Меню Рубрики

Установки для испытания на усталость

Оборудование и образцы для испытания на усталость

Испытание на усталость (выносливость) необходимо проводить потому, что статическая прочность не может характеризовать выносливость металла при повторно-переменных нагрузках.

Испытания проводят на специальных образцах, как правило, со шлифованной или полированной поверхностью.

На рис. 4.4 показаны образцы для испытания на усталость изгибом. Применяют образцы гладкие (рис. 4.4, а, в) и с надрезами (рис. 4.4, б, г).

Предел выносливости определяют на машинах различных конструкций, позволяющих получить повторно-переменные напряжения при изгибе, растяжении, сжатии, кручении или ударе. На большинстве машин испытания проводят в условиях симметричного цикла. Выбор той или иной машины и условий испытания определяются требованиями, которым должен удовлетворять испытуемый металл в готовой детали.

Для испытаний вращающихся образцов из металлов и их сплавов на усталость при консольном изгибе применяют машины УКИ-6000-2 и УКИ-3000Т-2.

Рис. 4.4. Образцы для испытаний на усталость изгибом:

а — консольного типа; б — то же с надрезом; в — для испытания при постоянном изгибающем моменте (по методу чистого изгиба); г — то же с надрезами

Машина УКИ-3000Т-2 предназначена для испытаний на усталость при консольном изгибе и повышенной температуре в интервале от 300 до 1000 °С. Машина состоит из испытательной установки и щита управления.

Испытательная установка имеет две симметричные секции, которые совершенно автономны как в работе, так и в управлении. В машине обеспечено одностороннее обслуживание, имеется приспособление для испытания укороченных образцов.

На машине может одновременно испытываться два образца, рабочий диапазон нагрузок от 0,5 до 100 кгс (от 4,9 до 981 Н). Частота изменения циклов испытательной нагрузки по ступеням 3000 и 6000 об/мин. Нагрев образцов осуществляется в специальной термокамере.

Для испытания на усталость при чистом изгибе вращающегося образца с целью экспериментального исследования циклической прочности различных сортов металлов и сплавов в обычных условиях применяется машина 1709УИ-600/1800.

Конструктивно машина выполнена в виде двух независимых секций, которые имеют следующие основные узлы и механизмы: привод с редуктором и счетчиком циклов, шпиндельные бабки, механизм нагружения, панель управления и панель с электрооборудованием. Обе секции смонтированы на сварном цоколе.

Машина имеет программное нагружение. На шкале нагрузок установлены два подвижных указателя с микропереключателями, при помощи которых устанавливают наибольшее и наименьшее значения нагрузки.

Диапазон испытательных нагрузок от 1 до 100 кгс (от 9,8 до 981 Н), наибольший изгибающий момент больше или равен 6,0 кгс • м (58,9 Н • м).

На машине можно одновременно испытывать два образца, условия испытания независимые. Для испытаний применяют образцы с диаметрами 5; 7,5 и 10 мм. Частота вращения испытуемого образца 2700, 4800 и 7800 об/мин.

Для испытания образцов при повышенных температурах применяется машина 17 ШУИ-800/7800, устройство и технические характеристики которой те же, что и в машине 1709УИ-600/1800.

Для испытания образцов при повышенных температурах машина снабжена электропечью ЭПР-1100 с пультом регулирования температуры.

Универсальные машины 1249УРС-2/30000, 1864УРС-2/30000 и 1254УРС-10/30000, а также 1863УРС-05/15000 предназначены для испытания на усталость образцов конструкционных материалов в симметричном и асимметричном цикле при постоянстве заданных напряжений или деформаций.

Машины работают в автоколебательном режиме, т. е. на частоте собственных колебаний механической колебательной системы.

В состав машин входят: испытательная секция, пульт управления, усилитель мощности и насосная установка, а также электропечь и термокриокамера.

Для создания циклических нагрузок использован электромагнитный силовозбудитель, обеспечивающий высокую частоту нагружения, что позволяет повысить производительность усталостных испытаний в 5—7 раз по сравнению с механическими и гидравлическими машинами.

