2

Міністерство освіти і науки україни Запорізький національний технічний університет методичні вказівки

до лабораторних робіт з дисципліни

“Експлуатація та обслуговування машин”

для студентів спеціальності

7.05050308, 8.05050308

денної та заочної форм навчання

2013

Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни “Експлуатація та обслуговування машин” для студентів спеціальності 7.05050308, 8.05050308 денної та заочної форм навчання /Укл.:В.І.Глушко, Ю.С.Курлаєва – Запоріжжя: ЗНТУ, 2013.- с. 58

Укладачі: В.І.Глушко, доцент, к.т.н., Ю.С.Курлаєва, асистент

Рецензент: Л.М.Мартовицький, доцент, к.т.н.

А.І.Сочава, доцент, к.т.н.

Відповідальний за випуск: В.І.Глушко, доцент, к.т.н.

Затверджено

на засіданні кафедри

Деталі машин та ПТМ

Протокол № 7

від 14.05.2013р.

ЗМІСТ

Лабораторна робота №1. Випробування матеріалів на
втому при знакозмінних напруженнях …………………..	4
Лабораторна робота №2. Вибір рухомого складу для
перевезення вантажів залізничним транспортом.
Розрахунок транспортних навантажень…………………..	16
Лабораторна робота № 3. Складання карти змащення
механізму……………………………………………………	25
Правила техніки безпеки при виконанні лабораторних
робіт…………………………………………………………	42
Додаток А – Завдання до лабораторної роботи № 2 …….	43
Додаток Б – Перелік платформ Укрзалізниці ………..…..	50

Лабораторна робота № 1 випробування матеріалів на втому при знакозмінних напруженнях

1.1 Мета роботи

Ознайомитись з методом визначення границі втоми для металевих і неметалевих матеріалів.

Матеріали, інструменти, прилади, обладнання:

випробувальна установка РС-1, універсальна тензометрична установка УТС 1 – ВТ – 12.

1.2 Загальні відомості

За характером дії на протязі експлуатації в деталях машин напруження можуть бути сталими і змінними. При тривалих змінних напруженнях руйнування конструкційних сталей може відбуватися раптово без помітної пластичної деформації .При цьому руйніві напруження мають величину значно нижчу границі пластичності матеріалу. Більшість деталей машин в процесі роботи піддається дії змінних напружень. Ця зміна напружень пов’язана з специфікою роботи даної деталі.

Задовго до руйнування починається процес поступового зародження мікроскопічних тріщин, які виникають в окремих кристалах і потім зливаються в одну магістральну тріщину, поширюючись на значну частку перерізу. Поверхня, по якій проходить руйнування, має подвійний характер, вона явно розпадається на дві області втоми і область кінцевого пластичного руйнування одноразовим навантаженням (рис.1.1).

Область втоми має явно гладенький вигляд , вона розповсюджується у вигляді дуг концентричних кіл відносно осередку зародження. Область кінцевого руйнування має зернистий вид і нічим не відрізняється від поверхні звичайного крихкого зламу надрізаного прута.

Часто область “втомленого” металу має не кільцеву, а неправильну форму (рис.1.2). В деяких випадках можна спостерігати особливу картину, коли тріщини поширювались не з одного центру зародження. Інколи оксамитова матовість втомної області зникає, поступаючись місцем нібито деякій загладженості, що викликано, о чевидно, взаємним тертям обох “берегів” втомної тріщини один повз один.

Рисунок 1.1 – Поверхня зламу вагонної вісі

Рисунок 1.2 – Поверхня зламу напрямної цапфи

Другою особливістю втомного зламу є його цілковита крихкість. На рисунку 1.3 зображені зразки, зруйновані різними способами.

а) зруйнований від втоми, б) зруйнований одноразовим навантаженням на випробувальній машині

Рисунок 1.3 – Два зразки з однієї і тієї ж сталі

На зразку а виявляються усі ознаки крихкості і обидві його половини, прикладені одна до одної дають картину повного поновлення його початкової форми.

На зразку б ми бачимо, так звану, шийку – місцеве звуження, яким завжди супроводжується велике подовження, яке характеризує пластичність. Властивості металу руйнуватися під дією змінних напружень по завершенню певного строку служби називають втомою матеріалу, а здатність матеріалів витримувати певну кількість циклів змінних напружень без руйнування називають витривалістю або циклічною міцністю.

