Технічні науки/

Галузеве машинобудування

К.т.н. Вольчев А.В.

Одесский национальный морской университет

Долговечность стальных деталей при нестационарном нагружении

Представляет интерес рассмотрение общего случая нерегулярного нагружения, когда меняется во времени и частота и интенсивность нагрузки. При этом принимаются следующие условия: законы изменения частоты и интенсивности нагрузки заданы и сводятся к режиму дискретного блочного нагружения, в котором меньшей частоте соответствует большая нагрузка и наоборот. Так обычно и бывает на практике, хотя это условие не является обязательным, законы изменения частоты и нагрузки могут быть и независимыми. Накопление повреждений от варьирования частоты и от варьирования нагрузки – не связанные между собой процессы.

Исходя из приемлемости линейной гипотезы суммирования повреждений и независимости процессов их накопления от двух указанных выше факторов, можно свести нерегулярное по частоте и интенсивности нагружения как бы к двум отдельным нагружениям – нерегулярному по частоте и нерегулярному по интенсивности. Для этого используется эквивалентная кривая коррозионной усталости.

Эквивалентная кривая и основанная на ней методика определения долговечности при варьируемой частоте предполагает конкретный уровень нагрузки. Влияние частоты связано с уровнем нагруженности – кривые усталости для разных частот не параллельны между собой. Следовательно, от уровня нагрузки может зависеть положение эквивалентной кривой.

Обычно спектр нагрузки удобно сводить к максимальной [1.2]. что и принято: напряжения выражены через максимальное - . Если принять максимальный уровень, то эквивалентная кривая усталости может оказаться неудачно выбранной: при меньших уровнях влияние частоты сильнее. Поэтому кажется более логичным эквивалентную кривую отнести к эквивалентному напряжению , а последнее находить по известным параметрам и , кривой усталости при эталонной частоте (эти параметры всегда должны быть известны или предварительно найдены).

Эквивалентное напряжение, соответствующее заданной долговечности , при (сумма накопленных повреждений) и дискретном блоке находится по формуле

(1)

где - параметр кривой коррозионной усталости.

Подставив выражение (1) в формулы

; (2)

, (3)

найдем долговечность с учетом нерегулярности нагружения по частоте и интенсивности.

Расчет можно провести и по другой схеме, определив сначала параметры эквивалентной кривой усталости по формулам

, (4)

, (5)

, (6)

а затем использовав их в формуле

(7)

и аналогичной ей формуле для . Полученные значения долговечностей должны быть близкими, если формулы (4) и (5) имеют приемлемую точность.

Необходимость учитывать изменение влияния частоты на долговечность с изменением уровня нагруженности, т.е. необходимость эквивалентную по частоте кривую коррозионной усталости относить к эквивалентному напряжению согласно формуле (1), свидетельствует о том, что эта кривая не должна отображаться прямой линией в координатах , . Поэтому утверждение о том, что суммы относительных чисел циклов должны быть равны одной и той же постоянной величине при варьировании частоты и нагрузки, строго говоря, неверно. Приблизительно эту мысль можно выразить и так: если линейная гипотеза верна при суммировании повреждений от нагрузок разного уровня, то она неверна при суммировании повреждений от нагрузки, прилагаемой с разной частотой и наоборот. Однако отмеченное явление выражено очень слабо, т.е. теоретически оцениваемое искривление одной из кривых усталости (либо той, по которой суммируются повреждения от нагрузки с разной частотой действия, либо той, по которой суммируются повреждения от разных нагрузок при неизменной частоте) невелико и им можно в практических расчетах пренебречь.

Зависимость (1) апробирована на гладких и надрезанных образцах из конструкционных сталей 45 и 08Х18Н10Т в 3-%-м растворе поваренной соли (имитатор морской воды).

Варьирование частоты и нагрузки проведено между двумя уровнями таким образом, что большей нагрузке давали меньшую частоту , меньшей нагрузке - болшую частоту . Объем блока составлял циклов. Отношения , и . Напряжение блока брали таким же, как и при регулярном нагружении.

По эквивалентной кривой как по исходной подсчитывали суммы относительных долговечностей для всех уровней напряжений, при которых проводили испытания. Результаты подсчета сумм приведены в таблице

Суммы относительных чисел циклов при ступенчатом изменении

напряжения от до , подсчитанные по эквивалентной кривой

коррозионной усталости

Материал	КТ	β	σ 1	σ 2	a	Материал	КТ	β	σ 1	σ 2	a
Сталь 45	1,000	0,05	315	252	0,59	Сталь 08Х18Н10Т	1,000	0,05	290	232	1,23
			265	212	1,07				270	216	1,06
			225	188	0,87				255	204	0,90
			200	160	1,06				240	192	0,93
		0,50	315	252	0,95			0,50	290	232	0,91
			260	212	1,23				270	216	0,90
			225	180	1,13				255	204	1,23
			200	160	1,09				240	192	0,90
	2,625	0,05	245	196	0,77		2,625	0,05	245	196	0,69
			208	166	0,89				205	164	0,56
			165	132	0,85				175	140	1,00
			140	112	1,06				140	112	1,03
			117	94	1,05				120	96	0,97
		0,50	208	166	0,99			0,50	200	160	1,05
			165	132	1,12				175	140	1,11
			140	112	1,18				140	112	0,89
			117	94	0,93				120	96	1,16

В подавляющем большинстве случаев эмпирические суммы мало отличаются от 1. Заметные отклонения наблюдаются, когда длительность действия нагрузки с малой частотой мала, т.е. когда роль коррозионного фактора по сравнению с механическим также мала. Однако по мере понижения нагрузки и роста долговечности роль коррозионного фактора возрастает, и суммы приближаются к 1. При β=0,5 даже при высоких уровнях нагрузки вследствие болшей длительности действия коррозионного фактора суммы близки к 1.

Таким образом, можно полагать, что вся методика расчета деталей на долговечность в агрессивной среде при нерегулярном по частоте и интенсивности нагружения подтверждается опытом и может найти применение в инженерной практике.

Список литературы

1. Когаев В. П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени.— М.: Машиностроение, 1977.— 230 с.

2. Олейник Н. В. Несущая способность элементов конструкций при циклическом нагружении.— К.: Наук. думка, 1985.— 240с.