Оцінка тріщинотривкості найбільш навантажених деталей вузлів підвісних конвеєрів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти України

Тернопільський державний технічний університет

ім. Івана Пулюя

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Оцінка тріщинотривкості найбільш навантажених деталей вузлів підвісних конвеєрів

Щадило Ярослав Стефанович

Тернопіль - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент

Когут Микола Степанович,

Державний університет "Львівська політехніка",

доцент кафедри "Технологія машинобудування"

Офіційні опоненти: доктор технічних наук,

Каплуненко Володимир Георгійович,

Інститут проблем міцності

Національної Академії наук України,

провідний науковий співробітник

відділу механіки руйнування

великогабаритних конструкцій

кандидат технічних наук, доцент Подкользін В'ячеслав Юрієвич,

Tернопільський державний технічний

університет імені Івана Пулюя, доцент кафедри матеріалознавства

Провідна установа: Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка,

НАН України, м. Львів

Захист відбудеться " 25 " березня 1999 р. о 15-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К58.052.01, Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, 282001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56. З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 282001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

Автореферат розісланий " 24 " лютого 1999р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук Петрик М.Р.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Підвісні конвеєри належать до категорії спеціальних надземних транспортних машин безперервної дії, які застосовуються у різних галузях промисловості, зокрема, у багатосерійному та масовому типах виробництв: машинобудуванні, автомобілебудуванні, верстатобудуванні, гірничій та хімічній промисловості, в механоскладальних і металооброблюваних цехах, тощо.

Серед багатьох різновидів машин безперервного транспортування вантажів найширшого застосування набули підвісні вантажотримкі конвеєри загального призначення з розбірними ланцюгами типів ВТ-80, ВТ-100 і ВТ-160. Згідно з ГОСТ 5946-79 вони належать до транспортних машин, які призначені для транспортування поштучних вантажів малих і середніх габаритів на просторовій трасі в горизонтальному, вертикальному і похилому напрямках.

Підвісні конвеєри названих типів здебільшого використовуються для механізації та автоматизації вантажопотоків на навантажувальних і розвантажувальних операціях. Разом з тим практика експлуатації засвідчує передчасний вихід з ладу окремих вузлів та найбільш відповідальних елементів і деталей цих конструкцій, обумовлені присутністю і поширенням в них різних тріщиноподібних дефектів, які виникають під час їх зношування або експлуатації. Це вимагає значних коштів на ремонтно-реставраційні роботи.

Існуючі методики оцінки утримувальної здатності і прогнозування ресурсу деталей конвеєрів розглядають матеріал як бездефектний і тому дають завищену оцінку цих характеристик. У зв'язку з цим особливої актуальності набувають дослідження утримувальної здатності найбільш навантажених деталей та елементів конвеєрів за критеріями механіки руйнування з урахуванням виду навантаження, напружено-деформованого стану, структурних особливостей матеріалу та експлуатаційних чинників. А тому, для визначення надійності та довговічності таких деталей вузлів та елементів і конструкцій необхідно враховувати здатність матеріалу чинити опір поширенню в ньому тріщини, а це, в свою чергу вимагає розробки ефективних методів оцінки тріщинотривкості конструкційних матеріалів і їх зварних з'єднань.

Важливість вивчення процесів зародження та поширення тріщин вимагає нових підходів щодо розробки ефективних методів оцінки міцності конструкційних матеріалів і їх зварних з'єднань з використанням параметрів механіки руйнування, тобто характеристик тріщинотривкості К_C або К_1C, здатних оцінити опір матеріалу поширенню в ньому тріщини.

В цьому плані слід відзначити праці в галузі теоретичних досліджень

визначних вчених О. Є. Андрейківа, У. Брауна, А. А. Гріффітса, Д.Р.Ірвіна, А. О. Лєбєдєва, М. Я. Лєонова, Г. Лібовіца, М.О. Махутова, Є. М. Морозова, В. В. Панасюка, Г. С. Писаренка, Ю. М. Работнова, М. П. Саврука, Г.П Черепанова, а також праці відомих дослідників Г. С. Васильченка, В. О. Винокурова, М. Гензамера, В. С. Іванової, В. Г. Каплуненка, Б. С. Касаткіна, С. Є. Ковчика, М. С. Когута, Г. М. Никифорчина, В. А. Осадчука, О. М. Романіва, С. В. Серенсена, Дж. Сроулі, К. Тернера, Я. Б. Фрідмана, К. Хеккеля, С. Я. Яреми, П. В. Яснія та інших.

Не дивлячись на успіхи механіки руйнування, існуючі методи не завжди задовольняють різноманітним потребам інженерної практики. Мало робіт, присвячених визначенню характеристик тріщинотривкості К_1C(К_C) квазікрихких і в'язких матеріалів, а також міцності зварних з'єднань, особливо у пришовній області. Практично відсутні дані щодо розроблення чіткої методології реалізації досліджень стосовно до визначення цих характеристик тріщинотривкості для конкретно вибраних натурних деталей, чи великогабаритних зразків. Недостатньо розроблена технологія виготовлення дослідних зразків і техніка проведення лабораторних експериментів з використанням необхідної для їх реалізації силової та контрольно-вимірювальної техніки.

