Меню

Для чего нужны концентраторы напряжений



Способы снижения влияния концентраторов напряжений на усталостную прочность валов и осей

В нашей работе мы часто сталкиваемся явлением, поломки тех или иных деталей оборудования. По виду разрушения эти поломки часто имеют усталостный характер, как раз на участках концентрации напряжений.

Что такое концентрация напряжений

Концентрацией напряжений называют резкое возрастание напряжений в местах резкого изменения формы тела (в районе внутренних углов, выточек, отверстий, канавок и т.д.). В местах концентрации напряжений несправедлива гипотеза плоских сечений и формулы сопротивления материалов неприменимы.

Напряжения вблизи концентраторов напряжений определяются методами теории упругости или экспериментально (методы фотоупругости, голографической интерферометрии, тензометрии, муаровых полос и др.). Для оценки степени концентрации напряжений вводится теоретический коэффициент концентрации напряжений. Эффективный коэффициент концентрации напряжений k, является критерием чувствительности материала к концентрации напряжений и равен отношению предела прочности гладкого образца вк условному пределу прочности надрезанного образца σ в надр . Условный предел прочности надрезанного образца равен отношению предельной нагрузки, выдерживаемой образцом с надрезом, к площади наименьшего сечения образца.

Ярко выражены усталостные повреждения в цилиндрических деталях по типу валов. На рис. 1 приведен пример вала, с усталостной поломкой которого (рис. 2) пришлось столкнуться на практике нашему коллективу.

Как видно, на рис. 2 поломка имеет явные признаки усталостного разрушения детали. Об этом свидетельствует характер излома, а также это косвенно подтверждается наличием значительного износа рабочих поверхностей зубчатой шестерни. Кроме того, в процессе эксплуатации происходили кратковременные перегрузки линии привода, которые не приводили к аварийным ситуациям благодаря наличию клиноременной передачи и защиты по току электродвигателя. Тем не менее, наличие даже кратковременных перегрузок способствовало развитию усталостных процессов в данном валу. Но одним из важных моментов, который оказал существенное влияние на усталостное разрушение вала, являлось наличие концентраторов напряжений на участках перехода — галтели были очень малы, а перепад диаметра от основного тела вала к шестерне значительный.

Данный практический эпизод дал нам повод для обновления в памяти знаний о концентраторах напряжений, что в дальнейшем привело нас к разработке ряда технических решений по деталям оборудования, которым занимается наш коллектив. Разработанные решения касались изменения профиля некоторых валов с целью снижения концентрации напряжений на участках перехода.

Далее приведем краткую информацию, которой мы руководствовались при поиске рациональных конструктивных решений, а также ту, которая может быть полезна нашим читателям.

И как всегда, по традиции, просим делится Вашим мнением и знаниями, ведь мы работая в небольшом коллективе, сталкиваясь с большим количеством разнообразных задач, не можем обладать полнотой знаний по всем направлениям машиностроения, ремонта и эксплуатации оборудования и любой совет и конструктивную критику воспринимаем с благодарностью.

Типы концентраторов напряжений

Концентраторы напряжений в совокупности с действием повышенных нагрузок способствуют образованию трещин в деталях машин. За счет оптимизации геометрических параметров деталей возможно повысить ресурс деталей работающих в условиях воздействия переменных нагрузок. К таким способам оптимизации можно отнести создание разгрузочных канавок, скругление углов перехода, смещение концентраторов в менее нагруженные участки детали и т. п.

Особенностью многих концентраторов напряжений в деталях является то, что они расположены на участках технологических переходов, в которых как раз и возникают пиковые напряжения (рис. 1).

(a) и (b) – вал с радиальной канавкой при растяжении;
(c) и (d) ступенчатая плоская пластина, подвергаемая изгибу;
(e) и (f) вал подвергаемый кручению;
(а), (в) и (д) – расчеты произведены Ansys;
(б), (г) и (е) – расчеты произведены в Inventor.

К примеру, у деталей исходная заготовка которой представляет собой поковку, при последующей механической обработке происходит удаление упрочненных участков. Кроме того, переходы формы кованых и штампованных деталей имеют пониженную прочность на этих участках за счет вытяжки металла.

Для литых заготовок концентраторы образуются на участках перехода формы за счет нарушения структуры металла при кристаллизации и охлаждении. На таких участках высока вероятность возникновения микротрещин, присутствия пористости металла и остаточных напряжений.

