CC BY
173
Том ХЫ
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 2010
№ 6
УДК 629.735.33.015.4.023
ВЛИЯНИЕ КОНТАКТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ СОЕДИНЯЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Г. Г. ЗАВЕРЮХА
Приведен анализ роли контактных касательных напряжений в условиях фреттинг-уста-лости соединений. На основании изучения закономерностей сопротивления усталости соединяемых элементов в условиях фреттинга предложена методика оценки долговечности подвижных соединений типа «проушина — вилка» с использованием усталостных характеристик стандартных образцов с центральным отверстием. Рассмотрены перспективы ее применения для оценки долговечности неподвижных соединений (заклепочных и болтовых).
Ключевые слова: фреттинг, фреттинг-усталость, амплитуда проскальзывания, защемляющее давление, граница проскальзывания и непроскальзывания.
Со времен Велера, установившего понятие предела выносливости (1852 г.), известно несоответствие изменения предела выносливости изменению теоретической (геометрической) концентрации напряжений в элементах конструкций. Позже возник термин эффективной концентрации напряжений, соответствующей изменению предела выносливости конструктивного элемента. За период существования усталости как направления, решающего практические задачи обеспечения ресурса и безопасности эксплуатации конструкций, проведено множество исследований по установлению и определению зависимости между теоретическим и эффективным коэффициентами концентрации напряжений в элементах конструкций. В настоящее время известен ряд факторов, влияющий на их отношение, однако однозначной зависимости между К( и Кэф = Кст
не существует.
И не случайно для получения основных исходных характеристик усталости конструкционных материалов выбран образец в виде полосы с концентратором, составляющим центральное
отверстие, а не гладкий. Во-первых, это связано с тем, что отверстие является типовым концен-
тратором, наиболее часто встречающимся в конструкциях; во-вторых, при определении долговечности элементов конструкций с другими (близкими по величине К{ для полосы с отверстием) концентраторами вероятность совершить грубую ошибку значительно меньше, чем если использовать в качестве исходных характеристик сопротивления усталости гладкие образцы, очень чувствительные к технологии их изготовления.
Вторым типом образцов, применяемых для оценки характеристик сопротивления усталости конструкционных материалов, является проушина. В проушине реализуются, кроме влияния на долговечность геометрической концентрации напряжений основной нагрузки, фреттинг-усталостные повреждения, возникающие в зоне контакта соединяемых и соединяющих элементов (болтов, заклепок, штифтов, шлицов, шпонок и т. д.) при переменном нагружении.
Элементы фреттинг-усталостного повреждения существуют во всех (даже в сварных) соединениях конструкций, нагружаемых пере-
ЗАВЕРЮХА Геннадий Григорьевич
кандидат технических наук, старший научный сотрудник ЦАГИ
менными нагрузками. Существует мнение, что данные о выносливости, полученные на образцах этих типов, в большинстве случаев дают достаточно правильное представление о возможностях сопротивления усталостной повреждаемости материалов.
Результаты усталостных испытаний проушин не сводятся к результатам аналогичных испытаний стандартных образцов, если учитывать только теоретические коэффициенты концентрации напряжений. Экспериментальная долговечность проушин значительно меньше, чем полученная пересчетом по эквивалентным циклическим напряжениям только с учетом коэффициентов концентрации напряжений. При равенстве долговечностей различие расчетных и экспериментальных напряжений проушин может быть выше 30%. Это свидетельствует о наличии существенной фреттинг-усталостной повреждаемости проушин при циклическом нагружении. Разработка приемлемой для оценки долговечности модели расчета с учетом фреттинг-усталостной повреждаемости соединений является одной из самых важных проблем в обеспечении заданного ресурса конструкций.
Анализ влияния контактных напряжений на долговечность соединяемых элементов.
