CC BY
19
УДК 629.735.33.027
А.В. ЛОСЬ
Государственное предприятие «Антонов»
УСТАЛОСТНАЯ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ СТЫКУЮЩИХ ПОДСБОРОК ШАРНИРНЫХ УЗЛОВ ПРИ КОСОСИММЕТРИЧНОМ НАГРУЖЕНИИ
Предложена и реализована модель оценки влияния основных конструктивно-технологических параметров шарнирных узлов самолетных агрегатов на усталостную долговечность с учетом коэффициента избыточности изгибных напряжений а^ в стыкующих подсборках. При испытаниях натурных узлов в условиях кососимметричного нагружения (Км) выявлены две зоны усталостных разрушений по длине стыкующих под-сборок, расположенные вблизи плоскостей разъема стыкуемых деталей, что полностью подтвердило результаты расчетной модели по определению коэффициентов а^. Экспериментальным путем также установлено влияние высокопрочных сталей 30ХГСН2А, ВНС-5, ВКС-170 и титанового сплава ВТ-22 на прочность узлов в области ограниченной долговечности. Показано, что применение предварительно напряженных стыкующих подсборок при кососимметричном нагружении приводит к существенному росту их усталостной долговечности.
Ключевые слова: шарнирные узлы самолетных агрегатов, кососимметричное нагру-жение, стыкующие подсборки, усталостная долговечность.
Введение
Шарнирные узлы самолетных агрегатов достаточно широко распространены в авиационных конструкциях. С их помощью стыкуются между собой агрегаты хвостового оперения, двигатели с крылом, стойки шасси с агрегатами планера и т. п. В таких условиях их роль в обеспечении долговечности особенно важна, т.к. от их совершенства зависит ресурс самолета в целом.
Исследованию долговечности таких узлов посвящен ряд работ [1,2,3], оценивающих наиболее острые проблемные вопросы. Однако задача обеспечения их усталостной долговечности продолжает оставаться актуальной, в особенности для узлов, воспринимающих и передающих кососимметричную (М) нагрузку [4] (рис. 1).
При этом величину максимальных изгибных напряжений принято оценивать в виде коэффициента избыточности изгибных напряжений [5]
а„
Р; /оь
Км
(1)
где
Км =
м м„
уровень действующего на узел
момента М к величине разрушающего (расчетного) момента для рассматриваемого узла;
°ь — предел прочности материала стыкующей детали.
Рис. 1. Распределение изгибных напряжений в стыкующей подсборке узла, передающего моментную (М)
нагрузку: 1 — основная несущая деталь стыкующей подсборки; 2 — стяжка, обеспечивающая работоспособность узла при разрушении детали (1)
© А.В. Лось, 2014
Выражение (1) позволило установить связь и проанализировать влияние конструктивно-технологических параметров узлов на расположение и величину а" коэффициента избыточности изгибных напряжений в стыкующей подсборки при кососимметричном нагружении [4]:
(2)
геометрическии параметр
tfi^qSm+aa
(5)
где Ч'д — коэффициент чувствительности к асимметрии цикла напряжений гладкого элемента;
стт,сга— средние и амплитудные напряжения.
В случае, если в стыкующей подсборке созданы предварительные напряжения сжатия стс , выражение (5) преобразуется к виду
(6)
-
где ста
здесь стТ — предел текучести.
8Н 8 т 2Д
где узла;
G1;G2 — модули на смятие.
Однако, в какоИ мере эти напряжения влияют на усталостную долговечность, вопрос остается открытым.
В связи с этим целью данноИ работы является установление связи изгибных напряжении, возникающих в кососимметрично нагруженных подсборках, с их усталостноИ долговечностью
N = £«,^,5/(1,5,00, (3)
а также экспериментальная проверка влияния конструктивно-технологических факторов на долговечность стыкующих подсборок узлов рассматриваемого типа.
Расчетная оценка усталостной долговечности стыкующих подсборок шарнирных улов
Допускаем, что усталостная долговечность при известных изгибных напряжениях aj сты-кующеИ подсборки в двоИных логарифмических координатах оценивается выражением [6]
Ncjj = N0a_lq = Const, (4)
где Ко — базовое число циклов до усталостного разрушения;
a_lq =ст_1/Ка — предел ограниченноИ выносливости элемента с концентратором напряжениИ;
ст_1 — предел ограниченноИ выносливости гладкого образца.