Як випливає із загальної характеристики наукової проблеми ряд питань вимагає більш детального синтезу, аналізу і певного доповнення. У зв'язку з цим, на основі запропонованих в роботі підходів і методів деякі питання з цієї проблеми отримали своє вирішення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає пріоритетним напрямкам розвитку науки і техніки затвердженими Постановою ВР України № 2705 від 16.10.92р. і Наказом Міносвіти України № 330 від 04.12.95р., та основним напрямкам наукових досліджень Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя, зокрема, "Механіка руйнування матеріалів та елементів конструкцій при низьких і високих температурах з врахуванням впливу експлуатаційно-технологічних чинників".

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розробка методології оцінки тріщинотривкості конструкційних матеріалів і зварних з'єднань найбільш навантажених деталей конвеєрів з врахуванням впливу конструктивно-технологічних і експлуатаційних чинників для підвищення їх довговічності.

Поставлена мета досягається шляхом розв'язання таких завдань:

1. Формулювання основних принципів методології щодо визначення характеристик втомної міцності та статичної тріщинотривкості конструкційних матеріалів.

2. Підбір і обгрунтування базових схем навантажування і типів дослідних зразків з тріщинами для вивчення втомної міцності та статичної тріщинотривкості конструкційних матеріалів та їх зварних з'єднань.

3. Розроблення технології виготовлення зразків з тріщинами та техніки проведення експериментів на лабораторних зразках і натурних деталях конвеєрів за тріщинотривкістю та втомною міцністю.

4. Дослідження впливу ефекту масштабу, експлуатаційних чинників і технологій виготовлення матеріалів і їх зварних з'єднань елементів конструкцій та деталей машин у конвеєробудуванні.

5. Розроблення методик досліджень міцності зварних з'єднань і склеєних композитних з'єднань на базальтопластиковій основі.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у :

-створенні нової методології оцінки утримувальної здатності найбільш навантажених деталей вузлів підвісних конвеєрів та їх зварних з'єднань за критеріями статичної і циклічної тріщинотривкості;

-розробленні технології виготовлення циліндричних і призматичних зразків з тріщинами за силовими схемами кругового та циклічного згину при фіксованому прогині;

-одержанні нових експериментальних даних зі статичної тріщинотривкості конструкційних сталей з урахуванням режимів термічного зміцнення, впливу текстури матеріалу та надання рекомендацій щодо підвищення працездатності відповідальних деталей вузлів конвеєрів;

-вивченні масштабного ефекту та його впливу на процеси крихкого та квазікрихкого руйнування конструкційних матеріалів;

-встановленні кількісних залежностей критичного розміру дефекту від характерних механічних властивостей матеріалу і геометрії тріщини для прогнозування надійності та довговічності деталей підвісних конвеєрів;

-розробленні методики оцінки тріщинотривкості зварних з'єднань і виявленні найбільш небезпечної зони з точки зору опору поширення тріщини, за якою слід визначати тримку здатність цих з'єднань;

-розробленні методики оцінки міцності деяких деталей конвеєрів з використанням армованих композитних матеріалів, яка б дозволила замінити склеюванням операцію зварювання.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробленні методів оцінки міцності та довговічності найбільш навантажених деталей та елементів конструкцій підвісних конвеєрів і тримкої здатності їх зварних з'єднань на підставі використання теоретичних положень граничної рівноваги пружнопластичних твердих тіл з дефектами типу тріщин. Запропоновані методи спрямовані на побудову і вдосконалення загальної теорії міцності конструкційних матеріалів та їх зварних з'єднань в умовах крихкого та квазікрихкого руйнування.

Розроблені методи та одержані основні результати роботи знайшли застосування при вирішенні важливих практичних задач з вдосконалення технології термічного зміцнення пружинної сталі для підвищення надійності пружин у відповідальних елементах конструкцій конвеєрів, проведенні ранжування за тріщинотривкістю однорідних зварних з'єднань, визначенні критичного розміру дефекту для встановлення порогу працездатності найбільш навантажених деталей та вузлів конвеєрів та інше.

Окремі результати роботи, впроваджені у технологічні процеси на Львівському ВАТ "Конвеєр"; які дали значний економічний ефект для інженерної практики.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що в роботах [1,2,3,9] автору належить розроблення методик оцінки тріщинотривкості (К_1C) матеріалів та їх зварних з'єднань, а також проектування конструкцій установок та виготовлення їх основних вузлів для натурних досліджень відповідальних деталей вузлів конвеєрів, проведення експериментів, математична обробка результатів, побудова графічних залежностей, одержання формул для підрахунку критичного розміру дефекту у зразку (деталі). У працях [4-8] розроблено методику оцінки міцності деяких деталей конвеєрів з використанням армованих композитних матеріалів, виконано експерименти.

Апробація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи доповідались на IV-му Всесоюзному симпозіумі "Малоцикловая усталость конструкционных материалов", м. Кишинів, 5-7 травня 1991р; на науково-технічній конференції "Властивості і застосування полімерних композитів у сільгоспмашинобудуванні", м. Дніпропетровськ, 29-30 вересня 1992р.; на II-й міжнародній конференції "Нові технології в машинобудуванні", м. Харків, 18-22 вересня 1993р.; на науково-технічній конференції "Перспективи розвитку промисловості пластмас в Україні", м. Львів, 12-17 вересня 1995р.; на ІІІ-му міжнародному симпозіумі "Некласичні проблеми теорії тонкостінних елементів конструкцій та фізико-хімічної механіки композиційних матеріалів", м. Івано-Франківськ, 15-16 листопада 1995р.; на наукових семінарах кафедри технології машинобудування ДУ "Львівська політехніка", м. Львів, березень 1996р. та вересень 1997р.; на наукових семінарах кафедри технічної механіки Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя, м. Тернопіль, травень-жовтень 1998р.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у 9 наукових працях. міцність тріщинотривкість деталь конвеєр

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, бібліографії із 116 найменувань і викладена на 125 сторінках машинописного тексту, містить 30 рисунків, 14 таблиць.

2. Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність проблеми, наведено важливі положення із праць інших дослідників, дано їх оцінку та коротку характеристику роботи, а також сформульовано найвагоміші результати, які виносяться на захист.

У першому розділі подано літературний огляд досліджень з проблеми діагностування конвеєрів і виходу з ладу найбільш навантажених деталей та вузлів, зокрема: тягового ланцюга, підвісної дороги, вузла каретки з підвісками, привідного та натягувального механізмів і зварних з'єднань транспортної дороги.

У результаті аналізу відмов і частоти повторень поломок вузлів трьох типів підвісних конвеєрів ВТ-80,ВТ-100,ВТ-160 для подальших досліджень було відібрано такі деталі: кронштейн лівий і правий механізму каретки; пальці і ланки ланцюга тягового елемента; зірочки привідні механізму привода; пружини для натягувального пристрою; зірочки і ролики поворотного пристрою; профільний прокат траси на загибах; зварні з'єднання на стиках.

Для перелічених деталей і вузлів підвісних конвеєрів з урахуванням дії на них навантажень з позиції механіки руйнування проаналізовано стан проблеми і результати досліджень конструкційних матеріалів та їх зварних з'єднань в умовах втомних і статичних навантажень, наведено типи лабораторних зразків і схеми їх навантажень, які використовуються з метою досліджень тріщинотривкості, і сформульована мета роботи та завдання для її реалізації.

У другому розділі викладено технологію виго-товлення лабораторних зраз-ків і способи ініціювання в них втомних тріщин з метою подальшого їх використання для визначення опору мате-ріалу поширенню тріщини.

Запропоновані способи ініціювання втомних тріщин базуються на силових схемах чотириточкового кругового згину циліндричного зразка з кільцевим надрізом при фіксованому прогині, а також триточкового згину призматичного зразка з боковим надрізом при циклічному деформуванні.

Згідно зі схемою циліндричний зразок з кільцевим надрізом встановлюють в затискачі випробувальної машини з допомогою пристрою радіального навантаження, прогинають і обертають за круговим згином з жорстко фіксованою стрілою прогину. При цьому фіксують час циклічного деформування зразка, за який на дні його кільцевого надрізу зароджується кільцева тріщина регламентованої глибини. Запропонований спосіб дозволяє вирощувати концентричну кільцеву тріщину, спостерігати за кінетикою її підростання. Записуючи цей процес на стрічці осцилографа, розмежовують періоди зародження та поширення втомної тріщини.

За силовою схемою призматичний зразок з боковим концентратором встановлюють на опори, піддають зосередженому згину по середині з протилежного боку напроти надрізу на установці, шляхом циклічного віднульового деформування з допомогою пристрою, закріпленого в поперечній траверсі установки. При цьому також фіксують час циклічного деформування зразка, за який на дні бокового надрізу зароджується втомна тріщина. Глибину тріщини контролюють катетометром, окуляр якого наводять у вершину дна концентратора. Запропонований спосіб також дозволяє ініціювати втомну тріщину регламентованої глибини та візуально спостерігати за кінетикою її підростання.

Для досліджень зварних з'єднань транспортної дороги, віток розгалужень, поворотів, натягувальних пристроїв запропоновано циліндричні та призматичні зразки з наплавками.

Технологія виготовлення та ініціювання тріщин у цих зразках полягає у використанні матеріалів підвищеної міцності та твердості, в основі яких нарізають канавку (рівчак) певної глибини та ширини. Потім її заплавляють досліджуваним матеріалом, який імітує зварне з'єднання в конструкції, а по середині наплавки нарізають надріз.

За схемами кругового згину циліндричного зразка з кільцевим надрізом у наплавці та триточкового згину призматичного зразка з боковим надрізом у наплавці аналогічно при заданих режимах ініціюють вихідну тріщину та вивчають втомну міцність зварних з'єднань.

За допомогою отриманих ефективних способів ініціювання вихідних тріщин у вказаних типах зразків досліджено режими навантаження для їх ініціювання. Підрахунок руйнівних напружень згину sзг, або коефіцієнта інтенсивності напружень К_1fзг у вершині втомної тріщини проводимо за емпіричними залежностями:

sзг Ј 0,8 s_0,2 , (1)

або К_1fзг Ј 0,67 К_{1с ,} (2)

де s_0,2 -границя текучості для випробувального зразка;

К_1с - характеристика тріщинотривкості досліджуваного матеріалу.

За формулами механіки руйнування для силової схеми осьового розтягу циліндричних зразків з кільцевою тріщиною в основі або в наплавці відповідно можна підрахувати тріщинотривкість (К_1C) конструкційного матеріалу чи матеріалу зварного з'єднання за такими формулами*:

(3)

де F* - руйнівне навантаження для зразка з кільцевою тріщиною; y - поправочна функція, яка залежить від відносного розміру кільцевої тріщини l = d /D, (d - діаметр зразка з тріщиною; D - зовнішній діаметр циліндра ).