При переменном нагружении соединений между контактирующими поверхностями возникают периодические относительные движения малой амплитуды. Относительные микроперемещения, составляющие тысячные доли миллиметра, обычно называют проскальзыванием. Как известно, это явление именуется фреттингом. Фреттинг сопровождается такими видами повреждений, как: износ поверхностей, коррозия (химическая реакция на поверхностях материалов контактирующих элементов и окружающей среды, электролитическая эрозия), дефектация поверхностей (адгезия, питтинг, каверны), образование усталостных трещин и другие. В зависимости от преобладающего вида повреждения различают три основные разновидности фреттинга: фреттинг-износ, фреттинг-коррозия и фреттинг-усталость. При растяжении полосы с отверстием последнее превращается в эллипс, т. е. уменьшается поперечный размер отверстия и увеличивается продольный. Поверхность заполненного болтом отверстия при растяжении полосы подвергается сжимающим усилиям, защемляющим часть участка этой поверхности контакта. На поверхности контакта возникают дополнительные к напряжениям от геометрической концентрации и действующих усилий контактные касательные напряжения. При переменном нагружении полосы с отверстием через болт можно обнаружить все признаки фреттинг-усталостного повреждения контактирующих поверхностей. На этих поверхностях прослеживаются две зоны: зона проскальзывания с заметными следами трения и наличия порошкообразного материала (по Уотерхаузу [1] эта зона называется шрамом) и гладкая зона притертости шероховатостей — зона непроскальзывания, в которой соединяемые элементы «работают» при совместных деформациях как единый элемент. Усталостные трещины появляются на границе этих зон.
Работая над этим вопросом, Хейвуд [2] и Уотерхауз [1] пришли и к практически единому мнению: основным дополнительным повреждающим фактором в условиях фреттинг-усталости являются контактные касательные напряжения. Хейвуд утверждал: «Здесь нужно говорить о контактной концентрации напряжений. Касательные напряжения в области контакта являются причиной трещин, которые, достигнув некоторой критической величины, продолжают дальше развиваться независимо под действием общих напряжений в детали». Уотерхауз предполагал: «...можно ожидать, что максимальное переменное напряжение сдвига создается на границе между участками проскальзывания и непроскальзывания, где возникают усталостные трещины». С этими утверждением и предположением нельзя не согласиться, но остается без ответа основной вопрос: как оценить эти напряжения и использовать их в расчетах? Проанализируем некоторые результаты исследования долговечности в условиях фреттинг-усталости.
Влияние защемляющего давления (прижатия) соединяемых элементов и амплитуды проскальзывания на долговечность в условиях фреттинг-усталости. Из литературы [1—3] известно, что фреттинг-усталостная повреждаемость зависит не только от основных переменных усилий нагружения контактируемых деталей, но и от защемляющего их давления, т. е. давления прижатия соединяемых элементов и амплитуды относительных микроперемещений при циклическом нагружении. На рис. 1 приведены результаты исследования влияния защемляющего давления на усталостную долговечность образца в условиях фреттинг-усталости [3]. Исследование проводилось на гладких образцах в виде полосы из сплава АК4-1Т1 с прижатыми определенным давлением шайбами из сплава 30ХГСА, симметрично расположенными на противоположных поверхностях образца. Циклическое нагружение проводилось с частотой 40 Гц. Кривая зависимо-
р, МПа 220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
• 1
АК4-1Т1
1 г
\30ХГСА
1
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
ЛГ/ЛГ.
Рис. 1. Влияние защемляющего давления на усталостную прочность образцов в условиях фреттинг-усталости
сти относительной долговечности Ы/Ы* (N — долговечность этих же образцов без накладок) от защемляющего давления р показывает, что долговечность в условиях фреттинг-усталости находится в слабой зависимости от защемляющего давления в диапазоне 30—220 МПа. Качественно данные, представленные на рис. 1, согласуются с результатами исследования, представленными в [1]. По этим результатам усталостная повреждаемость при давлении свыше 60 МПа практически не изменяется или находится в очень слабой зависимости от защемляющего давления. Кроме испытания образцов из сплава АК4-1Т1 с шайбами-накладками из сплава 30ХГСА проводились усталостные испытания этих же образцов с шайбами-накладками из того же материала АК4-1Т1. Испытания показали, что средняя усталостная долговечность образцов практически не зависит от материала шайб. На основании этого можно предположить, что снижающие долговечность образцов касательные контактные напряжения стабильны и не зависят от материала шайб (по крайней мере, если материал шайб не менее прочный), а зависят только от упругопластических свойств материала образца. Независимость повреждаемости образцов от материала накладок при одних и тех же условиях эксперимента дает основание предположить, что коррозия в условиях фреттинг-усталости является несущественным влияющим фактором, по крайней мере, для А1-сплавов.