Машины выполнены по схеме, позволяющей в процессе испытания осуществлять независимое управление (поддержание постоянства заданных значений или программное изменение) режимами статического и циклического нагружения. Статическое нагружение осуществляется с помощью ручного механического привода.

Комплект сменных приспособлений обеспечивает возможность проведения испытаний круглых и плоских образцов на растяжение-сжатие, чистый, поперечный и консольный изгибы. Достоинством машины является также возможность одновременной имитации частотных, силовых и температурных условий работы материалов.

Высокочастотная машина УРС-0/30000 с электромагнитным возбудителем и программированием нагрузки предназначена для испытания на усталость образцов и элементов конструкций из металлов при симметричном и асимметричном циклах растяжения- сжатия или изгиба со ступенчатым программированием циклической нагрузки (13 ступеней).

Установка состоит из испытательного агрегата (рис. 4.5) и аппаратуры управления и регистрации; работает в резонансном автоколебательном режиме, что позволяет при малой затрате энергии создавать необходимые нагрузки на испытываемый образец. Изменение частоты нагружения производится сменой инерционных масс. Силовозбудитель электромагнитный, поляризованный, дифференциального типа.

Читайте также:  Установка активных антенн bosch

Наибольшая испытательная нагрузка 10 тс (98 кН), наибольшая амплитуда циклической нагрузки ±5 тс (49,5 кН), диапазон рабочих частот от 50 до 500 Гц. Емкость счетчика циклов составляет 10 9 , интервал испытательных температур от 350 до 1200 °С.

Рис. 4.5. Испытательная секция машин 1249УРС-2/30000 и 1254УРС-10/30000 для испытаний на усталость

Машины универсальные УРС-5/100,

УРС-10/100, УРС-20/100, УРС-50/50,

УРС-100/25, УРС-200/20 предназначены для испытания металлических и пластмассовых образцов на усталость и малоцикловую усталость при знакопеременном и знакопостоянном приложении осевой или изгибающей нагрузки с любым коэффициентом асимметрии при нормальных и повышенных температурах при отсутствии агрессивных сред.

Машины снабжены пультом программного управления. В обозначении марки машин цифра над чертой показывает наибольшую предельную (статическую и динамическую) нагрузку, выраженную в тонна-силах, цифра, стоящая под чертой, — наибольшее значение частоты циклического нагружения, выраженное в герцах. Например, для машины УРС-20/100 наибольшая предельная нагрузка 20 тс, диапазон частот циклического нагружения от 0,001 до 100 Гц.

Для испытания на усталость применяются машины УМ-10, УРС-20/6000, У PC-5/6000, УЭ-10, УЭ-20, УЭ-50, УЭ-100 и др., а также машины фирмы «Шенк»: для испытаний на плоский изгиб и кручение — PWS (номинальный изгибающий момент 160 Н • м); для усталостных испытаний на изгиб при нагружении симметричным циклом — PWO (номинальный изгибающий момент 30 Н • м); ротационная машина для усталостных испытаний на изгиб — PUN (номинальный изгибающий момент 27 Н • м) с устройством для испытаний при повышенных температурах, а также универсальные пульсаторы вертикального (PVM) и горизонтального (РНХ) исполнения для нагружения сжатием, изгибом и кручением (номинальная сила соответственно 20 и 600 кН).

источник

Методы испытания на усталость

Экспериментальным методам исследования усталости металлов и конструктивных элементов уделялось и уделяется большое внимание, поскольку полученные с использованием этих методов результаты являются основой обеспечения надежности и долговечности конструкций, работающих в условиях переменных нагрузок.

Испытания на усталость производят как для пластичных, так и для малопластичных и хрупких материалов (ГОСТ 2860—65).

Предел выносливости чаще всего определяют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) в условиях знакопеременного (симметричного) цикла (омакс = амин), т. е. с приложением изгибающей нагрузки, вызывающей знакопеременные напряжения (растяжение-сжатие); при этом число циклов знакопеременных нагружений может быть установлено достаточно большим.

