facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Wiki
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip

КОНЦЕНТРАЦИЯ НАЧАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ГАЛТЕЛЯХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ПОСЛЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Автор Доклада: 
Марьина Н.Л.
Награда: 
КОНЦЕНТРАЦИЯ НАЧАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ГАЛТЕЛЯХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ПОСЛЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

УДК 62.192:621.43-233

КОНЦЕНТРАЦИЯ НАЧАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ГАЛТЕЛЯХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ПОСЛЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Марьина Надежда Леонидовна, канд. техн. наук, докторант
Балаковский институт техники, технологии и управления


Статистические данные и тщательный металлографический анализ изломов коленчатых валов форсированных дизелей показали, что разрушения коленчатых валов вызваны появлением и развитием усталостных трещин в наиболее напряженных местах вала - галтелях коренных и шатунных шеек.
Ключевые слова: Запас усталостной прочности, усталостные разрушения, коленчатый вал, галтель, коэффициент концентрации напряжений, пластическое деформирование.

Statistical data and careful metallographic analysis breaks crankshafts boosted diesels have shown that the destruction sheniya crankshafts due to the emergence and development of fatigue cracks in the most stressed areas of the shaft - fillet main and connecting rod journals.
Keywords: stock fatigue, fatigue damage, the crankshaft fillet, stress concentration factor, plastic deformation.

Для повышения запасов усталостной прочности элементов коленчатого вала могут быть использованы известные конструктивные и технологические мероприятия: применение химико-термической обработки, комбинированных поверхностно-пластических деформаций (ППД), более прочных материалов, оптимизация некоторых размеров вала и профилей галтелей. Однако бывают случаи, когда по экономическим или производственным соображениям использовать указанные мероприятия нецелесообразно.

Анализ усталостных разрушений коренной и шатунной шеек коленчатого вала показывает, что зарождение усталостной трещины наблюдается в галтельном радиусном переходе шейки. Подобная закономерность трещинообразования свидетельствует о высоком уровне рабочих напряжений и наличии их концентрации с высоким градиентом. Для снижения концентрации напряжений и повышения несущей способности галтелъной зоны коленчатого вала целесообразно применение комбинированного ППД, позволяющего регулировать свойства поверхностного слоя формированием в нем начальных технологических остаточных напряжений сжатия. При действии знакопеременных нагрузок основное значение приобретает не характер распределения последних по глубине поверхностного слоя элемента - коленчатого вала, а величина и знак распределения напряжений по поверхности [2]. Поэтому на служебные свойства упрочненного комбинированным ППД элемента коленчатого вала решающее значение оказывают направленные вдоль оси вала начальные технологические остаточные напряжения сжатия, так как проявление последних совпадает с развивающимися динамическими напряжениями. Кроме того, малоотходная технология изготовления коленчатых валов из точноштампованных заготовок предусматривает компенсацию разупрочняющего влияния обезуглероженного слоя, что, в свою очередь, требует исследования влияния начальных технологических остаточных напряжений на несущую способность упрочненных коленчатых валов.

Аварийность коленчатых валов все еще велика, причем, как показывают статистические данные ООО ПКР «Дизельсервис», до 94 % поломок коленчатых валов транспортных дизелей носят характер усталостного разрушения от изгибных нагрузок [3]. Анализ усталости коленчатых валов, вызванных усталостью металла, показывает, что период развития усталостной трещины до отказа конструкции составляет 90-95% срока службы при отсутствии эффективных коэффициентов концентрации напряжений или дефектов, приравненных к ним по своему действию. Для коленчатого вала с концентраторами напряжений период развития усталостной трещины составляет 15-20% срока службы в зависимости от степени концентрации, уровня динамического нагружения, свойств материала и т.д.