Таким образом существуют два типа концентраторов напряжений — обусловленные геометрическими параметрами детали и технологические.

Концентраторы напряжений в валах и осях

Источниками концентрации напряжений в валах и осях являются уже упомянутые ранее участки перехода формы, а также условия монтажа других деталей — ступенчатые переходы, шлицы, шпоночные пазы, резьбовые участки, поперечные отверстия, проточки, напрессовка или зажим деталей и т .п. Таким образом, концентрация напряжений определяется деталями, которые крепятся на вал или ось и размещением опор.

На рис. 3 представлены типичные примеры участков перехода формы валов и осей.

  1. Рис 4а. Размеры радиуса r и перепада диаметров d и D при установке подшипников регламентируются следующими рекомендуемыми соотношениями: h/r=3, r/d=0,02…0,04 (для подшипников), r/d=0,03…0,06 (для втулок), с учетом размеров фасок на кольцах; эффективные коэффициенты концентрации напряжений* изгиба и кручения k=2,0…2,3 для стали в=600…1000 МПа.
  2. Для валов из легированных сталей с соотношением D/d=1,4 значения эффективного коэффициента концентрации напряжений равны k=1,6…3,2 при соответствующем соотношении r/d=0,011…0,028.
  3. Рис 4б. С учетом того, что выполнение галтелей уменьшает ресурс шлифовальных кругов и усложняет обработку, рекомендовано делать выточки для выхода круга с наибольшими возможными закруглениями.
  4. Рис. 4в и 4г. Для напряженных валов рекомендовано применять галтели с эллиптическим контуром или очерченные разными радиусами. Такой подход позволяет сделать более равномерным распределение напряжений вдоль линии перехода вала.
  5. Рис. 4д. Для уменьшения протяженности галтели в ряде конструктивных исполнений используют галтели с поднутрением участка вала на большем диаметре. Однако, такой подход усложняет технологию изготовления деталей.
  6. Рис. 4е. Иногда, при наличии протяженной галтели на валу, для улучшения условий монтажа подшипников и колес используют промежуточное упорное кольцо, внутренняя поверхность которого повторяет контур галтели.
  7. Рис. 4ж и 4з. Иногда эффективным является применение разгрузочных кольцевых канавок на ступени большего диаметра. Применение таких канавок снижает нагруженность перерезанных волокон. Кроме того, применение разгружающих канавок глубиной 0,8 от глубины основной канавки, по примеру рис. 3 ж, позволяет снизить напряжения в окрестности основной канавки на 20%.
  8. Рис. 4и. Для валов, которые имеют возможность увеличения длины переходных участков удается добиться оптимальных параметров галтели – при длине участка перехода , равной диаметру значения коэффициентов концентрации напряжений при изгибе k и кручении kстремятся к единице.
  9. Рис. 4к. Для полых валов рекомендован конусный переходной участок с углом конуса 4, длиной d/3 и галтель r/d=0,05.
Читайте также:  Защита от повторной подачи напряжения

В качестве иллюстрации эффективности применения разгрузочных канавок на рис. 5 приведен простой пример расчетной модели.

Снижение усталостной прочности валов происходит также при напрессовке деталей. Снизить негативное влияние на показатели прочности применяют следующие методы:

  1. Рис. 6а. Увеличение диаметра вала на участке сопряжения со ступицей на 5% с выполнением плавных галтелей на участках перехода. Такой подход позволяет увеличить предел выносливости при передаче изгибающего момента через ступицу на 20…25%.
  2. Рис. 6б, 6в. Изготовление круговых выточек у кромок вала позволяет повысить прочность примерно в 1,5 раза.
  3. Рис. 6г, 6д. Изготовление на торцах ступиц разгрузочных канавок. При этом стенки у кромок должны быть минимальной толщины. Это позволяет повысить прочность на 20…40%.
  4. Обкатка роликами галтелей и участка сопряжения со ступицей позволяет увеличить прочность, примерно, вдвое.
  5. Рис. 6е. На 15…20% можно увеличить прочность соединений при использовании ступиц конической формы.

В качестве примера применения описанных выше подходов на рис. 7, 8 приведен пример разработанного вала с модифицированными концентраторами напряжений.