Испытания на усталость могут быть длительные и ускоренные. Длительные испытания производятся на круглых образцах.

Схема испытания на машинах, работающих по методу консольного изгиба, показана на рис. 4.6, а. Один конец образца 2 зажимается во вращающемся шпинделе 1 машины, а на другой конец надевается подшипник 3, к которому подвешивается груз Р. При вращении образец подвергается повторно-переменному нагружению. При каждом обороте изменение величины напряжения совершит полный цикл от амакс через нуль к амин и т. д. (рис. 4.6, б). В этом случае изгибающие моменты распределяются по закону треугольника.

При заданной нагрузке испытание продолжается до разрушения образца, при этом регистрируется число выдержанных циклов.

После разрушения образца его заменяют другим и уменьшают или увеличивают груз. Так испытания повторяют несколько раз, определяя каждый раз число циклов, доводящее образец до разрушения. Для определения предела выносливости испытывают целую серию (не менее шести) одинаковых образцов, изготовленных из одного и того же материала.

Первый образец испытывают при напряжении cjj (для стали = 0,6ав, а для легких сплавов aj = 0,4ав); при этом определяют число циклов N, вызвавшее разрушение образца. Для второго и последующих образцов напряжения а2, аз и т. д. каждый раз снижают или повышают на 2 или 4 кгс/мм 2 (на 19,62 или 39,24 МПа) в зависимости от числа циклов, вызвавшего разрушение первого

Рис. 4.6. Длительное испытание на усталость:

а — схема испытания; б — диаграмма циклического изменения напряжений

образца. Разность между напряжениями для двух последних образцов проверяемой серии не должна превышать 19,62 МПа.

С уменьшением нагрузки число выдержанных циклов возрастает.

Испытания заканчиваются построением диаграммы кривой усталости в координатах «напряжения — число циклов» в пропорциональном или логарифмическом масштабах.

Кривая вначале быстро падает, а потом приближается к прямой, параллельной горизонтальной оси. Горизонтальный участок, т. е. максимальное напряжение, не вызывающее разрушения при бесконечно большом числе перемен нагрузки, соответствует пределу выносливости. Пределы выносливости выражают в номинальных напряжениях и обозначают 2 (МПа).

Читайте также:  Установка в душе душевого набора

Предел выносливости можно определить по формуле

где Р — вес груза, кгс (Н); / — длина образца, мм (м); d — диаметр образца, мм (м); R — коэффициент асимметрии цикла.

Следовательно, при напряжениях меньше cyR материал, не разрушаясь, выдерживает большое число циклов.

Предел выносливости обычно считают достигнутым при числе циклов N — 5 • 10 6 (если испытания проводились при комнатной температуре).

Для новых сталей, впервые применяемых для изготовления деталей, длительность работы которых может значительно превышать 5 млн циклов, базу испытаний устанавливают от 10 млн циклов.

Предел выносливости образцов из легких литейных сплавов (алюминиевых или магниевых) определяют на базе 10 млн циклов или на иной базе, задаваемой техническими условиями в зависимости от условий работы детали.

При указании предела выносливости отмечают базу испытаний, при которой они проводились.

При длительных испытаниях образцов на машинах с постоянным изгибающим моментом, работающих по методу чистого изгиба, испытываемый образец, закрепленный в шпиндельных бабках, приводится во вращение электродвигателем. При этом рабочая часть нагруженного образца испытывает повторно-переменное напряжение изгиба, постоянное по всей длине образца. Число сотен оборотов образца (циклов нагружения) определяется по показаниям счетчика.

При разрушении образца по сигналу датчика электродвигатель машины отключается.

Для определения предела усталости испытывают также целую серию однотипных образцов, последовательно изменяя нагрузку, производят вычисление и построение диаграммы.

Пределы выносливости пластичных материалов, определенные в условиях изгиба и растяжения, мало отличаются по своим значениям. В то же время предел выносливости при кручении пластичных металлов составляет 0,5—0,6 от предела выносливости при изгибе в условиях симметричного цикла.