При пересчете произвольного цикла переменных напряжениИ от внешних воздеИствиИ в симметричныИ цикл эквивалентноИ повреждаемости воспользуемся зависимостью из работы [6]:
Преобразуем эту зависимость с учетом особенностей нагружения (Км,гс), а также использованием выражения (1):
О; = -
[¥q(l + rCT)+(l-ra)]-yqoccB, (7)
где т0 — коэффициент асимметрии цикла. Суммируя выражения, получим
К I N (КмсО= aV
iNo)mq 5с
0,5
ч*
q
к„
(1 + г0У(1-г0)
(8)
Выражение (8) служит для оценки узла и условий параметров узла и условий нагружения на усталостную долговечность (К) его стыкующей подсборки.
Испытания стыкующих подсборок шарнирных узлов на усталость
Лабораторные испытания стыкующих деталей при кососимметричном нагружении производились в специальном приспособлении на испытательных машинах ЦДМ—10ПУ и ЦД—100 соответственно при частоте переменного нагружения 16,7... 6,7 Гц.
Коэффициент асимметрии цикла нагружения составлял 0,1. За результат испытаний принималось число циклов нагружения, при котором обнаруживалась усталостная трещина длиной 0,5. 3 мм.
При испытаниях определялись характеристики кривой усталости:
— угол наклона левой части кривой ограниченной усталости и предел ограниченной выносливости на базе N0 = 2106 циклов;
— оценка предела ограниченной выносливости по величине Км.
Для проведения тестово-методических испытаний выбраны стыкующие детали, выполненные из хромонсилевой стали 30 ХГСА диаметром 10 мм. Часть из них испытывалась при симметричном нагружении (Кр = 1,0 и Кр = 0,3), другая же партия — при кососимметричном нагружении (Км = 0,3). Результаты этих испытаний приведены на рис. 2, а, б, в.
Как следует из приведенных данных, статическое разрушение стыкующей детали (Кр= 1,0) (рис . 2, а) происходит по плоскостям среза в зоне сопряжения стыкуемых деталей.
При эксплуатационном же уровне симметричной нагрузки на узел (Кр =0,3) разрушение стыкующей детали происходит в плоскости симметрии узла по причине усталости.
Принципиальное отличие разрушений стыкующей детали в узле с кососимметричным нагружением (см. рис . 2, в) заключается в том, что в ней имеют место две зоны усталостных разрушений, расположенных вблизи плоскостей разъема стыкуемых деталей.
Г .11
а) Кр = 1,0 — статический срез по двум плоскостям; б) Кр = 0,3 — усталостное разрушение в плоскости симметрии
в
Рис. 2. Типичные виды разрушений стыкующих деталей узлов:
а, б — при симметричном нагружении (Р); в — при кососимметричном нагружении (М)
На рис. 2 в отчетливо видны следы фреттинг-коррозии, которая реализуется в основных областях контакта стыкуемых и стыкующей деталей, что еще раз подчеркивает принципиальное отличие как усталостных, так и износовых разрушений в узлах с кососимметричным на-гружением и требует проведения обстоятельных усталостных испытаний стыкующих деталей (или подсборок) узлов рассматриваемого типа.
Анализируя результаты тестирования, можно прийти к заключению, что их проведение качественно подтвердило результаты моделирования напряженного деформированного состояния, а также зон усталости, описанных в работе [ 4 ], т.е. усталостные разрушения стыкующих деталей при кососимметричном нагружении узла происходят в областях максимальных изгибных напряжений (см. рис. 1, в) вблизи плоскостей разъема стыкуемых деталей.
Такой вывод дает возможность обоснованно перейти к исследованию влияния конструктивно-технологических параметров узлов на усталостную долговечность стыкуемых деталей и стыкующих подсборок.
Весьма важным параметром предельно нагруженных узлов являются конструкционные материалы, используемые в стыкующих под-сборках, поскольку от их выбора зависит и статическая прочность, и масса, и их усталостная долговечность.
Поэтому для изготовления испытуемых образцов выбраны высокопрочные хромансилевые стали (30ХГСА и 30ХГСН2А), мартенситно-стареющие стали (ВКС—170) и коррозионно-стойкие стали (ВНС—5), а также титановый сплав ВТ—22 (табл . 1).
Стали 30ХГСА, 30ХГСН2А, ВНС—5 и особенности их применения хорошо известны авиационным конструкторам.
Таблица 1
Некоторые механические характеристики хромансилевых, мартенситно-стареющих и коррозионно-стойких сталей, а также титанового сплава, используемых в стыкующих
подсборках самолетных узлов
Механические параметры Конструкционные материалы Титановый сплав ВТ-22
Хромансилевые стали Мартенситно-стареющие стали Коррозионно-стоикие стали
30ХГСА 30ХГСН2А ВНС-5 ВКС-170
Предел прочности ав, кгс/мм2 114 162 143 166 112
Модуль упругости первого рода Е, кгс/мм2 20500 9000 19500 19000 11100
Предел выносливости а-1; кгс/мм2 46 55 56 41
Сталь ВКС—170 создана взамен стали 30ХГСН2А для силовых деталей, в т. ч. для предельно нагруженных узлов, способных работать при —196< 1 °С < 400, а также для изделий, работающих в морских условиях, где
необходимо высокое сопротивление коррозионному растрескиванию.
