5. Результаты экспериментальных исследований износа

Для проверки принятых расчетных предпосылок и методики расчета износа соединений в МИИТе выполнен комплекс экспе­риментальных исследований на большой группе об­разцов из стали марок СтЗ и М16С с заклепочными и болто­выми соединениями различных конструкций. Испытания об­разцов проводили на гидравлических пульсаторах ГРМ-1 и ГРМ-2 с частотой нагружения 300—600 циклов/мин при поло­жительной температуре 15—25°С в обычной воздушной среде при максимальных напряжениях цикла, близких к пределу вы­носливости. Число циклов нагружения на один образец в от­дельных случаях достигало 3,5 млн. Контактирующие поверх­ности перед сборкой образцов не обрабатывали. Для оценки износа при испытании измеряли упругие взаимные сдвиги сое­диняемых элементов в различных сечениях образцов (обычно в сечениях по заклепкам или болтам) и падение осевых напря­жений в заклепках и болтах, вызванное износом. Падение осе­вых напряжений измеряли с помощью проволочных тензорезисторов, наклеенных на стенке продольного отверстия в стержне заклепки или болта. Взаимные сдвиги измеряли механически­ми тензометрами или специальными датчиками-деформометрами через каждые 100—400 тыс. циклов нагружений.

При разборке образцов после испы­таний всегда обнаруживали большое количество продуктов износа в виде пылеобразных частиц. Аналогичные пылеобразные частицы износа, но только сильно окисленные часто обнаруживали в заклепочных соединениях эксплуатируемых мостов.

Экспериментальные данные подтверждают наличие различ­ных периодов износа. На рис. 3 показаны конструкция об­разца с клепано-болтовым соединением и характерное измене­ние (падение) осевых напряжений вследствие износа в высоко­прочных болтах ∆σ_о в зависимости от числа циклов нагрузки N (номера болтов соответствуют номерам кривых). Началь­ное напряжение в болтах по площади брутто составляло 370—510 МПа. Первый период более интенсивного износа про­текал при первых 200—500 тыс. циклах нагрузки. Затем насту­пал период установившегося износа.

Особый интерес представляют закономерности износа в за­висимости от суммарных сдвигов 5 и числа циклов нагрузки N при однородном нагружении. На рис. 4 показаны конструк­ция серии образцов с двухсрезными заклепками и изменения осевых напряжений в заклепках σ₀, вызванные износом соеди­нения. Точками обозначены экспериментальные значения а_а при соответствующих N или 5. Линиями в координатных осях σ₀, S показано изменение σ₀, полученное по формуле при коэффициенте линейного износа, определенном эксперимен­тально для данного образца. Номера линий и точек соответст­вуют номерам заклепок. Подобные данные, полученные при испытаниях образцов с односрезными заклепками.

Рис.4 Характер изменения σ₀ в двухсрезных заклепках вследствие износа соединений.

Анализ полученных результатов свидетельствует о хорошем совпадении экспериментальных данных с полученными по фор­муле. Важно отметить, что в однотипных соединениях при одинаковом коэффициенте линейного износа осевые напря­жения в заклепках (болтах) по мере увеличения суммарных сдвигов сближаются, и их исчезновение наступает почти при од­ном и том же σ независимо от начального напряжения σ₀н.

По результатам испытаний всех образцов отмечена хорошо корректируемая линейная зависимость между σ₀ и N, а следо­вательно, и между At и N. Для заклепочных соединений в про­веденных экспериментах линейная зависимость между σ₀ и N при однородном нагружении практически прослеживалась при изменении начальных напряжений от σ_0н до 0,15 σ_0и, посколь­ку сдвиговые деформации в соединении от каждого цикла на­грузки при однородном режиме нагружения увеличиваются с ростом числа циклов N. Это наглядно подтверждают экспери­менты. На рис. 4 в качестве примера показан характер из­менения упругих сдвигов соединяемых элементов за один цикл нагрузки ∆цик и суммарных сдвигов S в зависимости от числа циклов нагрузки N при однородном режиме нагружения с ча­стотой 600 циклов/мин. Цифры на графиках соответствуют номерам заклепок, в зонах которых измерены сдвиги.

Рис 5. Характер изменения ∆_цик и S от N

С целью исследования вли­яния дополнительных вибра­ций на износ соединений бы­ли проведены испытания, при которых, кроме основной пе­ременной нагрузки, создавае­мой пульсатором, образец под­вергали воздействию дополни­тельной вибрационной нагрузки с частотой около 50 Гц. Дополнительную поперечную вибрацию создавали с помощью электромотора постоянного тока с закрепленной на валу неурав­новешенной массой. Сдвиги записывали на осциллографе. Эти исследования показали, что рассмотренные выше закономерно­сти износа сохраняются и при воздействии на соединения вы­сокочастотных вибраций.

Используя экспериментально установленную линейную за­висимость между ∆_убц и N, можно получить формулы для опре­деления взаимных упругих сдвигов соединяемых элементов в любой момент времени при работе соединения в I и II стади­ях, имея начальные и конечные значения упругих сдвигов. При этом за начальный упругий сдвиг соединяемых элементов в зоне их контакта в рассматриваемом сечении принимают упру­гий сдвиг от цикла нагрузки в начале работы соединения в I или II стадии, а за конечный — соответственно в конце I или II стадии. На основании установленных зависимостей из­носа ∆ от числа нагружений N при однородном режиме нагружения и от размера действительных суммарных упругих сдвигов S.

Взяв первую производную St no N, получим формулы для «определения упругого сдвига от цикла нагрузки (сумма сдвигов при нагрузке и разгрузке) ∆_убц в любой момент работы сое­динения:

В формулах bi = Kp₀; ∆_убц — начальный упругий сдвиг от цикла нагрузки; S'_t =N∆’_убц — суммарный упругий сдвиг при ∆_убц =∆’_убц = const. Остальные обозначения прежние. Эти зависимости удобны для практических расчетов износа соединений. Они хорошо согласуются с опытными данными.