Рис. 1. Усталостное разрушение коленчатых валов

Галтели коренных и шатунных шеек являются самыми нагруженными участками коленчатого вала. Напряжение в галтели достигает максимального значения в сечении её сопряжения с поверхностью шейки, в месте перекрытия коренной и шатунной шеек. Как правило, напряжение в галтели шатунной шейки больше, чем в галтели коренной, что приводит к появлению усталостной трещины в шатунной шейке из-за того, что диаметр последней всегда меньше диаметра коренной и поэтому создается более резкий переход в этом сечении вала. Указанные обстоятельства приводят к значительному возрастанию эффективного коэффициента концентрации напряжений. Последний приобретает наибольшее значение в случае абсолютной упругости или абсолютной хрупкости материала вала.

При знакопеременном асимметричном нагружении коленчатого вала в условиях ограниченного времени для пластической деформации материала эффективный коэффициент концентрации напряжений имеет максимальное значение меньше теоретического из-за наличия локальной текучести материала. С повышением частоты вращения коленчатого вала время протекания пластических деформаций сокращается, из-за чего развивается усталостная трещина, скорость развития которой зависит от пластических свойств материала и длительности приложения динамических нагрузок. В технической литературе отсутствуют обобщающие публикации по проблемам повышения сопротивления усталости коленчатых валов, чем тормозится развитие исследовательских работ в этой области и практическое применение их результатов.

Для комплексной оценки изменения физико-механического состояния поверхностного слоя в зоне концентрации напряжений на радиусах галтелей коленчатого вала при комбинированном ППД в ОАО «Волжский дизель им. Маминых» используют контрольные пластины как образцы-свидетели, изготавливаемые из материала коленчатого вала - стали 38Х2МЮА (рис.2), полагая при этом, что статическая стрела прогиба является мерой интенсивности и стабильности процесса комбинированного ППД упрочняемой конструкции. Вместе с тем, виброударное нагружение элементов коленчатого вала и контрольных пластин-свидетелей при ППД отличается от статического, что требует учета комплексного критерия - коэффициента динамичности нагрузки КД.

Рис.2.а. Плоский образец-свидетель для исследования зависимости
усталостной прочности от изгибающего удара

Рис.2.б. Галтельная зона коленчатого вала для исследования зависимости

С целью определения влияния КД на уровень начальных технологических остаточных напряжений используем принцип Сен-Венана и заменим распределенную виброударную на консольно закрепленную пластину при упрочнении нагрузку равнодействующей гармонически меняющейся сосредоточенной вибрационной силой Psinωt (рис.2а), полагая при этом, что пульсирующий характер нагружения образца от изгибающего удара близок к гармоническому. Используя уравнение амплитуды динамического прогиба для консольной пластины, подверженной действию вынужденных гармонических колебаний [2],

 

Коэффициент динамичности нагрузки

КД=y0yc=3k3l3-AlДl+BlClAl2-BlДl. (3)

Так как глубина поверхностного слоя с высокими начальными технологическими остаточными напряжениями мала по сравнению с диаметром .коренной или шатунной шейки коленчатого вала, начальные технологические остаточные напряжения, направленные по дайне консольной пластины после упрочнения, определяются зависимостью

 

σx0=8El2H2-hyc (4)

Так как начальные технологические остаточные напряжения сжатия искажают форму галтельного радиусного перехода, целесообразен новый подход в оценке начальных технологических остаточных напряжений в условиях динамического виброударного нагружения. Ориентировочно оценим искажение этой формы, для чего рассмотрим напряженное состояние отдельной полоски галтельной зоны (рис.2б). Вырежем образец-свидетель в виде радиусного элемента шириной «в» (φ = 45°) перпендикулярно оси галтельной зоны и определим изменение стрелы его прогиба у0 под, действием наведенных начальных технологических остаточных напряжений. Образованный в связи с упрочнением момент Мр деформирует рассматриваемый элемент в направлении уменьшения стрелы прогиба. Так как отношение толщины образца Н к радиусу R. мало, то внутренние силовые факторы ? и N не учитываем, и на основании известной зависимости Мора для кривого бруса линейное статическое изменение Δip стрела прогиба имеет вид

Изложенное позволяет сделать следующие выводы.