При конструировании данного вала, как видно из чертежа, применены отдельные приемы увеличения усталостной прочности. Кроме того, данный вал, как и тот, что представлен на рис.1, подвергается кратковременным перегрузкам, поэтому изначально расчеты велись с учетом максимальных нагрузок, которые могут быть на 30…50% выше номинальных. Это сделано было, по той причине, что зачастую клиенты, желая сэкономить на оборудовании, просят дать им машину с заведомо меньшей несущей способностью, при этом работают на пределе ее технических характеристик. При этом никто не гарантирует возникновения внештатных колебаний технологической нагрузки.

Расчет вала производился классическими методами сопротивления материалов, т.е. мы не прибегали в данном случае к моделированию нагруженности вала в специализированных компьютерных системах с применением метода конечных элементов.

Вал показанный на рис.1. также был модифицирован, но по просьбе нашего клиента мы не выкладываем его рабочий чертеж.

Резюме

В процессе нашей повседневной работы мы порой забываем о простейших приемах повышения ресурса эксплуатации деталей, поэтому периодически приходится заново открывать для себя давно известные правила. Что-то приходит с практикой, а кое-где нужен совет более опытного товарища. Мы надеемся на взаимопонимание наших читателей и будем ждать советов и практических рекомендаций.

Источник

Усталостная прочность. Концентраторы напряжений

Любое изделие должно обладать основными категориями качества: надежностью, прочностью и жесткостью в работе.

Прочность — один из основных критериев работоспособности изделия, обусловливаемой циклическими и контактными напряжениями. Отсюда принято различать циклическую прочность и контактную прочность.

Детали, подвергающиеся длительной переменной нагрузке, разрушаются при напряжениях, значительно меньших предела прочности материала при статическом нагружении Циклическая прочность деталей сильно падает на участках ослаблений, резких переходов ния циклических нагрузок, то хотя бы их уменьшения. Даже в машинах определенно циклического действия можно достичь значительного уменьшения максимальных циклических напряжений и их амплитуды, а также смягчения динамичности нагрузки. Технологические способы повышения циклической прочности.

Металлургические факторы. Большое влияние на циклическую прочность оказывает технология выплавки стали. Спокойные стали (раскисленные алюминием) имеют более высокие пределы выносливости, чем к и п я ш и е (раскисленные Мп и 81). Повышенной циклической прочностью обладают стали вакуумной плавки, а также полученные методами электронно-лучевого и плазменного переплава или электродугового переплава под слоем синтетического шлака.

Читайте также:  Как проверить напряжение телефонной сети

Термообработка. Упрочняющая термообработка повышает предел выносливости примерно пропорционально увеличению показателей статической прочности (рис. 191). Наибольший эффект дает закалка с низким отпуском, увеличивающая предел выносливости в 2 — 2,5 раза по сравнению с нетермообработанной сталью (кривые 4).

Высокую циклическую прочность обеспечивает изотермическая закалка на бейнит, а также термомеханическая обработка (особенно НТМО).

Усталость металла — изменение состояния металла в результате многократного (циклического) деформирования, приводящее его к прогрессирующему разрушению. Если проанализировать процесс разрушения детали от действия переменных напряжений, то можно выделить две его фазы: образование микротрещины, а затем ее дальнейшее развитие до полного разрушения образца. Статистика показывает, что до 80% поломок и аварий при эксплуатации машин связано с усталостными явлениями. Поэтому проблема усталостной прочности является важнейшей для повышения надежности и долговечности машин. Наиболее явно циклические нагрузки выражены в машинах и механизмах с возвратно-поступательным движением (поршневые машины, шатунно-кривошипные группы, кулачковые механизмы).

Во всех зубчатых передачах зубья колес подвержены циклическим нагрузкам. Валы, работающие под нагрузкой постоянного направления (валы зубчатых, ременных и цепных передач), также подвергаются циклическому нагружению.Диаграмма сравнительной характеристики усталостной прочности для различных соединений типа «вал — ступица», характеризующая выносливость валов при циклическом кручении в зависимости от конструкции соединения

Анализ причин, определяющих степень снижения усталостной прочности валов в рассматриваемых соединениях, свидетельствует о значительном влиянии конструктивных особенностей подступичной части вала и формы ступицы на распределение контактных давлений. Изучение характера поломок деталей машин показало, что на их долговечность влияют главным образом форма и способы обработки. Остановимся на этом более подробно. Установлено, что прочность деталей машин существенно отличается от прочностных характеристик материалов, из которых эти детали были изготовлены. Наглядное представление об этом дает диаграмма

Если принять прочность образца из данного материала при испытании на разрыв за 100%, то предел выносливости образца составит 55. 72%, а прочность деталей в зависимости от формы и типа соединений составит всего 7. 24%. На диаграмме в процентах по сравнению с прочностью образца при разрыве представлена прочность деталей: сложной формы 2, 3,4 и 5, соединения типа «вал — ступица» 7, 8 и 9, соединений болтового, заклепочного и сварного 1,6,10 и 11, представляющих наи­более типичные случаи конструктивного исполнения деталей и соединений.