З часом напруження можуть змінюватись періодично і не переодично. В машинобудуванні частіше зустрічаються періодично змінні напруження рис.1.4

Разова зміна напружень називають циклом. Тривалість циклу за часом називають періодом циклу.

Параметри, якими характеризується цикл:

- найбільше напруження циклу;

- найменше напруження циклу;

Рисунок 1.4 – Можливі цикли змінних напружень

Рисунок 1.5 – Параметри, які характеризують цикл

Середнє напруження циклу

(1.1)

Амплітуда циклу

(1.2)

Коефіцієнт асиметрії циклу

(1.3)

Цикли з однаковим коефіцієнтом асиметрії r називаються подібними.

Оскільки і завжди беруть з урахуванням їх знаків, то може бути як додатнім, так і від’ємним, а завжди додатне.

Цикл в якому і однакові за величиною, але протилежні за знаком називають симетричним.

Цикл в якому чисельні значення і не рівні між собою називають несиметричним.

Дослідним шляхом встановлено, що для більшості сталей можна вказати таке максимальне напруження, при якому матеріал не зруйнується при будь якому числі циклів навантаження. Таке напруження називають межею витривалості , де індекс r - коефіцієнт асиметрії циклу. Для визначення границі витривалості випробують серію ідентичних зразків в кількості не менше 10 шт. Перший зразок навантажують так, щоб створити в ньому максимальне напруження , завідома більше границі витривалості. Зразок випробують до руйнування, яке відбувається при числі циклів Другий зразок випробують при напруженні Очевидно, необхідне для його руйнування число циклів . Від зразка до зразка напруження зменшують до тих пір, поки зразок не буде витримувати задане технічними умовами число циклів N. Навантаження на наступний зразок роблять на 10-20 МПа менше за попереднє.

Для вуглецевих сталей базовим числом N=10⁷ циклів, для металів і сплавів, які мають горизонтальну ділянку на кривій втоми 10⁸ циклів.

За отриманими експериментальними даними будують криву витривалості (рис.1.6).

Границя витривалості визначає міцність матеріалу при дії змінних навантажень.

Найбільш несприятливий фактор, який значно зменшує опір матеріалу втомі, є концентрація напружень, які сприяють зародженню і розвитку тріщин втоми. Зниження границі витривалості за рахунок наявності тих або інших концентраторів напружень (виточок, отворів, шпонкових канавок і інше) враховують ефективним коефіцієнтом концентрації

Рисунок 1.6 – Діаграма випробувань на витривалість

напружень, які позначаються для нормальних і для дотичних напружень:

; (1.4)

де - границя витривалості зразка, відповідно, без концентратора напружень і з концентратором напружень.

Ефективні коефіцієнти концентрації встановлюють дослідницьким шляхом, але в деяких випадках, якщо нема експериментальних даних, їх розраховують за відомими значеннями теоретичних коефіцієнтів концентрації і .

(1.5)

де – коефіцієнт чутливості матеріалу до концентрації напружень. Значення зростає з підвищенням міцності матеріалу, але не перевищує одиниці. Витривалість деталі залежить також від асиметрії циклу, змінних напружень і від напруженого стану.

Найменша границя витривалості отримується при симетричному циклі, вона позначається Для інших коефіцієнтів асиметрії границі витривалості лежать в межах від до тимчасового опору .

Випробування на витривалість здійснюють при простому напруженому стані, який одержується повторно-змінним розтягом (стиском), згином або крученням, а іноді і при складному напруженому стані, який створюється згином і крутінням, або розтягом по двом напрямкам.

Для визначення границі витривалості матеріалу, що досліджується, виготовляють зразки, форма яких показана на рис.1.6,1.7.

Для отримання більш надійних даних, що до довговічності при визначених значеннях напружень, або границь витривалості при визначених довговічностях експерименти проводяться в статистичному аспекті. На кожному рівні випробовують від 10 до 50 зразків. Такі випробування потребують безперервної роботи, випробувальної машини на протязі тривалого часу (5-6 діб).

а) круглого перерізу б) прямокутного перерізу

Рисунок 1.7 – Зразки для випробувань на втому

З партії, яка підлягає дослідженню, перший зразок випробовують при максимальному напруженні

(1.6)

де - границя міцності .