1.В динамической постановке аналитическим методом исследована возможность учета комплексного критерия при виброударном динамическом нагружении ППД. Показано, что изменение амплитуды вибрационного нагружения в образце-свидетеле достигает 22%, что необходимо учитывать при оценке уровня начальных технологических остаточных напряжений после ППД коленчатых валов.
2.В процессе исследований установлено, что начальные технологические остаточные напряжения в радиусном сопряжении коренных и шатунных шеек при комбинированном ППД создают такую же концентрацию напряжений, как и рабочие динамические, напряжения от сил давления газов. Применением ППД удается на 40% (ασ = 1,47) нейтрализовать неблагоприятное проявление концентратора напряжений.

Литература:

  • 1.Хрущев М.М. Классификация условий и видов изнашивания деталей машин /М.М.Хрущев //Трение и износ в машинах. М.: Изд-во АН СССР. 1953. Вып.3. 5-17 с.
  • 2.Безухов Н.И. Устойчивость и динамика сооружений в примерах и задачах. / Н.И.Безухов, О.В.Лужин, Н.В.Колкунов: Из-во литературы по строительству. 1969.246-265 с.
  • 3.Марьина Н.Л. Дифференцированное гидродробеструйное упрочнение коленчатых валов ДВС: Издательство LAP LAMBERT Academic Publishing, Saabrucken, Deutschland, 2011. 142 с.
  • 4.Тимошенко С.П. Механика материалов /С.П.Тимошенко, Дж. Гере. М.: Мир, 1976. 222-223 с.
  • 5.Рыковский Б.П. Местное упрочнение деталей поверхностным наклепом /Е.П.Рыковский, В.А.Смирнов, Г.М.Щетинин. М.: Машиностроение.1985. 14-16 с. 
9.5
Ваша оценка: Нет Средняя: 9.5 (2 голоса)

Присоединение

Да,согласна с похвалой доклада:исследования актуальны,т.к.природа "усталостных" разрушений до сих пор окончательно не изучена;очень перспективно стремиться к уменьшению перенапряжений от пластических деформаций сосредоточенных слишком в малых объемах при действии переменных нагрузок.И внимательно необходимо редактировать статью,например,фразу: "заменим распределенную виброударную на консольно закрепленную пластину при упрочнении нагрузку .....".

Похвала и небольшое замечание

Доклад очень информационно насыщен, хорошо аргументирован, иллюстрирован и математически формализован. Я в своей отрасли сталкивался с рассматриваемой аналогичной проблемой, применительно к коленчатым валам лесопильных рам. Рассматриваемый вопрос, его решение и исследование может быть взято за прототип применительно к исследованию коленчатых валов лесопильных рам. Касаемо небольшого замечания. В тексте указывается, что "Решение (19) даёт амплитуду динамического прогиба консольной пластины...", но в статье нет формулы или какого-либо другого объекта с номером 19. Эта неточность вызывает некоторое недоумение, но в целом абсолютно не снижает отличнрго впечатления от доклада автора!

Спасибо за отзыв

Уважаемый Вячеслав Викторович, мне очень ценен Ваш отзыв, спасибо Вам большое! Текст был взят из контекста монографии, потому такая досадная ошибка закралась с 19-ой формулой, а вернее недосмотр. Извините. Больше меня опечалило, что формулы некорректно загрузились, а мы над их выводом серьезно работали. Еще раз благодарю!
rdan64

По поводу некорректной загрузки формул

Уважаемая Надежда Леонидовна, не расстраиваайтесь из-за некоторой некорректной загрузки формул. Специалист, который разбирается в вопросе прекрасно видит ценность работы и с этими "заморочками". По поводу некорректности загрузки. это скорее всего не вина системного администратора, а недостаток в требованиях к материалам конференции. Лучший результат без сомнения был бы если материалы предоставлялись в формате .docx, а не в формате .dos, то есть выполнялись в Word - 2007/2010/. Я предлагал это ещё на стадии отссылки доклада. Ответа пока нет. Но по результатам конференции я сделаю такое предложение организаторам. Вас Надежда Леонидовна, прошу меня поддержать.
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.