CC BY
22
Оригинальная статья / Original article УДК: 621.778
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-11-36-42
УСТАНОВКА ДЛЯ ИНТЕНСИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИССЛЕДУЕМОГО МАТЕРИАЛА
© В.К. Еремеев1, Л.Б. Цвик2, В.Н. Железняк3, А.В. Кулешов4
1Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 23Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского,15. 4ООО «ИЗТМ-Инжиниринг»,
664007, Россия, г. Иркутск, ул. Октябрьской Революции, 1.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. В процессе конструирования машин с интенсивной циклической нагрузкой в несущих узлах и с заданным ресурсом работоспособности возникает вопрос определения реального значения предела усталости материала, из которого изготовлены основные силовые детали. Авторами поставлена задача интенсивного определения усталостных характеристик исследуемого материала без доведения его при циклических нагрузках до разрушения в напряженном состоянии, соответствующем эксплуатационной ситуации. МЕТОДЫ. Для ускорения и удешевления процесса построения кривой конструкционной усталости материала детали испытания проводились при повышенном уровне нагружения исследуемого образца по сравнению с нормативными эксплуатационными нагрузками. РЕЗУЛЬТАТЫ. Показано, что построение конструкционной кривой усталости можно вести на основе знания двух экспериментальных точек этой кривой и исходной кривой усталости материала. При этом вид напряженного состояния в возможном очаге разрушения испытываемой детали влияет на ресурс располагаемой пластичности материала, но не на физический механизм ее разрушения. В соответствии с этим влияние схемы напряженного состояния детали, определяемой ее формой и характером нагружения, на вид конструкционной кривой усталости должно быть однотипным при различных уровнях нагружения детали эксплуатационной нагрузкой. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Предложен проект оригинальной установки для проведения испытаний при повышенном уровне нагружения исследуемого образца материала детали по сравнению с нормативными эксплуатационными нагрузками.
Ключевые слова: кривая усталости, напряженное состояние, разрушение, нагружение, образец, установка, деталь.
Формат цитирования: Еремеев В.К., Цвик Л.Б., Железняк В.Н., Кулешов А.В. Установка для интенсивного определения усталостных характеристик исследуемого материала // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 11. С. 36-42. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-11-36-42
INSTALLATION FOR INTENSIVE DETERMINATION OF TEST MATERIAL FATIGUE CHARACTERISTICS V.K. Eremeev, L.B. Tsvik, V.N. Zheleznyak, A.V. Kuleshov
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia. Irkutsk State Transport University, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia.
1
Еремеев Валерий Константинович, кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, e-mail: [email protected]
Eremeev Valeriy, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Design and Standardization in Mechanical Engineering, e-mail: [email protected]
2Цвик Лев Беркович, доктор технических наук, профессор кафедры вагонов и вагонного хозяйства, e-mail: [email protected]
Tsvik Lev, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Rail Cars and Wagon Economy, e-mail: [email protected]
3Железняк Василий Никитович, кандидат технических наук, заведующий кафедрой вагонов и вагонного хозяйства, e-mail: [email protected]
Zheleznyak Vasiliy, Candidate of technical sciences, Head of the Department of Rail Cars and Wagon Economy, e-mail: [email protected]
4Кулешов Алексей Владимирович, ведущий конструктор, e-mail: [email protected] Kuleshov Aleksei, Leading Designer, e-mail: [email protected]
"IZTM Engineering" LLC,
1 Oktyabrskoi Revolyutsii St., Irkutsk, 664007, Russia.
ABSTRACT. PURPOSE. When designing machines with intense cyclic load in bearing assemblies and specified resource of operating capability it is important to determine the real value of the fatigue limit of the material the main power parts are made of. The authors set the task of intensive determination of the fatigue characteristics of the material under investigation without its breakdown in the stress condition corresponding to the operational situation under cyclic loading. METHODS. To speed up the construction of the curve of part material structural fatigue and reduce its cost the tests were conducted at an elevated level of loading of the test sample as compared to the design operational loads. RESULTS. It is shown that the structural fatigue curve can be built on the basis of two known experimental points of this curve and the reference material fatigue curve. In this case, the stress pattern in the possible site of test part breakdown affects rather the resource of available material plasticity than the physical mechanism of its destruction. Accordingly, the effect of the part stress state pattern (determined by its shape and the nature of loading) on the type of structural fatigue curve should be of the same type under different levels of part loading with operational loads. CONCLUSION. An installation layout design is proposed for testing a sample of the part material at the elevated level of loading as compared to the design operational loads.