Исследование влияния амплитуды проскальзывания на долговечность образцов в условиях фреттинг-усталости проводилось многими исследователями [1, 2], в том числе и автором статьи, на образцах из сплава АК4-1Т1 со стальными накладками. Исследования такого рода проводятся, как правило, с применением накладок с опорами на концах, защемляющих часть образца. Для получения необходимой амплитуды проскальзывания варьируют либо высотой этих опор, изменяя их упругую деформацию, либо расстоянием между опорами при фиксированной их высоте. Полученные результаты практически однозначны: усталостная прочность снижается при увеличении амплитуды проскальзывания примерно до 6 мкм, при дальнейшем увеличении амплитуды проскальзывания усталостная долговечность почти не изменяется. Следует заметить, что для алюминиевых сплавов такая амплитуда достигается уже при полосе защемления 2—3 мм. Приведенные результаты имеют большое значение для построения общей модели повреждаемости в условиях контактного взаимодействия.
Некоторые особенности контактного взаимодействия соединяемых элементов. Интересные исследования провели японцы Нишиока и Хиракава и англичане Уотерхауз и Тейлор [1]. Эти исследования пересекаются и дополняют друг друга, поэтому изложение будет общее. Исследования проводились применительно к случаю фреттинга двух плоских поверхностей и цилиндрической поверхности в контакте с плоским образцом, где движение осуществлялось под прямым углом к зоне контакта. Оба случая показали, что усталостные трещины появляются
Рис. 2. Расстояние от центральной оси полосы между зонами проскальзывания и непроскальзывания [1]
на границе полосы проскальзывания и непроскальзывания. Очевидно, в этом месте и возникают наибольшие контактные касательные напряжения. На рис. 2 [1] приведено частотное распределение количества усталостных трещин на поверхности образца в продольном направлении. Ось ординат совпадает с серединой переходной полосы. При контакте цилиндрической поверхности с плоской наибольшее распределение трещин наблюдается по границам этой полосы. Аналогичные результаты получены и при контакте плоских поверхностей, но со значительно большей полосой непроскальзывания. В результате возникновения и роста трещин контактные напряжения в локальной зоне снижаются и процесс фреттинга очень медленно перемещается в пределы зоны непроскальзывания, где в начальный период не было проскальзывания. Границы между участками проскальзывания и непроскальзывания передвигаются теперь внутрь зоны контакта и трещины возникают уже на новом месте. Одна из первоначальных или вновь образовавшихся трещин становится развивающейся под действием уже только основной нагрузки в соединяемых элементах без участия контактных усилий. Если зона непроскальзывания узкая, как в случае контакта плоской поверхности с цилиндрической, то, медленно уменьшаясь из-за влияния мельчайших продуктов разрушения и малости самой зоны контакта, в конце концов проскальзывание может происходить по всей площади контакта. Таким образом, возникшая на границе зон и приведшая к разрушению детали трещина может в конце концов оказаться в поврежденной области (шраме), в зоне проскальзывания. Это обстоятельство приводит многих исследователей, изучающих фрет-тинг-усталость, к неправильной оценке роли контактной концентрации напряжений, предполагая в качестве основных повреждающих факторов второстепенные процессы и явления.