Характеристику тріщинотривкості К_1с конструкційних матеріалів та їх зварних з'єднань для силової схеми триточкового згину призматичних зразків з боковою тріщиною в основі та наплавці (рис. 2 а, б) відповідно можна обчислити за формулами*:

К_1С=(3F*LЦ3/2ВЦН³)·f(e); f(e)=1,93-3,07e+14,053e²-25,11e³+25,8e⁴, (4)

де F*- руйнівне навантаження для призматичного зразка з боковою тріщиною; L - загальна довжина зразка; f(e) - поправна функція, яка залежить від відносного розміру бокової тріщини; e = l / H (l - довжина тріщини; Н - висота зразка;) B - товщина зразка.

Отже, на базі розроблених методів ініціювання втомних тріщин у циліндричних і призматичних зразках на підготовчій стадії можна: (в координатах (l - N), де l - довжина тріщини; N - кількість циклів навантажування) вивчати процеси втомного руйнування конструкційних матеріалів та їх зварних з'єднань. Разом з тим, використання теоретичних розв'язків задач граничної рівноваги твердих тіл з дефектами типу тріщин для цих силових схем дозволить достовірно визначити характеристику тріщинотривкості (К_1C) матеріалів з урахуванням різних чинників.

У третьому розділі наведено ряд відомостей щодо поведінки відповідальних деталей вузлів конвеєрів з позиції механіки руйнування.

Важливого значення надано врахуванню реальних умов експлуатації, виду навантаження, вивченню впливів режимів термічного зміцнення, текстури матеріалу, масштабного ефекту тощо.

Для втомних випробувань натурних деталей конвеєрів чи лабораторних зразків, розроблено та виготовлено багатопозиційну установку з необхідним технологічним спорядженням на базі двигуна внутрішнього згоряння вантажного автомобіля ЗІЛ-131 з V-подібним розташуванням восьми циліндрів в блоці, закріпленого на гумових подушках до рами зварної конструкції.

Установка працює після обертання колінчастого вала 3, який приводиться від електродвигуна 1 ( N =7 квт, n = 900 хв^-1) через муфту зчеплення 2. Зверху блоку в місцях отворів, де переміщуються у зворотно-поступовому напрямках поршні 5 з шатунами 4 закріплено стакани 7.

Всередині стаканів розміщені нижні напрямні вставки 6, які за ковзальним пасуванням входять в отвори блоку 12. До верхньої частини стаканів прикріплено кришки 11 з верхніми напрямними вставками 9, переміщення яких регулюють затискними гвинтами 10. Після базування на опорні поверхні нижніх і верхніх вставок випробувальних деталей можна досліджувати їх втомну міцність при циклічному деформуванні. Закріпивши призматичний зразок за схемою триточкового згину з жорстко фіксованим прогином і після його циклічного віднульового деформування, можна вивчати процеси зародження та поширення втомної тріщини .

На установці досліджено втомну міцність гладких циліндричних пружин і циліндричних пружин з гвинтовим надрізом в залежності від режимів термічного зміцнення. У результаті встановлено різну опірність втомному руйнуванню пружинної сталі 60С2А, яка є найнижчою для надрізаних пружин з дрібнозернистою структурою (гартування 1113 К та відпуск 473 К ). Гартування та відпуск 723 К підвищує до 50…60% опір руйнуванню цих пружин без зниження пружних властивостей, що також підтверджено результатами лабораторних випробувань на динамічну тріщинотривкість КCТ після ударних навантажень.

Аналогічні дослідження впливу режимів термічного зміцнення виконано і для інших деталей конвеєрів (штовхача, упора падаючого), виготовлених із сталей 40ХН і 40ХН2МА відповідно. Лише заміна низького відпуску середнім (гартування з 1233 К та відпуск 473 К на середній відпуск 573 К) дозволила підвищити втомну міцність на 35% для сталі 40ХН і до 50% для сталі 40ХН2МА. Підтвердженням цього служать також дані щодо оцінки їх опору руйнуванню за параметром К_1с.

Комплекс досліджень впливу режимів термічного зміцнення для важливих деталей конвеєрів (пальців, кронштейнів, хрестовин), виготовлених із сталей 45, 45Г2, виконано за критерієм статичної тріщинотривкості (К_1с) після випробувань лабораторних циліндричних зразків з кільцевими тріщинами, чого не можна було виявити на підставі даних механічних характеристик міцності (s_в, y, d,) чи ударної в'язкості.

Для листових сталей 35, Ст. 3пс , з яких виготовляють зірки, накладки, кронштейни вантажопідтримувальні та вантажотримкі, рами рухомі та нерухомі, досліджено вплив прокатування тобто текстури цих сталей. Встановлено зміну (КСТ) в залежності від анізотропії цих сталей та низьких температур. Зокрема, більший опір руйнуванню при ударі (КСТ) для цих сталей одержано при перпендикулярному поширенні тріщин до напрямку прокатування, ніж при паралельному. Разом з тим поріг холодноламкості сталей зсувається в бік від'ємних температур у випадку паралельного поширення тріщини до прокатування, ніж для перпендикулярного.

На прикладі статичних випробувань призматичних зразків з боковою тріщиною на триточковий згин і циліндричних зразків з кільцевою тріщиною на осьовий розтяг досліджено вплив масштабного фактору на тріщинотривкість сталі 35 криві 1, 3 та Ст. 3пс криві 2, 4 (див. рис. 4), тобто К_C = f (B, D), де B, D - товщина призматичного та діаметр циліндричного зразків відповідно. Характерні криві показують, що типи та розміри зразків і схеми їх навантажень по різному впливають на К_C = f (B, D) доки не виконуються умови автомодельності зони передруйнування.