Keywords: fatigue curve, stress state, breakdown, loading, sample, installation, part
For citation: Eremeev V.K., Tsvik L.B., Zheleznyak V.N., Kuleshov A.V. Installation for intensive determination of test material fatigue characteristics. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016. vol. 20, no. 11, pp. 36-42. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-11-36-42
Введение
В процессе конструирования машин с интенсивной циклической нагрузкой в несущих узлах и заданным ресурсом работоспособности возникает вопрос определения реального значения предела усталости материала, из которого изготовлены основные силовые детали. Далеко не для всех применяемых материалов, особенно современных, можно найти в справочниках необходимые параметры, а известные эмпирические зависимости от предела прочности дают очень широкий разбег в значениях [1]. Для построения кривой усталости
материала детали, с учетом особенностей его напряженно-деформированного состояния (НДС) и соответствующей оценки конструкционной прочности этого материала, необходимо довести его до разрушения в напряженном состоянии, соответствующем эксплуатационной ситуации. [2]. Так как ресурс работы, например, железнодорожного колеса достаточно высокий (до 108 циклов нагружения5 (далее - Нормы), то проведение испытаний - весьма дорогостоящий и длительный процесс.
Рассмотрение гипотезы о подобии кривых усталости
Для ускорения и удешевления процесса построения кривой конструкционной усталости материала детали испытания могут быть проведены при повышенном уровне нагружения исследуемого образца материала детали по сравнению с нормативными эксплуатационными нагрузками. Для оценки ресурса работы материала при действии нормативной эксплуатационной
нагрузки может быть использована гипотеза о подобии усталостной кривой материала детали, полученной в условиях одноосного растяжения стандартных образцов6 (далее - исходная кривая) и искомой кривой его конструкционной усталости, соответствующей реальному виду НДС материала конструкции, прочность которой оценивается (рис. 1).
5
Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). М.: ГосНИИВ, 1996. 319 с. / The norms for calculation and design of rail cars (unpowered cars) for the 1520 mm track gage railways of the Ministry of Railways. Moscow, Gos-NIIV Publ., 1996, 319 p.
6ГОСТ 25.502-79. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость (с изменением № 1). М.: Стандартинформ, 2005 / GOST 25.502-79. Calculations and strength testing in mechanical engineering. Methods of metal mechanical testing. Methods of fatigue testing (with changed no.1). Moscow, Standartinform Publ., 2005.
Гипотеза о подобии кривых усталости может быть сформулирована следующим образом: искомая кривая конструкционной прочности материала может быть получена из исходной, построенной по результатам усталостных испытаний материала колеса в условиях одноосного растяжения, путем ее параллельного переноса. При этом под параллельным переносом понимается параллельное движение всех точек исходной усталостной кривой вдоль оси N или О/, или последовательность таких переносов. Здесь N - число циклов до разрушения материала колеса при заданной амплитуде интенсивности напряжений оа в возможном очаге разрушения колеса (см. рис. 1).
Для построения конструкционной кривой усталости достаточно знания двух экспериментальных точек этой кривой, а также знания исходной кривой усталости материала. При этом процесс переноса может быть осуществлен следующим образом. Сначала исходная кривая перемещается вдоль оси N до того момента, пока одна из экспериментальных точек (далее -
первая экспериментальная точка) не окажется на этой кривой. Полученную таким образом усталостную кривую будем называть промежуточной. Далее промежуточную кривую следует перемещать с помощью параллельного переноса таким образом, чтобы первая экспериментальная точка продолжала принадлежать движущейся кривой и продолжать параллельный перенос до тех пор, пока обе экспериментальные точки не окажутся на этой кривой (см. рис. 1).
