10.3. Факторы, влияющие на сопротивление усталости

Пределы выносливости натурных деталей обычно в 2 - 6 раз меньше, чем лабораторных образцов. Отношение их при симметричном цикле нагружения оценивается коэффициентом понижения предела выносливости

k_ = _-1/_-1д.

Факторами, влияющими на снижение усталостного сопротивления детали являются следующие:

1) неоднородность материала;

2) внутренние напряжения;

3) качество поверхности;

4. абсолютные размеры поперечных сечений (масштабный фактор);

5. концентрация напряжений;

С учетом этого значение коэффициента понижения предела выносливости для деталей и узлов несущих элементов подвижного состава рекомендуется определять с помощью следующего выражения [2]

,

где:

• k₁- коэффициент, учитывающий влияние неоднородности материала детали (для проката, поковки и штамповки k₁=1,1; для литья k₁=1,2-1,3);

• k₂- коэффициент, учитывающий влияние внутренних напряжений в детали (при поперечных размерах детали до 250мм k₂=1,0; при размерах от 250 мм до 1000 мм k₂=1,0-1,2);

• m - коэффициент, учитывающий состояние поверхности детали (для полированной поверхности m=1,0; для чистовой станочной обработки m=0,9; для грубой обработки на станке m=0,85-0,8; для поверхности с окалиной m=0,8-0,65; для стального литья после пескоструйной обработки m=0,8-0,75);

• γ - коэффициент, учитывающий влияние размера детали определяется в соответствии с графиком рис.10.5

.

Рис.10.5. Коэффициент масштабного эффекта

Концентрация напряжений обусловлена резким изменением очертаний детали. Эффективным коэффициентом концентрации _k называют отношение предела выносливости образца без концентратора напряжений к пределу выносливости образца с концентратором

_k = _-1/_-1k.

Значения эффективного коэффициента концентрации принимаются по справочным данным в зависимости от конкретных геометрических форм концентратора напряжений и могут колебаться в пределах 1,0 ... 3,0 для большинства узлов сварных соединений подвижного состава железных дорог [2].

Если при проведении расчетов известен теоретический коэффициент концентрации напряжений _ , то приближенно эффективный коэффициент концентрации напряжений можно определить по формуле

_k =1+q (_-1),

где q - коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений. Для высокопрочных легированных сталей принимают q=1, для конструкционных сталей типа Ст3 q=0,7.

10.4. Условия прочности

Для расчета амплитуд напряжений в деталях в случае асимметричного цикла нагружения можно пользоваться следующей формулой

_{а д} = (_-1 - _^._mд)/ k_{ .}

Эта зависимость на рис 10.4б показана штрих-пунктирной линией.

Если допустить, что переменная и постоянная составляющие цикла нагружения меняются пропорционально, то точки, характеризующие такой режим, располагаются на диаграмме предельных амплитуд вдоль одной прямой. На рис.10.3б такой прямой может быть отрезок ОС. Заметим, что точка С имеет координаты (_mд, _ад). Фактическим напряжениям детали _m, _а на рис.10.4б может, например, соответствовать точка А. Если ввести коэффициент запаса сопротивления усталости как отношение предельных напряжений к фактическим, то с учетом принятого допущения можно записать следующие выражения

n = _aд /_a;

n = _mд /_m.

Если подставить эти выражения в приведенную выше формулу для _{а д}, то получим выражение для определения коэффициента запаса сопротивления усталости в виде

.

Допустимые значения коэффициента запаса сопротивления усталости для деталей подвижного состава принимаются в пределах 1,3 ... 2,0 в зависимости от вида детали и условий ее работы [2].

Аналогичная зависимость используются для деталей работающих при переменных касательных напряжениях

.

При совместном действии нормальных и касательных напряжений запас прочности можно определять по формуле

.