Усталостная прочность деталей резко падает при наличии ослаблений, резких переходов, острых углов, поднутрений и т. п., вызывающих местную концентрацию напряжений. Зоны концентрации напряжений (у краев отверстий, в выкружках, во входящих углах и т. д.) наиболее перегружены и служат местами начала пластической деформации или разрушения.

Степень концентрации напряжений зависит от вида концентраторов, состояния поверхности и размеров детали, материала детали, его химического состава и однородности, термообработки, механической прочности, характера рабочего цикла детали.Среди концентраторов напряжений (рис. 62) различают геометрические (концентраторы формы) и технологические (концентраторы, появление которых связано с нарушением структурообразования материала при изготовлении изделия).

Рис. 62

Основными источниками геометрической концентрации напряжения на валах и осях служат их ступенчатая форма, выточки, поперечные отверстия, шпоночные канавки, шлицы и т. д. Чем больше перепад сечений на участке перехода и чем резче переход, тем выше местное напряжение.

Технологические концентраторы напряжения в деталях, подвергающихся механической обработке, возникают в результате перерезания волокон при обработке заготовки давлением. В литых деталях участки перехода часто бывают ослаблены такими литейными дефектами, как микротрещины, пористость, воздушные раковины и т. д. У кованых и штампованных деталей участки перехода в изгибах имеют пониженную прочность вследствие вытяжки металла на этих участках.

Примеры появления очагов концентрации напряжений на деталях

Грубые риски, оставшиеся после обработки на поверхности впадины шпоночного паза 1, между зубьями шестерни, вызывают появление постепенно растущих трещин усталости. Изломы валов чаще всего происходят в участках резкого перехода от большого диаметра к меньшему III (типа лысок и отверстий — IV, V), выполненному без галтели. В этом случае в местах грубых рисок, острых углов и местах резких переходов происходит сосредоточение (концентрация) напряжений, приводящих к поломке деталей. Отсюда можно сделать вывод, что при конструировании деталей следует избегать острых углов в ее конфигурации.

При статической нагрузке величина концентрации напряжения зависит от степени пластичности материала. У пластичных материалов явление концентрации напряжения выражено слабо. При повышении напряжения в зоне ослабления такие материалы переходят в состояние текучести. Хрупкие материалы при переходе местных напряжений за предел прочности разрушаются.

Дата добавления: 2019-07-17 ; просмотров: 421 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Концентратор — напряжение

Концентраторы напряжения ( отверстия в теле детали, резкие переходы от более толстого к тонкому сечению, механические надрезы, трещины и др.) могут существенно снизить прочность некоторых материалов, поэтому образцы испытывают на чувствительность к надрезу и трещине. Длительное воздействие статических нагрузок и повышенной температуры вызывает необходимость проведения испытаний на ползучесть. Проводятся испытания на износ и истирание, на коррозионную усталость и склонность к коррозионному растрескиванию, на термостойкость и другие виды испытаний. [1]

Читайте также:  При включении падает напряжение трансформатора

Концентраторы напряжения , ( отверстия в теле детали, резкие переходы от более толстого к тонкому-сечению, механические надрезы, трещины и др.) могут существенно снизить конструктивную прочность некоторых материалов, поэтому проводят также испытания образцов на чувствительность к надрезу и трещине. Длительное воздействие статических нагрузок и повышенной температуры вызывает необходимость проведения испытаний на ползучесть. Проводятся испытания также на износ и истирание, на коррозийную усталость и склонность к коррозионному растрескиванию, на термостойкость и др. Особую группу испытаний составляют так называемые технологические пробы, по результатам которых устанавливают пригодность материала для конкретного технологического процесса обработки. [2]