Тривалий характер випробувань з визначенням границі витривалості не дає змоги на протязі відведених на роботу годин в лабораторії провести в повному обсязі ці випробування. Тому ця лабораторна робота носить лише демонстраційний характер.

а) круглого переріз, б) прямокутний переріз

Рисунок 1.8 – Зразки для випробувань на втому з концентратором

Більшість експериментів по втомі конструкційних матеріалів проводять при симетричному згині. Однією з основних причин мало чисельності робіт по втомі при розтягненні – стисненні є обмеженість типів та кількості діючих екземплярів маниш осьового навантаження. Особливо це стосується обладнання, яке дозволяє проводити іспити при середніх напруженнях стиску.

В динамічній лабораторії Запорізького національного технічного університету розроблена установка осьового циклічного навантаження [112] (рис. 1.9) для дослідження опору втомності матеріалів. Конструкція установки дозволяє проводити одночасно іспити до восьмі зразків та деталей типу стержня з будь-якою асиметрією циклу як при середніх напруженнях розтягу, так і середніх напруженнях стиску при стаціонарних режимах, а також реалізувати навантаження по програмі з комутацією середніх напруженнях циклу.

Рисунок 1.9 – Загальний вид установки осьового

циклічного навантаження РС – 1

Технічні дані:

Кількість випробовуваних зразків, шт. 1-8

Максимальна амплітуда навантаження, Н 30000

Межі зміни частоти навантаження, Гц 0-30

Габаритні розміри установки, мм 2700х2500х1100

Коефіцієнт асиметрії будь-який

Рисунок 1.10 – Схема установки осьового циклічного навантаження

Установка (Рис1.10) складається із чотирьох самостійних силових агрегатів з індивідуальним керуванням і загального виносного пульта. Силовий агрегат складається із двоплечого важіля 1, на вільному кінці якого на підшипниках встановлена збуджувальна головка 2, що несе ексцентрично розташований вантаж 3, який вільно обертається навколо осі важіля. Збуджувальна головка приводиться в обертовий рух через пасову передачу від електродвигуна постійного струму. Для забезпечення коливань тільки в горизонтальній площині двоплечий важіль через підшипники 4 опирається на верхню й нижню горизонтальні напрямні й за допомогою вертикального пальця 5 шарнірно з'єднаний зі станиною. На випробувані зразки «а» і «б» зусилля передається через коротке плече важіля на рамку 6, з якою жорстко з'єднані тяги 7 і 8 із захватами, що утримують внутрішні кінці зразків. Зовнішні кінці останніх закріплені в нерухомих тягах 9 і 10, жорстко зв'язаних зі станиною через стійки 11 і 12. Затягуванням гайок 13 і 14 забезпечується необхідне попереднє навантаження зразків до величини рівня середніх напружень циклу. Необхідні значення середніх напружень циклу можна так само задати пружинами 15 і 16, які підтискаються гвинтами 17 і 18. При випробуваннях по програмі комутація пружин здійснюється гідроциліндрами 19 і 20, що від'єднують у необхідний момент пружини від важіля 1. Роботою гідроциліндрів керує розподільник, увімкнений у гідросистему силового агрегату.

Стабілізацію зусилля, що розвивається силовим агрегатом, забезпечує електричний привод, що включає в себе схему автопідстроювання швидкості обертання вала двигуна, який працює за принципом негативного зворотного зв'язка. Це знижує розкидання результатів експерименту й звільняє дослідника від необхідності ручного підстроювання й безперервного спостереження за установкою.

Налагоджування силових агрегатів на робочий режим і процес випробувань визначається при контролі діючих на зразки навантажень за допомогою электротензосистеми, що містить у собі фольгові тензорезистори типу 2ФПКА-20-100, наклеєні на рухливі тяги 7 і 8, дванадцятиканальну тензостанцію УТС1-ВТ-12 і осцилограф Н700. Можлива робота з тензопідсилювачем ТА-5 (із примусовим охолодженням), 8-канальним аналогоцифровим перетворювачем (АЦП) і персональним комп'ютером (ПК). Градуювання тензосистеми здійснюється за показниками зразкового динамометра стиску ДОСМ 3-5, який встановлюється на місце зразка. На місце другого зразка встановлюється жорсткий циліндричний технологічний зразок, який не дозволяє рамці переміщуватися.