Проектирование строительных и дорожных машин

локон, полученных при предшествующей горячей обработке заготовки давлением. У литых деталей участки переходов, как правило, ослаблены литейными дефектами, вызванными нарушениями структуры при кристаллизации металла и охлаждении отливки. В этих участках обычно сосредотачиваются рыхлоты, пористость, микротрещины и возникают внутренние напряжения. У кованых и штампованных деталей участки переходов имеют пониженную прочность вследствие вытяжки металла на этих участках. Соответственно различают геометрические концентраторы (концентраторы формы) и технологические концентраторы.

Типичные концентраторы напряжений в цилиндрических деталях типа валов приведены в табл. 5.1.

101

Сильными концентраторами являются внутренние дефекты материала: раковины, пористость, микротрещины, неметаллические включения (оксиды, силициды и др.).

Предел выносливости геометрически подобных деталей снижается с увеличением их абсолютных размеров. О причинах этого явления высказано несколько предположений. Статистическая теория объясняет это явление повышением вероятности образования внутренних дефектов при увеличении размеров детали. Технологическая школа выдвигает на первый план затруднительность получения однородной структуры и равномерной прочности по сечению крупных деталей, например при горячем пластическом деформировании и термообработке.

Циклическая прочность зависит и от состояния поверхности, особенно в тех случаях нагружения, когда наибольшие напряжения возникают в поверхностных слоях (изгиб, кручение, сложные напряженные состояния).

102

Грубая механическая обработка, вызывающая пластические сдвиги, надрывы и микротрещины в поверхностном слое, резко снижает предел выносливости, тонкая (полирование, суперфиниширование) – повышает. Это явление особенно резко выражено у деталей небольших размеров и слабее у крупных деталей. Последнее объясняется присущими крупным деталям неоднородностями структуры, действие которых пересиливает действие концентраторов, вызванных механической обработкой.

Предел выносливости снижается при наличии случайных царапин и повреждений поверхностного слоя, а также износа поверхности. Резкое падение циклической прочности наблюдается при коррозии.

Циклическая прочность снижается в соединениях с натягом, конусных и клеммных соединениях с высокими напряжениями смятия на посадочных поверхностях. Отрицательно действуют на циклическую прочность гальванические покрытия твердыми и прочными металлами (Cr, Ni). Покрытия пластичными металлами (Cu, Zn, Cd, Sn, Pb) на усталостную прочность влияют мало.

5.2. Повышение циклической прочности

Физические основы явлений усталости еще не изучены в степени, позволяющей создать стройный расчет деталей на циклическую прочность. Отсутствие основополагающих физических принципов заставляет идти по пути накопления экспериментальных данных, которые не всегда позволяют произвести достоверный расчет, тем более, что данные, получаемые различными экспериментаторами, имеют большой разброс, а зачастую, вследствие различия методики испытаний, несопоставимы и даже противоречивы. Из-за наслоения новых данных, введения поправочных коэффициентов, а также многообразия подлежащих учету факторов расчетные формулы все более усложняются.

В этих условиях большое значение имеет понимание общих закономерностей циклической прочности. Осмысленное проектирование, основанное на знании этих закономерностей, дает порой гораздо больше, чем расчет, и позволяет избежать ошибок, которые в последующем пришлось бы исправлять, например приемами упрочняющей технологической обработки.

103

Во многих случаях можно устранить первопричину и добиться если не полного исключения 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.

Одним из основных способов является повышение упругости деталей в направлении действия нагрузок и введение упругих связей между деталями, передающими и воспринимающими нагрузку.

При циклическом крутящем моменте можно сгладить пики напряжений и, следовательно, уменьшить амплитуду цикла введением упругих муфт между деталями, воспринимающими крутящий момент. Установка пружинных амортизаторов между валами и зубчатыми колесами снижает пики напряжений в зубьях и делает работу зубчатых передач плавной и спокойной. Переход с подшипников качения на подшипники скольжения, например в шатунно-кривошип- ных механизмах, снижает пики нагрузок благодаря амортизирующему действию масляного слоя. Работа, затрачиваемая на вытеснение масла из зазора в подшипниках, поглощает импульс действующих сил, что способствует снижению нагрузок на механизм.

Другой способ заключается в снижении коэффициента амплитуды напряжений путем наложения постоянной нагрузки. Этот прием широко применяют в конструкции циклически нагруженных болтовых соединений, придавая болтам предварительную затяжку. При достаточно большой затяжке удается практически полностью устранить циклическую составляющую и сделать нагрузку статической.

Во многих случаях возникновение высоких знакопеременных нагрузок связано с появлением резонансных колебаний в частях механизма. Этот опасный вид циклической нагрузки предотвращают с помощью демпферов (пружинных, маятниковых, гидравлических или фрикционных). Вибрации машин и агрегатов, являющиеся источниками знакопеременных нагрузок, устраняют или смягчают их подвеской на виброизолирующих и виброгасящих амортизаторах.

В ряде случаев полного или почти полного устранения циклических нагрузок можно достичь повышением точности изготовления деталей и их опор. Примером может служить устранение статического и динамического дисбаланса быстровращающихся роторов, вызывающего переменные нагрузки в опорах и корпусах. Повыше-

104

ние точности изготовления зубьев колес (уменьшение погрешностей шага и толщины зуба, искажений, профиля и т. п.) устраняет циклические нагрузки, порождаемые этими погрешностями.

В случаях, когда не удается ликвидировать циклические нагрузки или снизить циклические напряжения, следует прибегать к специальным способам повышения сопротивления усталости.

Эти способы можно разделить на технологические и конструктивные. В первом случае упрочнения достигают специальными приемами обработки, во-втором – приданием деталям форм, благоприятных для циклической прочности.

5.3. Конструирование циклически нагруженных деталей

Если устранить концентраторы напряжений полностью невозможно, то следует заменять сильные концентраторы умеренно действующими. Например, резьбовые отверстия, принадлежащие к числу наиболее сильных концентраторов, целесообразно заменять гладкими отверстиями, отрицательный эффект которых меньше и может быть ослаблен рядом мер.

Концентраторы следует удалять из наиболее напряженных участков детали и переносить, если это допускает конструкция, в зоны наименьших напряжений. С целью уменьшения номинальных напряжений целесообразно увеличивать сечения детали на участках расположения концентраторов.

Примеры устранения и снижения концентрации напряжений приведены в табл. 5.2.

105

106

107

108

109