На рис. 3 приведены результаты усталостных испытаний на режимах отнулевого нагружения образцов двух видов. Образцы для испытаний в условиях фреттинг-усталости изготавливались в виде полосы толщиной 3 мм из катаной плиты сплава 1201-Т1 с накладками из сплава 30ХГСА высотой 15 мм и базой защемления 10, 30 и 60 мм. По форме этих образцов с прижатыми с двух сторон накладками были изготовлены фрезерованием сплошные образцы ступенчатого типа с длиной ступеней 10, 30 и 60 мм из того же сплава 1201-Т1. Все сплошные образцы показали более низкую долговечность, чем прототипы с накладками. Это свидетельствует о том, что снижение долговечности от фреттинга для А1-сплавов меньше, чем от концентрации напряжений, связанной с перепадом жесткостей элементов. При максимальных напряжениях 140 МПа долговечность обоих видов образцов с базой защемления и длиной ступени 10 мм совпадает. Ошибочно можно предположить, что повреждаемость от фреттинга в данных условиях отсутствует. Очевидно, более правильной версией является предположение о балансе влияния концентрации напряжения и фреттинг-усталостной повреждаемости. Если локальные напряжения от их концентрации в ступенчатом сплошном образце равны максимальным суммарным напряжениям от фреттинг-усталости, то уравнение баланса повреждаемости имеет вид а + Т = Каа, и тогда
^/а = (Ка-1).
Рис. 3. Зависимость контактных касательных напряжений в условиях фреттинг-усталости и напряжений
от геометрической концентрации
Рис. 4. Схемы защемления образца шайбами с различными (малыми (а) и большими (д) амплитудами относительных микроперемещений и следы их шрамов (зоны проскальзывания и непроскальзывания) на поверхностях образца
Согласно зависимости Ка от К( и геометрическим параметрам сплошного образца [5] коэффициент Ка может находиться в пределах (1.8^2). Экспериментальные среднестатистические контактные напряжения для этого сплава Т = 120 МПа. Если принять Ка = 1.9, тогда "т/а = 1.9 -1 = 0.9. И с учетом данных рис. 3 т/а «120/140 « 0.9. Это заметно и по оценке долговечности других типоразмеров образцов с одинаковой длиной ступенек и накладок: с увеличением длины ступеньки концентрация напряжения в сплошных образцах растет, а в образцах с накладками — не изменяется.
Представляет интерес усталостная повреждаемость соединяемых элементов в условиях полного микропроскальзывания одного из них относительно другого. Для этой цели использовались две схемы защемления части гладкого образца из сплава АК4-1Т1(рис. 4, а, д). По первой схеме в спецприспособлении для установления фиксированного удельного давления прижатия контактирующих элементов-шайб из сплава 30ХГСА (см. рис. 4, а) с двух сторон защемлялась небольшая часть образца. По второй схеме с использованием неподвижного захвата усталостной машины, двух кронштейнов, тех же шайб и того же спецприспособления (см. рис. 4, д) защемлялась значительная часть образца длиной 75 —150 мм. Исследование усталостной повреждаемости об-
разцов из катаной плиты сплава АК4-1Т1 при отнулевом нагружении с стшах = 125 МПа и удельном усилии прижатия р = 125 МПа стандартных шайб по схеме рис. 4, а, д показало, что долговечность до разрушения образцов в условиях фреттинга с двумя зонами (проскальзывания и непроскальзывания), в числе которых и результаты испытаний по второй схеме с защемлением участка образца длиной 75 мм (рис. 4, в, г, е, ж), находится в пределах (0.7 + 0.8) 106 циклов. В условиях полного проскальзывания с защемлением участка образца длиной 150 мм (см. рис. 4, д, з)
долговечность возрастает на порядок и составляет приблизительно 1.3 -107 циклов. Учитывая это, следует заметить, что усталостная повреждаемость, с учетом приведенных выше результатов, в условиях полного проскальзывания не может быть точно предсказуемой, поэтому в расчетах, очевидно, следует использовать повреждаемость в условиях фреттинга с переходной зоной проскальзывания и непроскальзывания.
Модель контактного взаимодействия соединяемых элементов. На основании анализа физического взаимодействия контактирующих элементов в условиях переменного нагружения, изучения особенностей этого взаимодействия и основных повреждающих факторов предлагается схема, или упрощенная модель этого взаимодействия. Для иллюстрации особенностей переменного нагружения контактирующих элементов рассмотрим их в сравнении с аналогичным нагружением стандартного образца-полосы с центральным отверстием. При определенном уровне нагрузки на образце в зоне максимальной концентрации напряжений у отверстия образуется зона пластических деформаций. В связи с пластическим течением материала напряжения у отверстия не достигают уровня теоретических максимальных напряжений, пики напряжений сглаживаются, а при разгрузке образца в зоне пластических деформаций образуются остаточные сжимающие напряжения (рис. 5, а). На рис. 5 показано характерное распределение напряжений
Рис. 5. Особенности нагружения полосы с отверстием и контакти-рующихся соединений
для неупрочняющегося материала. При повышении нагрузки пластическая зона увеличивается, а следовательно, увеличивается зона участка образца с максимальными напряжениями и более высоким уровнем напряжений остальных участков; размах переменных напряжений увеличивается за счет увеличения остаточных напряжений.