При хромировании сталь ВКС—170 практически не наводораживается, что свидетельствует о высоких прочностных и пластических свойствах после хромирования.
Сталь ВКС-170 обладает высоким сопротивлением коррозионному растрескиванию. В камере с 3% КаС1 при хромировании и кадми-ровании получено К18сс = 210...220 кгс/мм3/2, тогда как у 30ХГСН2А - 35.40 кгс/мм3/2. Коррозийное растрескивание при ст = 145 кгс/мм2 составляет более 90 суток (без разрушения).
Если при этом учесть, что сталь ВКС-170 не чувствительна к концентрации напряжений, не склонна к замедленному разрушению, обладает высоким сопротивлением коррозийному разрушению, не наводораживается при хромировании, то есть все основания считать, что ее использование наряду с применением титанового сплава ВТ-22 позволит обеспечить ресурс узлов, равный 50000 взлетов-посадок в течение 25 лет технической эксплуатации по состоянию.
Результаты усталостных испытаний таких стыкующих деталей приведены на рис. 3.
В абсолютных величинах усталостные кривые для сталей ВНС-5 и сплава ВТ-22 близки, и поэтому можно сделать вывод, что для рассматриваемых узлов использование титанового сплава ВТ-22 позволяет снизить массу стыкующей детали примерно на 40%.
б
Рис. 3. Усталостная долговечность стыкующих элементов узлов: а — сталь ВНС-5; б — сплав ВТ-2; о — гладкие стыкующие элементы; х — с концентратором; о®, х® — без разрушений;
Такой эффект может быть достигнут, если рассматривать одинаково прочные по статической нагрузке узлы, стыкующие подсборки, которые изготовлены из сталей ВНС-5 и сплава ВТ-22.
Однако следует иметь в виду, что в данном случае Мр титанового образца на 30 % меньше стального, что дает основание говорить о том, что применение титановых стыкующих деталей при обеспечении заданной долговечности с точки зрения затрат массы не дает большого эффекта.
Вторым важным фактором, влияющим на усталостную долговечность узла, является использование вместо стыкующих деталей так называемых стыкующих подсборок (см. рис. 1, б).
Отличие стыкующей подсборки от стыкующей детали состоит в наличии в ней, так называемой стяжки . Эта деталь предназначена для поддержания в рабочем состоянии несущей (наружной) детали в случае ее разрушения.
Однако стяжка может выполнять и другую функцию, если в ней с помощью затяжки создать предварительное усилие Т, что приведет к появлению в основной несущей детали подсборки предварительных статических напряжений сжатия сс, величина которых в эксперименте варьировалась в пределах стс = 0.0,42.
Результаты испытаний представлены на рис . 4 . Очевидно, что эффективность использования предварительного сжатия растет со снижением уровня эксплуатационной нагрузки Км и с увеличением стс .
ный доверительный интервал
Рис. 4. Влияние предварительных напряжений стс на усталостную долговечность стыкующих подсборок: • 1 — стыкующий элемент, т = 0.
Стыкующая подсборка: 0, 2 — стс = 0; х, 3 — стс = 0,125; А, 4 — стс = 0,25; И, 5 — стс = 0,33;
6 — стс = 0,43 .--— расчетная выносливость
Следует также отметить, что при фиксированных значениях Км изменение стс в рационально возможных пределах ведет к увеличению усталостной долговечности стыкующих
а
подборок в 2... 7 раз, а применение стыкующих подсборок с стс = 0,33 при заданной долговечности N позволяет поднять допустимые значения коэффициента избыточности нормальных напряжений а^ на (12. 16) процентов. Поскольку стяжка расположена внутри основной стыкующей детали узла (см. рис. 1, б), то важно оценить влияние соотношений внутреннего диаметра несущей детали и наружного диаметра стяжки на усталостную долговечность стыкующей подсборки в целом.
Результаты таких испытаний приведены на рис. 5.
Рис. 5. Влияние конструкционного исполнения стыкующих подсборок из стали ВКС—170 и их предварительного сжатия стс на усталостную долговечность: о® — без разрушений, ас = 0,29
Выводы
На базе ранее выполненных исследований по оценке влияния параметров шарнирных самолетных узлов на величины изгибных напряжений в стыкующих подсборках [4] в работе предложена и реализована модель по установлению связи основных параметров рассматриваемых узлов 8Н /8, б/с^Л^) коэффициента избыточности изгибных напряжений а" и уровней внешней кососимметричной нагрузки Км на усталостную долговечность (^ стыкующих подсборок.