Після досягнення певної товщини (В) для призматичного і діаметра (D) для циліндричного зразків існує стабільність значень К_C = К_1C, незалежних від розмірів зразків (див. горизонтальні лінії на рис. 4), які характеризують фактичні значення К_1C для досліджуваних сталей.

Враховуючи важливість визначення характеристики К_1C для інженерної практики, на прикладі сталі 40Х із s_0,2 = 460 МПа і s_в = 815 МПа досліджено зміну тріщинотривкості К_C = f (D, B) тобто розмірів циліндричного та призматичного зразків і зміну руйнівних напружень s* після їх руйнування (див. криві 1, 2, 3 на рис. 5).

Оскільки для Dmin = 25 мм і В min = 40 мм, для яких К_C = К_{1C ,} характеризується стабільним значенням (К_1C = 69,9 МПаЦм ), а руйнівні напруження s* спадають до s_0,2 = 460 МПа, де s_0,2 - границя текучості матеріалу, то зроблено спробу підрахунку критичного розміру дефекту l кр, за яким можна було би прогнозувати працездатність найбільш навантажених деталей конвеєрів згідно з такими співвідношеннями:

l кр=1,62 (К_1C / s_0,2 )², (5)

для схеми осьового навантаження циліндричного зразка з сегментною тріщиною за умови забезпечення автомодельності зони передруйнування для діаметра циліндра:

D5,4 (К_1C/ s_т)², (6)

0,30,6; =l / D,

де l - глибина сегментної тріщини, D - зовнішній діаметр циліндра, а також

l кр=1,5 (К_1C / s_0,2 )², (7)

для схем триточкового згину призматичного зразка з боковою тріщиною при умові забезпечення автомодельності зони передруйнування для товщини зразка:

B 4,85(К_1C/ s_т)² , (8)

0,30,6; = l / H,

де l - глибина бокової тріщини; H - висота зразка.

Обчислені значення К_1C за формулами (3) і (4) для двох типів зразків та l кр за формулами (5) і (7) для різних марок сталей, виготовлених за заводською та запропонованою технологіями, подано у зведеній табл. 1.

Як видно із табл.1 більшому К_1C відповідає більше значення l кр, що засвідчує на користь запропонованих технологій виготовлення цих сталей у порівнянні із заводськими.

Четвертий розділ присвячений експериментальному визначенню (К_1C) зварних з'єднань транспортної дороги на прямолінійних та криволінійних ділянках, в місцях її стику, а також рами натягувального пристрою.

Об'єктом досліджень були зварні з'єднання із сталей 09Г2С, Ст. 3пс, сталі 35. Вирізані із них заготовки зварювали в стик у напівавтоматичному режимі зварювальним дротом діаметром 1,0 мм із сталі 08Г2С.

Міцність пришовної ділянки оцінювали на циліндричних і призматичних зразках з тріщинами (рис. 2 а, б). Суть досліджень полягала в тому, що вихідні тріщини в них ініціювали по середині шва (Ш), на межі зони сплавлення (ЗС), в зоні термічного впливу (ЗТВ) і у вихідному матеріалі після нарізування концентраторів у цих зонах (радіус якого r Ј 0,2мм, а глибина t = 2мм Характеристику тріщинотривкості (К_1C) обчисляли за формулами (3) і (4). Одержані результати зведені в табл. 2.

Таблиця 1. Значення К_1C, s_0,2 і l кр для конструкційних сталей підвісних конвеєрів ВТ-80, ВТ-100, ВТ-160