При наличии большого числа факторов, влияющих на циклическую прочность, и необходимости их одновременного учета наиболее показательными оказываются результаты испытаний реальных деталей (в их натуральную величину) в условиях, приближающихся к эксплуатационным. Детали, работающие в сопряжении с другими деталями, испытываются в сборе, в конструктивных узлах (болтовые рельсовые стыки, оси в запрессовке, рессорные листы в сборе и т. д.), поскольку в местах соединения деталей может развиваться коррозия, снижающая предел выносливости.

Несмотря на свои преимущества, натурные испытания значительно менее распространены, чем испытания моделей деталей или образцов, материала.

Металлы, работающие в сложных условиях, при повышенных или пониженных температурах, при коррозии и в других специальных условиях, испытываются на машинах, снабженных специальными установками и приспособлениями.

Нагружение образцов при испытаниях на усталость проводится по одной из основных схем, показанных на рис. 4.7—4.13. На рис. 4.7 приведена схема испытания при чистом изгибе при вращении круглого образца (схема I). По такой схеме можно проводить испытания при симметричном цикле, тогда напряжения определятся по формуле

где Л7И — переменный изгибающий момент; W3 экваториальный момент сопротивления сечения.

На рис. 4.8 показана схема испытаний при чистом изгибе в одной плоскости круглых и некруглых образцов (схема 11). При такой схеме нагружения испытания проводятся как при симметричном, так и при асимметричном циклах нагружения. Амплитуда напряжения определяется по формуле, среднее напряжение цикла

где Мср — средний изгибающий момент.

Рис. 4.7. Схема испытания при чистом изгибе при вращении образца

На рис. 4.9 показана схема испытаний при поперечном изгибе при вращении консольных круглых образцов (схема III). Напряжения определяются по формуле

Рис. 4.8. Схема испытания при чистом изгибе в одной плоскости

где Ми — переменный изгибающий момент; W3 экваториальный момент сопротивления сечения.

На рис. 4.10 дана схема испытаний при поперечном изгибе в одной плоскости консольных круглых и некруглых образцов (схема IV). Испытания проводятся как при симметричном, так и при асимметричном циклах нагружения. Напряжения подсчитываются по приведенным выше формулам.

На рис. 4.11 показана схема испытаний при поперечном изгибе консольных круглых образцов при вращении силовой плоскости

Рис. 4.9. Схема испытаний при поперечном изгибе при вращении консольных образцов

Рис. 4.10. Схема испытаний при поперечном изгибе в одной плоскости консольных образцов

Рис. 4.11. Схема испытаний при изгибе консольных образцов при вращении силовой плоскости

(схема V). Испытания проводятся при симметричном цикле нагружения, напряжения определяются по формуле

где Мн переменный изгибающий момент; W3 экваториальный момент сопротивления сечения.

На рис. 4.12 приведена схема испытаний при переменном растяжении-сжатии круглых и некруглых образцов (схема VI). Испытания могут проводиться как при симметричном, так и при асимметричном циклах нагружения. Амплитуда и среднее напряжение цикла определяются по формулам:

Читайте также:  Установка двух вентиляторов параллельно

где Ра переменная нагрузка; Рср средняя нагрузка; F — площадь поперечного сечения.

Рис. 4.12. Схема испытаний при переменном растяжении—сжатии

IIIII ММ II ММ II ММ II ММ III и I

Рис. 4.13. Схема испытаний при переменном кручении

На рис. 4.13 дана схема испытаний при переменном кручении круглых образцов (схема VII). При такой схеме испытания проводятся как при симметричном, так и при асимметричном циклах нагружения. Амплитуда и среднее напряжение цикла подсчитываются по формулам:

где Ма — переменный крутящий момент; Мср средний крутящий момент; Wp полярный момент сопротивления сечения.

Помимо основных схем нагружения, приведенных на рис. 4.7—

4.13, используются комбинированные схемы, когда совмещаются изгиб с кручением, изгиб с растяжением и т. п.

При испытании образцов и конструктивных элементов на усталость используются различные принципы возбуждения нагрузок.