С помощью такой модели, а также экспериментальным путем установлены:
— существенное влияние на величину N таких конструкционных материалов как хромансилевые (30ХГСА, 30ХГСН2А), мартенситно-стареющих (ВКС-170) и корозионно-стойких (ВНС-5) сталей, а также титанового сплава ВТ-22.
— положительный эффект от использования в стыкующих подсборках предварительно напряженных деталей;
— возможное варьирование зазора между основной несущей деталью и стяжкой в стыкующей подсборке с целью повышения её прочности в области ограниченной долговечности.
Проведенные исследования позволяют на этапе проектирования шарнирного узла выбрать необходимые его параметры, отвечающие требованию заданной выносливости.
Литература
1. Лось А. В. Анализ усталостных и износо-вых разрушений в предельно нагруженных узлах самолетных агрегатов [Текст] / А. В. Лось // Вопросы проектирования самолетных конструкций: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та «ХАИ». — Вып. 3(75). —Х., 2013. — С. 86—92.
2 . Бойцов Б . В . Комплексное исследование шасси самолета [Текст] / Б . В . Бойцов — М.: Машиностроение, 1985 . — 232 с.
3. Рябков В . И . Опыт повышения ресурса узлов шасси самолетов в условиях их доработки /В . И . Рябков, Ю . Ф . Белоус, В . И . Барышников // Авиационная промышленность, 1986 . — №1 .
— С . 4 — 6.
4. Лось А. В. Моделирование условий взаимодействия основных элементов подвижного узла при кососимметричном его нагружении [Текст] / А. В. Лось // Вопросы проектирования самолетных конструкций: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та «ХАИ». — Вып. 4(76). —Х., 2013.
— С. 64—72.
5. Лось А. В. Основные положения метода обеспечения долговечности подвижных самолетных узлов в условиях кососимметричного нагружения [Текст] / А. В. Лось // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: — сб. науч. тр. — Нац. аэрокосм. ун-та «ХАИ». — Вып. 62 — Х., — 2013.
— С. 5 - 12.
6. Стебенев В. Н. Методика оценки сопротивления усталости соединений /
B. Н. Стебенев // Тр. ЦАГИ. — 1981. — Вып. 2117. —
C. 42 - 54.
Поступила в редакцию 01.06.2014
Лось Олександр Васильович. Утомна довгов!чшсть стикувальних тдзборок шартрних вузл1в при кососиметричному навантаженш
Запропоновано i реализовано модель оцтювання впливу основных конструктивно-технолог^чних параметрiв шаршрних вузлiв лтакових агрегатiв на втомну довговiчностi з урахуванням коеф^ента надмiрностi згинальних напружень у стикувальних тдзборках. При випробуваннях натурних вузлiв в умовах кососиметричного навантаження( Км) виявлено двi зони втомних руйнувань по довжиш стикувальних тдзборок, розташованих поблизу площин роз'ему стикувальних деталей, що повтстю тдтвердило результати розрахунковог моделi з визначення коефiцieнтiв а^ . Експериментальним шляхом також з'ясовано вплив високомщних сталей 30ХТСН2А, ВНС-5, ВКС-170 i титанового сплаву ВТ-22 на мщшсть вузлiв в областi обмеженог довговiчностi. Показано, що застосування попередньо напружених стикувальних тдзборок при кососиметричному навантажент приводить до стотного зростання гхньог втомног довговiчностi.
Ключов1 слова: шаршрш вузли лтакових агрегатiв, стикувальш тдзборки, втомна довговiчнiсть.
Moose Alexander Vasylyovych. Fatigue life of the joint subassemblies of hinge assemblies at skew-symmetrical loading
A model for the assessment of impact of major structural and technological parameters of the aircraft structural hinge assemblies on fatigue life of joint subassemblies considering excess bending stress coefficient of the joint subassemblies is proposed and implemented. During the test of actual assemblies under skew-symmetric loading (Km) two zones of fatigue destruction along the joint subassembly that are located near the parting plane of the adjacent parts were identified that fully confirmed the results of the computational model for determining the coefficients a^ . Influence of high-strength steels 30ХГСН2А, ВНС-5, ВКС-170 and titanium alloy ВТ-22 on the strength of assemblies in the limited life range is also demonstrated by the experiment. It is shown that the use of pre-loaded joint subassemblies under skew-symmetric loading leads to a substantial increase in their fatigue life.
Keywords: aircraft hinge assembly, joint subassemblies, fatigue life.