№ пп	Назва вузлів і деталей конвеєрів	Марка сталі та технологія одержання деталей	Тріщинотривкість. (К1C, МПаЦм) і (s0,2 ,МПа) та розмір дефект(lкр,мм)
		Заводська	Запропонована	Завод. Техн.	Запропон. Техн.
Конвеєр ВТ-80;
1	Привідн. механізм :зірка	Сталь 35, лист, стан поставки	Ст.35, лист, поверх. Зміцн.зуба СВЧ	63,5/300	15,53	72,1/320	17,59
2	Муфта пальці циліндричні	Сталь40ХН,гар.штам гарт.+відпуск 473 К	Сталь40ХН2,гаряча штам.,гарт.+відп.473 К	76,0/1220	1,33	83,5/1105	1,97
3	Натягувальний мех. кронштейн	Сталь35,гаряча, штамповка	Сталь35,гаряча Штамповка+нормал	64,8/310	15,14	68,2/320	15,72
	Зірка	Ст.35, лист, стан поставки	Сталь35,лист,поверх зміцнення зуба СВЧ	63,8/305	15,16	73,0/320	18,03
	Пружина	Сталь 60С2А круг. Гарт.+відпуск 473К	Сталь 60С2А, гарт+відпуск 623 К	52,0/1320	0,54	62,6/1170	0,99
4	Поворотний мех. Зірка	Сталь 35, лист, стан поставки	Сталь35,лист,поверх.зміцнен. зуба СВЧ	64,0/300	15,77	72,0/320	17,54
	Рама рухома	Ст. 3пс, швелер №14	Ст. 3пс, швелер №14	60,0/290	14,83	---	---
5	Вузол каретки Кронштейн	Сталь 35, гаряча штамповка	Сталь 35, гаряча штампов+віброобро	64,8/310	15,14	74,8/350	15,82
	Хрестовина	Сталь45,гар.штамп гарт.+відпуск. 473К	Сталь45,гар.штамп. Гарт.+відпуск.623К	57,2/1300	0,64	68,4/1050	1,47
Конвеєри ВТ-100, ВТ-160
1	Вузол каретки штовхач	Сталь40ХН, гаряча штам.гар.+відп,473К	Сталь40ХН,гар.штам також+віброобробка	66,0/820	2,24	87,8/900	3,29
	Упор падаючий	Ст.40ХН2МА, Штам.гар.+відп.523К	Сталь40ХН2МА, гар штам.гар.+відп.523К	72,0/1420	0,89	97,5/1250	2,10
	Накладка	Сталь35, прок. лист.	Сталь35, прок. лист.	63,0/300	15,28	---	---
2	Підвіска трансп.	Ст.45Г2С,двотав.№14	Ст.45Г2С,двота.№14	75,2/600	5,44	---	---
	Тяговий ланцюг Палець циліндр.	Сталь40ХН, круг., гарт.+відп.473К1с	Сталь 40ХН, круг., гарт.+відп.573К	76,5/1250	1,29	84,0/1100	1,98
3	Ланки пластинч. (зовн.та внутр.)	Сталь40ХН, гаряча штам.гар.+відп.473К	Сталь40ХН, гаряча штам.гар.+відп573К	71,3/1200	1,22	80,5/1100	1,85
	Натяг.пристр. Пружина	Сталь 45, лист, стан поставки	Сталь45, лист, нормалізація	62,5/460	6,39	66,8/470	6,99
	Пружина	Сталь60С2А, круг., гарт.+відпуск 473К	Сталь60С2А, круг., гарт.+відпуск 623К	52,0/1320	0,54	62,6/1170	0,99

Таблиця 2. Значення К_1C для пришовної ділянки однорідних зварних з'єднань.

№п/п	Зона з ініційованою тріщиною у зварному з'єднанні	Тріщинотривкість К1C, МпаЦм
		Циліндр. зразок	Призматичн. Зразок
		09Г2С Ст.3пс Ст.35	09Г2С Ст.3пс Ст.35
1	Шов /Ш/	68,5 39,2 44,3	72,7 41,4 50,2
2	Лінія сплавлення /ЛС/	65,1 37,5 42,8	68,0 40,2 47,3
3	Зона терміч. Впливу /ЗТВ/	70,2 40,4 46,7	75,9 45,6 53,7
4	Вихідн.метал/ВМ/ поздовж. орієнтовна тріщина до прокатування	80,4 58,0 72,4	87,2 60,8 76,5
	Поперечна орієнтація тріщини до прокатування	91,6 62,0 78,6	100,3 70,5 83,0

Розміри призматичних зразків: В =15мм; Н =20мм; С =5мм; L =200мм

Вони свідчать, що для всіх з'єднань, незалежно від схеми навантаження та типу випробувального зраз-ка, найбільше значення К_1C для всіх зон зварних з'єднань має сталь 09Г2С, потім сталь 35 і найменше - Ст. 3пс. Ранжування самої при-шовної ділянки окремо взятого зварного з'єднання показало, що мінімальна тріщинотривкість для зони сплавлення (ЗС) та максимальна для вихідного матеріалу (ВМ). Різниця сягає до 35% для сталі 09Г2С і до 48% для сталей 35 і Ст. 3пс незалежно від типу випробувального зразка. На підставі результатів досліджень запропоновано рекомендації для зварних з'єднань, які б мали оптимальну тріщинотривкість.

П'ятий розділ присвячений розробленню методу оцінки міцності композитних матеріалів на базальтопластиковій основі, які армовані скловолокном, з метою їх використання у конвеєробудуванні. Суть методу зводиться до заміни кропіткої операції зварювання з'єднань на склеювання.

На прикладі двох труб 1, 2 довільного діаметра (див. рис. 7), насаджених на циліндричну оправку 3 і зімкнутих по торцях, показано, що за допомогою хрестоподібного намотування у вигляді трубчастого бандажу 4 заданої товщини (h) і довжини (l) з композиту на базальтопластиковій основі армованого скловолокном можна одержати достатньої міцності з'єднання. Матеріалом для намотування бандажу на поверхню труб є базальтове волокно, просочене епоксидною смолою ЕД - 5 або ЕД - 10. Полімеризація металопластика проводилась при температурі 373...423К протягом 2 годин. Випресувавши оправку 3 із внутрішнього отвору труб, отримували трубчастий бандажний зразок, придатний для дослідження статичної міцності композитних матеріалів.

Руйнівні напруження розриву бандажу визначали за формулою:

s* = F*/pDh , (9)

де F* - руйнівне навантаження після осьового розтягу трубчастого зразка;

D - зовнішній діаметр труб; h - товщина шару намотаного базальтопластика.

Експериментально встановлено, що руйнування такого композиту шляхом нормального відриву, а не зрізу для намотаного базальтового шару на поверхні зістикованих труб відбувається за умови, коли довжина бандажа l і 4D, а його товщина h і t ; де D -зовнішній діаметр труб; t - товщина стінки труб.

Визначені руйнуючі нормальні напруження s* = 750 МПа практично дорівнюють s_в сталі 45 у стані поставки.

Отже, запропонована методика склеювання труб замінює для практики не економічну операцію зварювання.