При нагружении образца с защемляющими пластинами (рис. 5, б), воспринимающими нагрузку за счет трения контактирующих поверхностей, на участках поверхности образца, контактирующих с крайними участками пластин по его длине, проскальзыванием пластически деформируются только вершины шероховатостей поверхности, где напряжения от основной нагрузки практически отсутствуют. Пластическое деформирование шероховатостей происходит до границы проскальзывания, после которой поверхностные слои пластин нагружаются совместно с поверхностью образца, т. е. осуществляются условия совместности деформаций. На участке проскальзывания за счет трения происходит постепенное нагружение пластины. При увеличении нагрузки происходит смещение границы проскальзывания и непроскальзывания в направлении к центру пластин, и уже максимальные контактные напряжения возникают, в отличие от стандартного образца, на новом месте, так как для «подключения пластин в работу» посредством трения при большей нагрузке требуется большая площадь контакта. Что же происходит с максимальными контактными напряжениями? В связи с одинаковой чистотой поверхности образца, изотропностью механических и физических свойств материала на основании полученных закономерностей эти напряжения при изменении нагрузки остаются постоянными. Максимальные касательные напряжения возникают у впадин шероховатостей, где контактные напряжения, с учетом действующих переменных напряжений в конструктивном элементе, вряд ли превышают предел текучести материала, а пластическое течение локализуется у вершин шероховатостей, частично гася небольшую концентрацию напряжений у впадин. Таким образом, с увеличением нагрузки на образец с отверстием пластическая деформация накапливается в одной зоне, примыкающей к концентратору, у которого всегда начинается усталостное разрушение при превышении локальными циклическими напряжениями предела усталости. В образце с накладками усталостное разрушение может начаться только в переходной зоне проскальзывания и непроскальзы-вания. Таким образом, пластические деформации вершин шероховатостей являются как бы гарантом создания постоянных контактных напряжений на поверхности образца независимо от уровня нагрузки. Вторым фактором, подтверждающим это, могут служить приведенные ранее результаты экспериментальных исследований влияния амплитуды проскальзывания на усталостную долговечность контактируюших элементов, которую можно менять путем изменения нагрузки. На основании исследований при различных циклических нагрузках с проскальзыванием более 6 мкм получаем одинаковую повреждаемость от контактных напряжений. Последнее заключение подтверждается усталостными испытаниями проушин: при снижении амплитуд основной циклической нагрузки доля постоянной повреждаемости от контактных напряжений растет, увеличивая наклон кривой усталости проушин в сравнении с кривой усталости стандартного образца. Таким образом, общая усталостная повреждаемость контактирующего конструктивного элемента будет зависеть от размаха основных циклических напряжений и фактических для данного материала максимальных контактных касательных напряжений. Мы рассмотрели самую простую схему контактного взаимодействия в условиях фреттинг-усталости. Однако, учитывая результаты исследования влияния различных факторов на усталостную повреждаемость в условиях фреттинг-усталости (влияния защемляющего давления, амплитуды проскальзывания, механизма зарождения и развития разрушения и др.), можно эту модель повреждаемости применить на более сложном механизме контактного взаимодействия, например, при циклическом нагружении проушин. Действительно, при нагружении проушин через болт без зазора или с небольшим зазором максимальные напряжения от геометрической концентрации возникают у отверстия на поперечной оси. Эти напряжения постоянны для данного материала проушин, так как амплитуда проскальзывания практически не влияет на повреждаемость. Суммируясь с действующими переменными напряжениями от нагружения пластины проушины через болт с учетом ее геометрической концентрации, эти напряжения и определяют долговечность проушин, но при этом зона разрушения (зарождения трещины) в зависимости от величины основной нагрузки смещается от центральной оси отверстия в сторону его начала или конца. И тогда для неподвижных соединений (заклепочных и болтовых) посадка с оптимальным натягом болтов и заклепок для повышения их долговечности и ресурса является определяющей.
