по сборке и эксплуатации / Завод сельскохозяйственного машиностроения имени Ухтомского. М. : Люберцы : Производственно-издательский комбинат ВИНИТИ, 1968. 61 с.
2 Тютрин С. Г. Нагруженность кронштейна колебателя жатки «Полесье-600» //Вестник Курганского государственного университета. Серия «Технические науки». №2 (33). Вып. 9. Курган : Изд-во Курганского гос. ун-та, 2014.
С. 17-19.
3 Тютрин С. Г., Сабуркин Л. Н. Модернизация головки ножа косилки КС-2,1 по результатам контроля усталостными датчиками // Вестник Курганского государственного университета. Серия «Технические науки». №3(37). Вып. 10. Курган : Изд-во Курганского гос. ун-та, 2015. С. 24-27.
4 Fricke W. G., jr. Fatigue Gages of Aluminum Foil // Proceedings of the American Society for Testing and Materials. V. 62 (1962). P. 268-269.
5 Тютрин С. Г., Тютрина Л .Н. Техническая диагностика металлическими покрытиями //Вестник Курганского государственного университета. Серия «Технические науки». №1(17). Вып. 5. Курган : Изд-во Курганского гос. ун-та, 2010. С. 11-12.
6 Бурков М. В., Панин С. В., Любутин П. С. и др. Применение тонкопленочных датчиков-фольг для оценки усталостной поврежденности композитов, армированных углеродными волокнами //ХХ Всероссийская науч.-технич. конф. по неразрушающему контролю и технической диагностике (Москва, 3-6 марта 2014 г.) : тезисы докладов. М. : Спектр, 2014. С. 313-316.
7 Троценко Д. А., Давыдов А. К., Лисихин И. В. и др. Новый датчик деформаций интегрального типа // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления : материалы научно-технической конференции «Датчик-2004». М. : МИЭМ, 2004. С. 198-199.
8 Тютрин С. Г. Повышение чувствительности усталостных датчиков для мониторинга нагруженности несущих элементов сельхозмашин // Труды ГОСНИТИ. Т. 112. Ч.2. М. : ГОСНИТИ. 2013. С. 131-133.
9 Тютрин С. Г., Манило И. И., Городских А. А. и др. Усталостный датчик из оловянной фольги // Тракторы и сельхозмашины. 2013. №9. С. 82-84.
10 Тютрин С. Г. К вопросу об использовании фольги промышленного изготовления в качестве датчиков для технической диагностики //Вестник Курганского государственного университета. Серия «Технические науки». №1(09). Вып. 3. Курган : Изд-во Курганского гос. ун-та, 2007. С. 19-21.
11 Справочник конструктора сельскохозяйственных машин /под ред. М. И. Клецкина. В 4 т. Т.3. М. : Машиностроение, 1968. 744 с.
12 ГОСТ 25.504-82 Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости. М. : Изд-во стандартов, 1982. 82 с.
13 Когаев В. П., Махутов Н. А., Гусенков А. П. Расчёты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. М. : Машиностроение, 1985. С. 146.
14 Большев Л. Н., Смирнов Н. В. Таблицы математической статистики. М. : Наука, 1983. 416 с.
