Визначення опору втомі і забезпечення довговічності деталей машин за режимом навантажування

Ключові слова: деталь, режим навантажування, опір втомі, довговічність, границя витривалості, імовірність, матеріал.

АННОТАЦИЯ

Шумило А.Н. Определение сопротивления усталости и ообеспечение долговечности деталей машин по режиму нагружения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 - машиноведение. - Одесский национальный политехнический университет, 2008.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы определения характеристик сопротивления усталости деталей машин для обеспечения их ресурса на стадии проектирования по заданному режиму нагружения и для проведения экспертной оценки их поломок от усталости. Эти решения основаны на определении предела выносливости детали, который оптимально соответствует их долговечности и режиму нагружения. Впервые для такого рода задач, исходя из долговечности как критерия обеспечения работоспособности при циклическом нагружении, реализована концепция, предусматривающая путь от проектной долговечности и нагруженности эксплуатационного режима к требуемому уровню циклической прочности детали и ее материала. Подтверждена справедливость использования линейной гипотезы суммирования усталостных повреждений для определения граничного повреждения детали по индивидуальной кривой усталости детали, полученной на базе связей между ее параметрами. Индивидуальные характеристики сопротивления усталости позволяют однозначно определять сумму относительных накопленных усталостных повреждений, которая в таком случае безоговорочно становится равной единице, поэтому - и однозначно вычислять суммарную долговечность до разрушения или прочность материала ее обеспечивающую. С целью наиболее полного учета повреждающих напряжений нагрузочного спектра, исключения влияния нижней границы повреждающих напряжений на точность его деления на повреждающую и неповреждающую части разработан метод замены фактического многоступенчатого нагрузочного спектра эквивалентным ему простейшим двухступенчатым. Выполнено усовершенствование математической модели кривой усталости: предложено использовать кривую усталости новой формы, состоящей из левого участка по степенной функции и правого по унифицированной функции Вейбулла, которая объединяет достоинства обеих кривых и исключает их недостатки. Поэтому она наиболее строго и физически обосновано описывает характеристики сопротивления усталости и полностью обеспечивает функциональную связь между долговечностями и напряжениями по всей области многоциклового нагружения. В связи с этим кривая усталости новой формы может быть рекомендована для расчетов на прочность и долговечность деталей машин, а также оперативного определения характеристик сопротивления усталости при проведении испытаний. Выполнены исследования между основными параметрами кривой усталости новой формы - физическим пределом выносливости как параметром правого участка кривой и ограниченным к нему пределом выносливости как параметром левого участка, соответствующим абсциссе точке перехода традиционной кривой в горизонталь.

Разработан метод оценки предела выносливости детали, подверженной нерегулярному режиму нагружения, который приводится к эквивалентному ему двухступенчатому. В результате чего получено уравнение, устанавливающее зависимость прочности отдельно взятой детали от ее суммарной наработки и напряженности эксплуатационного спектра. Выполнены исследования, позволяющие определить характеристики нагруженности эквивалентного двухступенчатого режима на этапе проектирования. Предложены способы уточненного определения предела выносливости детали. Первый способ заключается в последовательном приближении расчетных долговечностей, вычисляемых по характеристикам эквивалентного двухступечатого режима, к проектной долговечности, выступающей критерием оптимального определения предела выносливости при заданных условиях нагружения. Второй метод состоит в последовательном достижении такого положения кривой усталости новой формы, при котором отношение эквивалентной амплитуды к пределу выносливости не стабилизируется - отношение текущего значения к предыдущему с установленной точностью становится равным единице. Как показала проверка по экспериментальным данным, оба метода дают практически одинаковый результат. Так как предел выносливости представляет собой интегральную характеристику прочности: включает в себя все факторы, влияющее на сопротивление усталости детали в опасном сечении, доказана необходимость использования статистических уравнений подобия усталостного разрушения. По этим уравнениям наиболее точно удается определить предел выносливости гладких эталонных образцов, по которым по справочнику назначается материал с учетом соответствующей упрочняющей технологии. Предложено выбор материала деталей сопрягать с расчетом характеристик сопротивления усталости деталей в вероятностной трактовке. Такой подход позволяет более точно определять требуемые характеристики рассеяния прочности и долговечности, а также проектировать детали с более жестким соблюдением гарантийных требований. С этой целью долговечность массива проектируемых деталей целесообразно задавать интервалом, ограниченным максимальным и минимальным значениями. Обеспечение минимальной долговечности реализуется условиями гарантийных обязательств предприятия-изготовителя, максимальной - понятиями морального износа и связанного с ним излишними экономическими затратами. Для подтверждения правомерности и справедливости применения предложенной методики определения оптимального предела выносливости и выбора материала была проведена комплексная, разностороння проверка. В основе такой проверки лежали результаты испытаний, проведенных разными авторами, выполненных на натурных деталях и образцах с различными характеристиками напряженности и деформаций, изготовленных из различных материалов. Для проведения технических экспертиз усталостных разрушений деталей, направленных на выяснения причин поломки деталей в эксплуатации, предложено решение, касающиеся первого их этапа: установление исходных усталостных свойств, которыми обладала разрушившееся деталь, и сравнения их со свойствами, закладываемыми при ее проектировании. Проведенная проверка показала достаточное приемлемое соответствие расчетных и экспериментально установленных пределов выносливости для каждой группы объектов и убедительно подтвердила высокую эффективность и конкурентоспособность использования разработанной методики.

Ключевые слова: деталь, режим нагружения, сопротивление усталостии, долговечность, предел выносливости, вероятность, материал.

SUMMARY

O.M. Shumilo. Determination of fatigue strength and providing of longevity of parts of machines by the regime of loading.

Thesis on competition of the scientific degree of Candidate of engineering Science by specialty 05.02.02 - Science of machines - Odessa National Polytechnical University, 2008.

This is devoted to a pressing problem of determination of resistance of fatigue and providing of longevity of parts on the regime of loading and for the realization of expert estimation of their breakages from a fatigue. Here I confirm the correctness of using a linear hypothesis of summing up the fatigue defects to determine the bound damage by the individual fatigue curve for a separate machine part on basis of relations among its parameters. Method of substituting the factual multistep regime by an equivalent two-step one is developed to eliminate the effects of fatigue damage low bound on division accuracy of loading spectrum as to damaging and undamaging parts. Here is given the improvement of mathematical model of fatigue curve: I offer to use the fatigue curve of a new form where the left section is with power function while the right section is with Weybull function. Analysis has been carried out between bound and physical fatigue limits, they being the parameters of these curves. Method of determining fatigue limit corresponding best of all to operating time and loading conditions of the part on base of a new fatigue curve and an equivalent twostep regime has been developed. For optimum choice of material according to reasonable strength levels, the statistical theory of similarity of fatigue damage way be used. Here are given the recommendations to choose the materials in probability interpretation. A complex test of the above method for different parts and samples with various loading and deformation characteristics has been carried out and confirmed that this method is completely suitable.

Key words: parts of machine, regime of loading, fatigue strength, longevity, fatigue limit, probability, material.

Размещено на Allbest.ru