Основанием для выдвинутой гипотезы является предположение о том, что вид напряженного состояния в возможном очаге разрушения испытываемой детали влияет на ресурс располагаемой пластичности материала [3], но не влияет существенно на физический механизм ее разрушения. В соответствии с этим влияние схемы напряженного состояния детали, определяемой ее формой и характером нагружения, на вид конструкционной кривой усталости должно быть однотипным при различных уровнях нагружения детали эксплуатационной нагрузкой.
a b c
Рис. 1. Построение конструкционной кривой усталости: а - кривая усталости материала колеса, получаемая в условиях одноосного растяжения стандартного цилиндрического образца; b - точки искомой кривой конструктивной усталости материала колеса, полученные экспериментально при относительно высоком уровне амплитуды напряжений в условиях реального вида его НДС; c - построение искомой кривой конструктивной усталости Fig. 1. Construction of a structural fatigue curve: а - wheel material fatigue curve obtained by uniaxial tension of a standard cylindrical sample; b - points of the sought curve of the wheel material structural fatigue obtained experimentally at a relatively high level of stress amplitude under conditions of the real type of its stress-strain state; c - construction of the sought curve of structural fatigue
Проверка выдвинутой гипотезы представляет значительный практический интерес, так как позволяет существенно сократить и удешевить процесс построения конструкционной кривой усталости материала детали за счет построения указанных выше экспериментальных точек искомой кривой при относительно высоком уровне напряжений оа и, соответственно, при относительно небольшом числе циклов нагру-жения до разрушения материала, например, колеса железнодорожного вагона или другой высоконагруженной детали, в процессе его разрушения циклической нагрузкой.
В качестве математической модели деформирования детали конструкции (деформируемой области), прочность которой необходимо оценить, рассматривалось дифференциальное уравнение теории упругости [4]:
Lu = (Л + ß) grad div u + + ß A u = 0 ,
(1)
решение которого отыскивается при краевых условиях:
(v • T) (u •v)
= F(M), M e Sc
Sua = ° (V ^ T ^ T)
(2)
= 0, М е ^, где L - дифференциальный оператор теории упругости; u - трехмерный искомый вектор перемещений точек внутри рассматриваемой области; Л, ц - параметры, характеризующие механические свойства материала рассматриваемых объектов (параметры Ламе [4]); div, дrаd, А - дифференциальные операторы теории поля: дивергенция, градиент и лапласиан соответственно; T - тензор напряжений; у, т - единичные векторы нормали и касательного направления к поверхности рассматриваемой области детали Э; F(M) -вектор-функция, определяющая распределение заданного поверхностного усилия на
поверхности ; М - точка, принадлежащая поверхности области Э, = 5во. + , где - часть поверхности Э, на которой заданы распределенные силы; - часть поверхности Э, на которой заданы смешанные краевые условия: по нормали к поверхности sua заданы нулевые перемещения, в касательном направлении к этой поверхности заданы нулевые касательные напряжения, что соответствует гладкой опоре.
Решение краевой задачи (1)-(2) может быть осуществлено с помощью метода конечных элементов (МКЭ).
Существенное влияние на прочность высоконагруженных деталей, в том числе в условиях циклического нагружения, имеет вид (схема) напряженного состояния в очаге возможного разрушения согласно Нормам. В тех случаях, когда оценивается прочность элементов конструкции, испытывающих в процессе эксплуатации упруго-пластические или пластические деформации, вместо уравнений (2) необходимо использовать уравнения упруго-платического деформирования. Вид НДС в некоторой точке может быть охарактеризован приведенным в Нормах коэффициентом П, определяемым равенством:
п = о1 + о1 + а1
(3)
Величина П характеризует локальное соотношение среднего нормального и среднего касательного напряжения в некоторой точке исследуемой детали. Наличие высоких значений растягивающих напряжений (величина П при этом положительна) приводит к снижению в соответствующей локальной зоне ресурсов пластичности материала и его прочности в условиях циклического нагружения. Величина П рассматривается как характеристика жесткости НДС: с увеличением значения П напряженное состояние характеризуется как более жесткое. При моделировании прочности реальной конструкции в лабораторных
S
a
условиях в опытном образце материала, испытываемом на прочность в условиях циклического нагружения, необходимо создать в его рабочей зоне тот же вид НДС, что и в очаге возможного разрушения оцениваемой конструкции. Величина П, определяемая формулой (3), рассматривается далее как критерий подобия НДС в возможном очаге разрушения реальной конструкции и НДС в рабочей зоне лабораторного образца для испытаний материала рассматриваемой конструкции.