  • 1. Возбуждение постоянной нагрузкой. В этом случае напряжения в образце создаются грузом, подвешенным к вращающемуся образцу с помощью подшипника. При вращении образца в поверхностных слоях материала возникают напряжения, изменяющиеся по гармоническому циклу. Такой принцип используется при реализации схем I и III. В том случае, если вращается не образец, а груз на конце образца, реализуется схема V.
  • 2. Возбуждение кривошипным механизмом. С помощью кривошипного механизма задается перемещение конца образца с заданной амплитудой, которая выдерживается в процессе испытания. Регулировка кривошипного механизма может быть осуществлена таким образом, чтобы реализовать симметричный или асимметричный цикл нагружения. Такой принцип возбуждения используется при реализации схем II и IV.
  • 3. Гидравлическое возбуждение. Нагрузка на образцы реализуется с помощью зажимов, соединенных с плунжером гидравлического цилиндра. При наличии дополнительного гидравлического цилиндра или пружин возможно осуществить симметричный цикл нагружения. Такая система применяется для реализации схемы VI.
  • 4. Инерционное возбуждение. Используется сила инерции вращающихся масс. Усталостные машины такого типа работают, как правило, в режиме резонанса, когда благодаря совпадению собственной частоты системы машина—образец с частотой возбуждающей нагрузки возможно реализовать большие напряжения в образце при малых затратах мощности. На таких машинах можно реализовать схемы II, IV, VI и VII.
  • 5. Электромагнитное возбуждение. Колебания исследуемого образца вызываются и поддерживаются периодическими электромагнитными силами притяжения, возникающими при прохождении магнитного потока через массу якоря, прикрепленного к испытываемому образцу. Испытания проводятся при частотах, близких к собственной частоте колебаний образца. Наиболее часто такой принцип возбуждения нагрузки используется при реализации схемы нагружения IV.
  • 6. Электродинамическое возбуждение. Колебания поддерживаются силами, возникающими при прохождении переменного тока через катушку, находящуюся в постоянном магнитном поле и прикрепленную к испытываемому объекту. При таком возбуждении реализуются схемы II, IV и VI. Испытания проводятся при частотах, близких к собственной частоте колебаний образца.
  • 7. Магнитострикционное возбуждение. Используется эффект магнитострикции, состоящей в том, что некоторые металлы (например, никель) при воздействии на них магнитного поля изменяют свои размеры с частотой действия этого магнитного поля. Этот эффект используется для возбуждения колебаний в системе, составной частью которой является исследуемый образец. Установки, созданные на таком принципе, используются для испытаний по схеме VI при весьма высоких частотах нагружения.
  • 8. Пневматическое возбуждение. Колебания образца в этом случае возбуждаются под действием переменного воздушного потока, проходящего через отверстия во вращающихся дисках. Такое возбуждение используется для реализации схемы II при высоких частотах нагружения.
  • 9. Электрогидравлическое возбуждение. Такое возбуждение близко по своему характеру к гидравлическому возбуждению и отличается от него тем, что усилие в гидравлическом цилиндре регулируется с помощью сервоклапана, управляемого электрическим сигналом. Установки, построенные на таком принципе возбуждения, имеют большие возможности по воспроизведению различных режимов программного и стохастического (при условии наличия в системе ЭВМ) нагружений. Они используются для реализации нагружения по схеме VI.

В табл. 4.1 показаны возможности установок с различными принципами возбуждения нагрузок по реализуемым усилиям, частотам нагружения и перемещения. Под малыми (М), средними (С) и большими (Б) усилиями подразумеваются соответственно усилия до 500, 2000, 100 000 кгс и выше; под малыми, средними и большими частотами — соответственно 5—15, 15—150 и выше 150 Гц; под малыми, средними, большими перемещениями — соответственно перемещения 1 — 10, 11—50, 51 —100 мм.

Особенностью машин с электрогидравлическим принципом возбуждения нагрузок является взаимосвязь перемещения с частотой нагружения. С увеличением перемещения захватов реализуемая частота уменьшается.

Возможности установок с различными принципами возбуждения нагрузок

источник