Апробация модели расчета долговечности контактирующих элементов на шарнирных соединениях типа «проушина — вилка». Учитывая, что коэффициент чувствительности к надрезу, осуществляющий связь между теоретическим и эффективным коэффициентами концентраЦии Ч = (Ка- 1)К - 1) для конструктивных элементов из алюминиевых сплавов с изменением радиуса надреза с 3 до 10 мм, близок к единице и изменяется не более, чем на 0.1, можно с достаточной точностью принять, что для таких радиусов надреза Кст пропорционален К(, а следовательно, по изменению Kt можно оценивать изменение Кс.
Для апробации методики расчета долговечности проушин использовались результаты усталостных испытаний образцов с отверстием и проушин, изготовленных из одного и того же полуфабриката сплава, полученные в ЦАГИ Б. Ф. Богдановым, З. Н. Калгановой и другими исследователями. В работе использовались наиболее характерные результаты усталостных испытаний: с проушинами, имеющими различные размеры, а следовательно, разную концентрацию напряжения; различную частоту нагружения для обоих видов образцов. Оценка концентрации напряжения производилась по И. П. Сухареву [4] и сверялась по Р. Е. Петерсону [5] и другим источникам. Если принять, что Кс пропорционален Kt при изменении радиуса надреза, можно получить зависимость пересчета результатов испытания всех проушин к единой кривой усталости, например, стандартного образца с отверстием по выражению
аном Kt
прив
2.6
где стном — номинальные напряжения в проушине; К{ — теоретический коэффициент концентрации напряжений у отверстия проушины, нагруженной через болт; Т — максимальные контактные напряжения. Черта над т означает, что напряжение статистическое, полученное методом последовательного приближения (итераций) с использованием существующих результатов испытания проушин и стандартного образца с отверстием. На рис. 6 и 7 представлены результаты усталостных испытаний образцов с отверстием и образцов проушин пяти типоразмеров (см. рис. 6), с различной концентрацией напряжений, с частотой 40 и 0.17 Гц, изготовленных из прессованной панели сплава В95Т1, вырезанных в поперечном и продольном направлении прокатки при прессовании. Каждая экспериментальная точка испытания проушин пересчитана по приведенным напряжениям к единой кривой стандартного образца. Как видно из рисунков, расчетные точки рас-
Рис. 6. Приведенные к эквивалентным по повреждаемости номинальные напряжения различных (5 видов) проушин к номинальным напряжениям стандартного образца с центральным отверстием (панели сплава В95Т1, вырезка в поперечном направлении)
£
мл»
300
В95Т1 прессованная панель. вдоль, Я=0
□*\
/ Л -О
•"1 г • — 40 Гц + -0.17 Гц
Г' сь4* 1 1 1 74
М/ '"-С Г=0.17Гц Г*40Гц 1 0
1 , —8 о-*- 1_ «О
' * ■4
В|п|о о- К, =3,3(26.17,10) 1*_л17г.і Д- К. =3 25(30.1912)1 ^ І К,.3.3(26.17.10] ).40Г ♦ - К* =3.25(30.19.121/ ■—1 1 1 1 1—
и
г
* 9 10
8 Л/,1
Рис. 7. Приведенные к эквивалентным по повреждаемости номинальные напряжения проушин к номинальным напряжениям стандартного образца с центральным отверстием (панели сплава В95Т1, вырезка в долевом направлении)
Рис. 8. Приведенные к эквивалентным по повреждаемости номинальные напряжения проушин к номинальным напряжениям стандартного образца с центральным отверстием (панели сплава Д16Т)
АК4-1Т1 плита
Р' / 1*=0 III 1
- -V -
/ ^ — 0.17 Гц
чч, /
•
) 'и
-^‘о-
, И^| Я*0
« — 0.17Гц
К,=3.25
МПа
300
250
200
180
160
140
120
100
90
80
70
60
50
І04
105
3-І О5 /V, цикл
Рис. 9. Приведенные к эквивалентным по повреждаемости номинальные напряжения проушин к номинальным напряжениям стандартного образца с центральным отверстием (плиты сплава АК4-1Т1)
полагаются на или вблизи кривых усталости для образца с отверстием. Небольшие отклонения результатов некоторых образцов можно отнести к издержкам технологии изготовления проушин или самого эксперимента, так как другие результаты хорошо апробируются. Для этого сплава Т = 130 МПа в обоих направлениях вырезки. Результаты расчета удовлетворительно согласуются с экспериментом для обеих частот нагружения, а максимальные контактные напряжения такие же. На рис. 8 и 9 приведены результаты усталостных испытаний стандартных образцов и проушин, изготовленных из прессованной панели Д16Т и плиты АК4-1Т1. Для обоих сплавов результаты расчета также удовлетворительно согласуются с экспериментом, а максимальные контактные напряжения совпадают (Т = 100 МПа).
