Предел выносливости детали

Предел выносливости детали в общем виде = k₁ k₂ k₃ k₄ k₅ k₆ k₇ k₈ ,

где — предел выносливости гладкого полированного образца из данного материала при данном виде упрочняющей обработки; k₁ — коэффициент качества обработки; k ₂ - коэффициент коррозионного воздействия; k ₃ — коэффициент, учитывающий повреждение поверхности при эксплуатации в результате износа; k ₄ — коэффициент, учитывающий частотность циклов; k ₅ — коэффициент, учитывающий степень ударности нагрузки; k ₆ — коэф­фициент, учитывающий температурный режим работы детали; k ₇ — коэф­фициент, учитывающий неоднородность материала и рассеивание характеристик прочности; k ₈ — коэффициент спектра нагрузки; ε - размерный коэффициент; — эффективный коэффициент концентрации напряжений на участке максимального ослабления.

Коэффициенты k₁, ε и можно определить по имеющимся экспери­ментальным данным, k₈— по данным испытаний при заданном спектре. Влияние коэффициентов k₄ — k₆ в обычных условиях незначительно. Остальные неопределенности учитывают коэффициентом запаса, который обычно принимают равным 1,3 — 1,8.

Более достоверным является путь натурного испытания детали на режиме, возможно полно воспроизводящем рабочие режимы и спектр нагружения. При этом непосредственно учитываются конструктивные осо­бенности детали. В коэффициент запаса вкладывают только факторы рассеивания характеристик материала, изменения его свойств при эксплуа­тации, а также отклонения действительных режимов нагружения от испытательного режима.

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.

Конструктор должен знать и уверенно применять зарекомендовавшие себя на практике технологические и конструктивные способы повышения циклической прочности.

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 максимальной величины циклических напряже­ний и их амплитуды, а также смягчения ударности 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-кривошипных механизмах, снижает пики нагрузок благодаря амортизирующему действию масляною 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 затяжке достаточно большой величины удается практически полностью устранить циклическую составляющую и сделать нагрузку статической.

Циклические нагрузки, возникающие в валах, можно в некоторых случаях (неведущие ходовые колеса, холостые шестерни) устранить уста­новкой вращающихся деталей на осях.

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

Все меры, способствующие уменьшению номинального напряжения, увеличивают циклическую прочность. К этим мерам относятся рациональ­ная расстановка опор, устранение невыгодных случаев нагружения, увели­чение сечений детали на участках действия циклических напряжений, уве­личение площади соприкосновения поверхностей (при циклических контакт­ных напряжениях).

Правила рационального конструирования, применяемые для статически нагруженных конструкций, не только сохраняют силу, но и приобретают особое значение для циклически нагруженных конструкций.

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

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.