Рассмотрим в качестве примера напряженно-деформированное состояние цельнокатаного колеса железнодорожного вагона [5]. На рис. 2 в работе [5] представлена дискретная конечно-элементная модель колеса, подвергаемого в процессе эксплуатации действию сжимающей нагрузки, величина которой определяется весом железнодорожного вагона, а также центробежной силы, возникающей в кривом участке пути его движения. Соответствующий вычислительный анализ показал, что максимальный уровень интенсивности напряжений в колесе возникает в его
приободной подгребневой зоне и удовлетворяет соотношению
=150 МПа. (4)
Величина П - характеристика вида НДС, возникающего в указанной зоне максимума и определяемая соотношением (3), оказалась равной, как и следовало ожидать в условиях сжатия материала колеса, отрицательной и определялась равенством
П = -1,1. (5)
Для того чтобы образец материала, из которого изготовлено колесо, усталостная прочность которого оценивается, моделировал усталостные свойства этого материала с максимальной точностью, необходимо выполнение ряда условий. В частности, форму испытываемого образца нужно подбирать так, чтобы в процессе испытания в его рабочей зоне выполнялись условия (4) и (5). Аналогичные требования подобия НДС в очаге возможного разрушения оцениваемой конструкции и соответствующего лабораторного образца должны выполняться и в общем случае при исследовании прочности различных конструкций, работающих в условиях статического или циклического нагружения [6].
Разработка установки для определения усталостных характеристик
исследуемого материала
Для реальной проверки и осуществления необходимых циклических испытаний на кафедре «Конструирование и стандартизация в машиностроении» Иркутского национального исследовательского технического университета и кафедре «Вагоны и вагонное хозяйство» Иркутского государственного университета путей сообщения авторами данной статьи разработан проект специальной установки. На данной установке может быть осуществлено испытание конструкционной прочности материала детали в условиях ее эксплуатационного напряженно-деформированного состояния. Общий вид установки показан на рис. 2, ее технические характеристики приведены в таблице.
Принцип работы установки следующий. Вся установка смонтирована на раме 1. Испытываемый образец 3 из исследуемого материала детали закладывается в подвижный опорный стакан 2. Затем стакан с образцом перемещается в рабочую зону под боёк 4. Боёк шарнирно смонтирован на качающемся коромысле 5 с соотношением плеч 1/5. Качательное движение коромысла осуществляется кулачковым валом 6, смонтированным в подшипниках качения, через упруго-втулочную муфту от мотор-редуктора 7. Ось коромысла также установлена в подшипниках качения. Силовое давление на боёк выполняет рабочая пружина 8. Расчетное усилие пружины регулируется с помощью винтового механизма 9.
Рис. 2. Установка для циклического нагружения испытываемых деталей: 1 - несущая рама; 2 - опорный стакан; 3 - испытываемый образец материала детали; 4 - ударный боёк; 5 - коромысло; 6 - кулачковый вал; 7 - электромеханический привод; 8 - рабочая пружина; 9 - устройство регулировки силы пружины Fig. 2. Installation for the cyclic loading of test parts: 1 - load-bearing frame; 2 - bearing cylinder; 3 - tested sample of the material of a part; 4 - striker; 5 - rocker arm; 6 - cam shaft; 7 - electromechanical drive; 8 - load spring; 9 - spring force adjustment device
Технические характеристики установки _Installation specifications_
Параметр / Parameter Значение / Value
Рабочая сила на бойке / Working force on a striker 100 000Н (max)
Ход бойка, мм / Striker travel, mm 1, 2, 3
Частота колебаний бойка, Гц/мин / Striker oscillation frequency, Hz/min 47,5
Привод / Drive Мотор-редуктор МЧ-100-31.5 / Rreduction gearmotor МЧ-100-31.5
Мощность электродвигателя, кВт / Electric motor power, kW 3
Энергоноситель / Energy carrier Ток электрический 380 В частотой 50 Гц / Electric current 380 V with frequency 50Hz
Рабочее давление на боёк и соответственно на испытываемый образец выполняет пружина с заданной силой. Кулачковый вал размыкает контакт между бойком и образцом за счет дополнительного под-жатия пружины. На кулачковом валу установлены три кулачка с различным дезакси-алом, которые позволяют при их перестановке осуществлять прогиб испытываемого образца соответственно на 1, 2 и 3 мм.