Следует отметить, что по разности наклона кривых усталости полосы с отверстием и проушины можно судить о величине контактных напряжений от фреттинга. Для плакированных листов из сплавов В95Т2 и АК4-1Т1 кривые усталости проушины и полосы с отверстием практически параллельны. Очевидно, Т в этом случае близки к нулю.
Для поковок из стали 30ХГСНА различие наклонов кривых усталости проушин и полосы с отверстием зависит от термообработки, т. е. от закалки полуфабрикатов заготовок. Так, при прочности заготовок аь = 1200 МПа усталостная повреждаемость проушин (К{ = 3.25) и образцов с отверстием (( = 2.6) равна при номинальных напряжениях примерно 200 МПа, а при прочности заготовок оь = 1800 МПа кривые усталости проушин и полосы с отверстием практически параллельны, и при такой же повреждаемости проушин повреждаемость образцов значительно меньше.
Следует заметить, что в данном состоянии модель контактного взаимодействия не учитывает технологических остаточных напряжений в отверстиях, а только предполагается, что эти напряжения в отверстиях образцов примерно такие же, как и в отверстиях проушин.
Дальнейшее совершенствование расчетной модели с учетом других факторов, в том числе и остаточных напряжений, очевидно, расширит возможности ее применения.
Заключение. 1. На основании закономерностей повреждаемости конструктивных элементов в условиях фреттинг-усталости разработана модель контактного взаимодействия соединяемых элементов и методика оценки долговечности подвижных соединений по усталостным характеристикам стандартных образцов.
2. Методика оценки долговечности не чувствительна к изменению частоты нагружения стандартных образцов и проушин.
3. Величина максимальных контактных (касательных) напряжений т практически не зависит от направления прокатки материала заготовок соединяющих элементов.
4. Методика определения долговечности подвижных соединений с использованием модели контактного взаимодействия удовлетворительно согласуется с экспериментом. Учитывая, что ос-редненные статистические значения максимальных контактных напряжений определялись по результатам усталостных испытаний, проведенных в течение большого промежутка времени (не менее 30 лет), а также возможные издержки свойств материалов, приближенно для всех А1-сплавов можно принять Т «120 МПа.
Полученные результаты дают возможность разработки качественно новой модели и методики оценки усталостной долговечности неподвижных болтовых и заклепочных соединений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Уотер хауз Р. Б. Фреттинг-коррозия / Пер. с англ. под ред. Г. Н. Филимонова. —
Л.: Машиностроение, 1976.
2. Хейвуд Р. Б. Проектирование с учетом усталости / Пер. с англ. под ред.
И. Ф. Образцова. — М.: Машиностроение, 1969.
3. Заверюха Г. Г. Исследование выносливости конструктивных элементов при сложном периодическом процессе нагружения / Диссертация на соискание ученой степени к. т. н. — ЦАГИ, 1979.
4. Сухарев И. П. Прочность шарнирных узлов машин. — М.: Машиностроение, 1977.
5. Петерсон Р. Е. Коэффициенты концентрации напряжений / Пер. с англ. — М.:
Мир, 1977.
Рукопись поступила 6/112009 г.