Концентраторы напряжений могут служить источником коррозионного растрескивания титана в том случае, если электролит ( растворы солей, морская вода) попадает в концентратор напряжений после нагружения. При попадании электролита в концентратор до нагружения детали титан проявляет высокую стойкость к коррозионному растрескиванию. Поскольку в дымососы электролит попадает в основном после нагружения, при конструировании рабочего колеса из титана необходимо исключить концентраторы напряжения. Контактная или гальваническая коррозия часто наблюдается в конструкциях из разнородных материалов. [3]

Концентраторы напряжений в свою очередь способствуют коррозионному растрескиванию сплавов. Растрескивание напряженного металла можно условно рассматривать как процесс, состоящий из нескольких стадий: начальной, когда разрушение идет только в одной микрообласти, и последующих стадий, вовремя которых происходит углубление начального микроразрушения, приводящего к мгновенному разрушению металла. [4]

Концентраторы напряжений вызывают неравномерное распределение напряжений и деформаций при нагру-жении. Многие концентраторы таковы, что при нагруже-нии в отдельных участках элемента могут возникать пластические деформации. В результате этого после разгрузки сосуда от испытательного давления в окрестности концентратора возможно возникновение полей остаточных напряжений, отличающихся от таковых при нагружении. Причем в зонах, где возникли пластические деформации при нагружении, реализуются напряжения сжатия. [5]

Концентраторы напряжений существенно снижают усталостную прочность и долговечность материалов В95Т и Д16Т при циклическом нагружении их на воздухе. Степень снижения усталостной прочности и долговечности зависит от типа концентратора напряжения, материала и базы испытания. [6]

Концентраторы напряжений в центре образца обеспечивали поперечную деформацию металла шва: в нем развивалась продольная трещина. Однако при такой схеме испытаний в деформации, кроме металла шва, участвовал и основной металл, что отрицательно сказывалось на точности результатов. [7]

Концентраторы напряжений приводят к снижению конструктивной прочности металла. [8]

Концентраторы напряжения ( отверстия в теле детали, резкие переходы от более толстого к тонкому сечению, механические надрезы, трещины и др.) могут существенно снизить прочность некоторых материалов, поэтому образцы испытывают на чувствительность к надрезу и трещине. Длительное воздействие статических нагрузок и повышенной температуры вызывает необходимость проведения испытаний на ползучесть. Проводятся испытания на износ и истирание, на коррозионную усталость и склонность к коррозионному растрескиванию, на термостойкость и другие виды испытаний. [9]

Концентраторы напряжений в виде усиления сварных швов приводят к резкому снижению долговечности. Так для швов ЭДС долговечность снижается в 1 8 раз, ГПС — 1 6 раз по сравнению с долговечностью основного металла. [11]

Концентраторы напряжений в виде механических дефектов поверхности стали или коррозионных язв с наибольшей вероятностью становятся локальными анодами при частичном повреждении пассивной пленки на поверхности арматуры, например хлор-ионааии. [12]

Концентраторы напряжений — конструктивные элементы в деталях, вызывающие концентрацию напряжений ( фиг. Концентраторами напряжений могут служить также внутренние дефекты металла — трещины, раковины, неметаллически включения и другие нарушения сплошности и однородности строения, играющие роль надрезов. [13]

Концентраторы напряжений в виде отверстий в образцах сверлят, боковые выточки получают шлифовальным кругом, заправленным под, требуемый угол и радиус. Профиль выточек и диаметр отверстий на образцах контролируют при увеличении на проекторе инструментального микроскопа. [14]

Концентраторы напряжений ( в макромасштабе) могут быть определены как резкие изменения в геометрии или свойствах материала, вызывающие изменения величины действующих нагрузок и ( или) интенсивности напряжений. Изменение толщины или отверстия в слоистом композите является примером влияния геометрии на концентрацию напряжений. Концентрация напряжений из-за изменений в свойствах материала возникает, например, тогда, когда в слоистый композит в процессе его изготовления вводят металлические вкладыши или прокладки. В этом разделе рассматриваются только концентраторы напряжений, порожденные нарушениями непрерывности материала. Резкие изменения в свойствах материала почти всегда связаны с клеевыми или механическими соединениями, анализ которых содержится в следующем разделе главы. Концентраторы напряжений могут быть двух типов: заранее известными ( или заданными) и случайными. Концентраторы первого типа образуются при формовании изделий или в результате их механической обработки. Некоторые вопросы общего характера, касающиеся этих проблем, будут рассмотрены раздельно, однако основное внимание уделено исследованию концентраторов в виде заранее заданных круговых отверстий. [15]

Источник