Профиль кулачков выполнен из условия получения минимально «мягкого удара» при прохождении мертвой точки.
Требуемое количество циклов нагружения задается оператором из условия заданного ресурса работоспособности детали и достаточного для получения количества точек для построения диаграммы по рис. 1.
Заключение
В настоящее время установка находится в стадии изготовления и в 2016/2017 учебном году будет смонтирована в лаборатории кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» Иркутского государственного университета путей сообщения. Кроме иссле-
довательской работы появится возможность проводить дополнительную лабораторную работу для студентов, изучающих курсы «Конструирование нестандартного технологического оборудования» и «Детали машин и основы конструирования».
Библиографический список
1. Орлов П.И. Основы конструирования: в 2 кн. М.: Машиностроение, 1988. Кн. 2. 544 с.
2. Пат. № 2436061. Российская Федерация. Стенд испытаний колесных пар и их элементов / В.К. Еремеев, Л.Б. Цвик, А.В. Кулешов, Д.В. Запольский; заявл. 15.07.2010; опубл. 10.12.2011. Бюл. № 34.
3. Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. Справочник. М.: Машиностроение, 1985. 224 с.
4. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости / пер. с англ. М.: Наука, 1975. 576 с.
5. Цвик Л.Б., Запольский Д.В., Зеньков Е.В., Еремеев
B.К. Сравнительный анализ деформирования дисковой части цельнокатаных железнодорожных колес различного конструктивного оформления // Вестник ВНИИЖТ. 2013. № 5. С. 29-36.
6. Цвик Л.Б. Зеньков Е.В. Определение прочностных характеристик материалов экспериментальных призматических образцов при двухосном растяжении // Вестник машиностроения. 2015. № 1.
C. 42-46.
References
1. Orlov P.I. Osnovy konstruirovaniya [Basics of designing]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1988, 544 p. (In Russian)
2. Eremeev V.K., Tsvik L.B., Kuleshov A.V., Zapol'skii D. V. Stend ispytanii kolesnykh par i ikh elementov [Test bench of wheelsets and their components]. Patent RF, no. 2436061, 2011.
3. Kogaev V.P., Makhutov N.A., Gusenkov A.P. Raschety detalei mashin i konstruktsii na prochnost' i dolgovechnost' [Calculations of machine parts and structures for strength and durability]. Moscow, Mashi-nostroenie Publ., 1985, 224 p. (In Russian)
4. Timoshenko S.P., Gud'er Dzh. Teoriya uprugosti [The theory of elasticity]. Moscow, Nauka Publ., 1975, 576 p.
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 16.09.2016 г.
5. Tsvik L.B., Zapol'skii D.V., Zen'kov E.V., Eremeev V.K. Sravnitel'nyi analiz deformirovaniya dis-kovoi chasti tsel'nokatanykh zheleznodorozhnykh koles razlichnogo konstruktivnogo oformleniya [Comparative analysis of disk part deformations of various design solid wheels]. Vestnik VNIIZhT [Vestnik of the Railway Research Institute]. 2013, no. 5, pp. 29-36. (In Russian)
6. Tsvik L.B. Zen'kov E.V. Opredelenie prochnostnykh kharakteristik materialov eksperimental'nykh priz-maticheskikh obraztsov pri dvukhosnom rastyazhenii [Determination of strength characteristics of experimental prismatic sample materials under biaxial tension]. Vestnik mashinostroeniya [Bulletin of Mechanical Engineering]. 2015, no. 1, pp. 42-46. (In Russian)
Authorship criteria
The authors declare equal participation in obtaining and formalizing the scientific results and are equally responsible for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received on 16 September 2016