Висновки

Сформульовано методологію та розроблено методи з відповідним технічним спорядженням і контрольно-вимірювальною технікою визначення опору матеріалу поширенню тріщини для статичних і циклічних навантажень відповідальних деталей підвісних конвеєрів.

Розроблена методика, вміщує технологію виготовлення і способи ініціювання тріщин, дослідження впливу технологічних факторів, зокрема ефекту масштабу, в'язкості руйнування (К_1C), і зварювання при розтягуванні та згинанні циліндричних і призматичних зразків з тріщинами.

Розроблено конструкцію установки та методику випробувань на втомну довговічність натурних деталей вузлів конвеєрів в умовах, наближених до експлуатаційних, що дозволило підвищити достовірність одержуваних експериментальних даних для прогнозування довговічності та тримкої здатності деталей конвеєрів.

За результатами досліджень встановлено основні закономірності впливу технологічних чинників (режимів термічного зміцнення, текстури матеріалу, технології виготовлення на ударну в'язкість і в'язкість руйнування широкого кола матеріалів деталей підвісних конвеєрів). Показано, що тільки з позиції механіки руйнування (механіки тріщини) можна судити про вплив технологічних чинників на працездатність металу в реальних виробах. Випробування матеріалів за міцністю (s_в) чи на ударну в'язкість (КCV) не дозволяють ефективно виявити цих змін.

5. Досліджено вплив масштабного чинника на в'язкість руйнування К_1C (К_C) для сталей (сталь 35, Ст. 3пс, 40Х). Встановлено, що для одного і того ж матеріалу при розтягуванні циліндричного зразка з кільцевою тріщиною умови автомодельності в зоні передруйнування (найбільшої стисненості для пластичної деформації) досягаються на меншому діаметрі зразка D, порівняно з товщиною В плоского зразка з боковою тріщиною.

6. На підставі проведених досліджень тріщинотривкості (К_1C) сталей (сталь 35, Ст. 3пс, 40ХН, 40ХН2, 40ХН2МА, 45Г2С, сталь 45, 60С2А) на циліндричних і призматичних зразках з урахуванням їх форми та геометрії тріщини запропоновано формули для визначення критичного розміру дефекту (тріщини) та прогнозування ресурсу деталі (виробу).

7. Запропоновано складові із низькоміцних і високоміцних ділянок конструкції малогабаритних циліндричних і призматичних зразків із тріщинами для визначення в'язкості руйнування пластичних матеріалів через заплавлення кільцевих і бокових канавок у зразках досліджуваним матеріалом. Стисненість пластичної деформації у вершині тріщини досягається за рахунок утримувальної здатності високоміцної ділянки (матриці) зразка.

8. На основі проведених випробувань тріщинотривкості К_1C різних ділянок зварного з'єднання сталей 35, 09Г2С, Ст. 3пс, виявлено, що найменший опір руйнуванню К_1C (К_C) має зона сплавлення; це зумовлено негативним впливом залишкових напружень. Запропоновано рекомендації щодо зменшення залишкових напружень та покращення дифузійних процесів, що відбуваються в розплавленій ванні під час зварювання.

Розроблено методику оцінки міцності трубчастих деталей вузлів конвеєрів з використанням армованих склобазальтопластикових композитів, які намотуються в місці стику труб у вигляді насадного бандажа. Експериментально перевірено ефективність заміни операції зварювання склеюванням, що значно знижує матеріальні витрати та зменшує обсяг ремонтно-реставраційних робіт в конвеєробудуванні.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Щадило Я. С. Спосіб ініціювання тріщини у призматичному зразку та визначення тріщиностійкості конструкційних матеріалів // Машинознавство. - 1997. - № 4-6. - С. 41-43.

2. Лебідь Н. М., Щадило Я. С. До питання щодо визначення характеристики тріщинотривкості /К_1C/ матеріалів // Вісник держ. ун-ту "Львівська політехніка". - 1996. - № 303. - С. 70-77.

3. Когут Н. С., Боженко Л. И., Кукляк Н. Л., Щадыло Я. С., Когут Н. Н. Установка для натурных испытаний цилиндрических пружин // Физико-химическая механика материалов. - 1992. - № 6. - С.74-75.

Катані профілі як фігурні пластини і кінетика розвитку в них початкових дефектів як випадкових величин. / Т. І. Рибак, Н. І. Хомик,

Я. Т. Рибак, О. І. Буря, Я. С. Щадило // Матеріали доповідей III Міжнародного симпозіуму "Некласичні проблеми теорії тонкостінних елементів конструкцій та фізико-хімічної механіки композиційних матеріалів". - Івано-Франківськ, 1995. - С.81-84.

Полімерні та армовані композити, економічність і перспективність конструювання в сільгоспмашинобудуванні / Т. І. Рибак, Н. І. Хомик, Я.Т. Рибак, Я.С. Щадило // Тези науково-технічної конференції "Перспективи розвитку промисловості пластмас в Україні". - Львів, 1995. - С. 91.

6. Методическое и программное обеспечение расчета на прочность некоторых конструкций сельхозмашин из армированых композитов / Т.И.Рыбак, Я.С. Щадыло // Тез. докладов конференции "Конструирование и производство изделий из полимерных и металлических композиционных материалов". - Киев: Общество знания, 1993. - С. 56.

7. Оцінка надійності сільгоспмашин з позиції механіки крихкого руйнування. / Т.І. Рибак, А.І. Пік, Я.С. Щадило, Я.М. Наконечний // Праці II Міжнародної конференції "Нові технології в машинобудуванні" Харків-Рибаче, 1993. - С. 101-103.

8. Отдельные результаты и направления применения композиционных материалов в сельскохозяйственном машиностроении / Т. И. Рыбак, Я.С. Щадыло, Я. М. Наконечный // Тезисы докладов конференции "Свойства и применение полимерных композитов в сельхозмашиностроении". - Киев, 1992. - С. 4.

9. Исследование усталостной прочности цилиндрических пружин из стали 60С2А / Н.С. Когут, Т.И. Рыбак, Я.С. Щадыло // Труды IV Всесоюз. симпозиума по малоцикловой усталости. - Кишинев, 1991. - С. 37-40.

Анотація

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04. - механіка деформівного твердого тіла. Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 1999.

Розроблено методи визначення тріщинотривкості конструкційних матеріалів, які використовуються для виготовлення найбільш навантажених деталей вузлів підвісних конвеєрів з метою оцінки їх надійності. Методи базуються на порівнянні в'язкості руйнування після випробовувань циліндричних і призматичних зразків з тріщинами і визначення інваріантного рівня К_1с .

Одержано ряд експериментальних і теоретичних залежностей, які дозволяють прогнозувати працездатність відповідальних деталей і вузлів з урахуванням впливу різних технологічних чинників (режимів термообробки, текстури матеріалу, масштабного ефекту тощо). З позиції механіки руйнування вивчена несуча здатність зварних з'єднань, а також з'єднань на базі армованих склобазальтопластикових композитних матеріалів. Дано ряд рекомендацій для інженерної практики в плані підвищення надійності і довговічності підвісних конвеєрів.

Аннотация

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04. - механика деформируемого твердого тела. Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя, Тернополь, 1999.

Разработаны методы определения трещиностойкости конструкционных материалов, которые используются для изготовления наиболее нагруженных деталей узлов подвесных конвейеров с целью оценки их надежности. Методы базируются на сравнении вязкости разрушения после испытаний цилиндрических и призматических образцов с трещинами и определение инвариантного уровня К_1с.

Весомым результатом в работе является разработанная методология изготовления цилиндрических и призматических образцов, инициирования и контроля в них исходных трещин для исследования процессов усталостного разрушения конструкционных материалов на подготовительной стадии и дальнейшего использования этих образцов для определения фундаментальной характеристики трещиностойкости К_1с материала.

Разработана многоместная установка для проведения усталостных испытаний натурных деталей конвейеров, а также крупногабаритных образцов для прогнозирования их усталостной прочности в условиях близких к эксплуатационным.

Проведен комплекс исследований с позиции статической трещиностойкости К_1с для ряда конструкционных сталей 40ХН, 40ХН2МА, стали 45, идущих на изготовление ответственных деталей конвейеров (толкателя, упора падающего, кронштейна, крестовин, пальцев) с учетом влияния технологии термического упрочнения и установлено что только на основе механики разрушения можно наиболее эффективно оценить их сопротивление разрушению, что невозможно установить на базе механических характеристик кратковременной прочности и ударной вязкости.

Для низколегированных сталей 35, Ст. 3пс и конструкционной стали 40Х исследовано влияние масштабного эффекта (размеров цилиндрического и призматического образцов) с целью определения инвариантного уровня К_1с. Установлено, что для одного и того же материала при растяжении цилиндрического образца с кольцевой трещиной условия автомодельности в зоне предразрушения (максимального стеснения пластической деформации) достигаются на меньшем диаметре образца D, в сравнении с толщиной В для плоского образца с боковой трещиной.

Исходя из результатов исследований масштабного эффекта на основе фактической величины К_1с и разрушающего значения напряжения ?^* предложено расчетную формулу определения критического размера трещины (дефекта) по которому можно прогнозировать работоспособность деталей узлов конвейеров.

С позиции механики разрушения изучена несущая способность околошовной области сварных соединений из стали 35, 09Г2С, Ст. 3пс и установлено, что минимальное сопротивление разрушению К_1с (К_с) имеет зона сплавления ввиду негативного влияния остаточных напряжений и диффузионных процессов происходящих в расплавленной ванне в процессе сварки.

Исследовано также прочность склеенных соединений армированных стеклобазальтиковых композитных материалов. Дано ряд рекомендаций для инженерной практики в плане замены операции сваривания склеиванием для изготовления трубчатых деталей подвесных конвейеров.

Summary

The thesis presented for a Candidate's of Scientices Degree in engineering; speciality 01.02.04. - mechanics of deformable bodies. Ivan Pulyuy Ternopil' State Technical University, Ternopil, 1999.

In this paper the methods of evaluation of cracks' stableness of construction materials which are used while production of most loaded details of suspended push conveyers in order to improve its reliability. Those methods are based on using of cylindrical and prismatic samples with cracks in order to study resistance of materials in processes of its static loading while bending.

I have got the experimental and theoretic dependencies which give me the opportunity to forecast work capacity of responsible details and nodes and taking into consideration influence of different technological factors (modes of thermoprocessing, textures of materials, scale effects and other). The carrying ability of welded joints and joints in the base of reinforced glass- basaltic-plastic composite materials were studied from the position of fracture mechanical materials. It was given the recommendation for engineering practice and inceasing of reliability and durability of suspension push conveyers.

Размещено на Allbest.ru

...