ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения НИР

В конструкциях современных машин, таких как двигатели, турбины, топливная аппаратура и другие корпусные детали, широкое распространение получили шпилечные резьбовые соединения. Основными требованиями, предъявляемыми к шпилечным соединениям, с точки зрения обеспечения эксплутационных свойств являются статическая прочность, усталостная прочность и стопорящие свойства резьбового соединения.

Статическая прочность резьбовых соединений в основном обеспечивается различными вариациями конструкторских методов, а именно: выбором диаметра резьбы, длины свинчивания, шага резьбы, угла профиля резьбы, радиуса впадины резьбы шпильки, повышением равномерности распределения нагрузки между витками резьбы, уменьшением концентрации напряжений в резьбовом соединении и другими.

Стопорящие свойства являются важной составляющей в эксплуатации неподвижных резьбовых соединений и в основном обеспечиваются взаимной фиксацией болта (шпильки) относительно гайки (корпуса), созданием дополнительных сил трения, стопорением посредством местных деформаций и другими.

Усталостная прочность шпилечных резьбовых соединений может быть обеспечена как конструкторскими методами, так и технологическими. К конструкторским методам могут относиться методы, аналогичные методам обеспечения статической прочности, а также выбор материала, характеризуемый в первую очередь чувствительностью к концентрации напряжений, и вид термической обработки, обеспечивающей необходимую структуру и твердость.

К технологическим методам обеспечения усталостной прочности относятся способы обработки резьбы шпильки и корпусной детали. Из всего многообразия методов обработки для получения резьбовых отверстий используются три вида - получение резьбового профиля корпусной детали методом резания, изготовление резьбового профиля корпусной детали посредством деформирования стенок и комбинирование, включающее оба предыдущих метода. В работах проф. А. Г. Суслова (БГТУ, г. Брянск) установлено, что очаги, в которых образуются микротрещины от усталости материала, зарождаются в поверхностном слое деталей машин.

Следовательно, сама способность сопротивляться усталостному разрушению будет во многом зависеть от качества поверхностного слоя. Таким образом, вид окончательной обработки деталей машин и ее режимы будут во многом определяющими для поверхностного слоя и сопротивления усталости. Поскольку сопротивление усталости в значительной степени связано с состоянием поверхностных слоев металла, большинство традиционных методов повышения циклической прочности основано на активном воздействии на поверхность детали или элемент конструкции. К таким воздействиям относятся поверхностный наклеп (обкатка роликами, дробеструйная обработка и т. п.), поверхностная закалка ТВЧ, поверхностная термомеханическая обработка, цементация, покрытия и т.д. Повышение циклической прочности при различного рода поверхностных упрочняющих методах обработки обеспечивается как путем создания структуры и субструктуры, обладающих повышенным сопротивлением усталости, так и в результате появления в поверхностных слоях материала сжимающих остаточных напряжений. Следовательно, основное влияние будут оказывать не геометрические параметры, а параметры физико-механических свойств поверхностного слоя.

Следуя всему перечисленному, для исследования взаимосвязи методов обработки с усталостной прочностью было использовано гладкорезьбовое соединение шпильки с корпусной деталью. Для проведения эксперимента были использованы шпильки М8х1 с накатанной резьбой из стали 45 (предел прочности в = 700 МПа, твердость НВ=170...245) и образцы из литейного алюминиевого сплава aЛ4 (с размерами: длина - 18 мм. диаметр-30 мм) сшироко применяемым режимом термообработки Т1- искусственное старение без предварительной закалки.

Так как основное влияние на усталостную прочность оказывает состояние физико-механических свойств поверхностного слоя, а именно: глубина наклепа, степень наклепа, величина и знак остаточных напряжений, то возникает необходимость в измерении этих показателей для последующего их задания в качестве входных факторов эксперимента. Исходя из того, что эта задача трудноосуществима, для задания в качестве входных факторов используется изменение диаметра отверстия вобразце перед нарезанием резьбы. Тем самым, изменяя объем деформируемого материала, изменяем уровень заполнения впадин резьбы шпильки сдеформированным слоем материала корпусной детали и соответственно можем судить об изменении физико-механических свойств поверхностного слоя корпусной детали. Однако количественно определить значение наклепа и уровень залегания остаточных напряжений трудноосуществимо, и только в дальнейшем, при проведении испытаний полученных соединений на усталостную прочность при условии достижения уровня усталостной выносливости, можно судить о достаточно оптимальном сочетании показателей наклепа, поверхностной микротвердости, остаточных напряжений, с точки зрения конкретного диаметра отверстия в корпусе.

При испытаниях на усталостную прочность в качестве выходного параметра использовалось значение числа циклов нагружения динамической составляющей нагрузки при постоянной статической, числовое значение которых определялось из реальных условий нагружения резьбовых соединений.

Для определения границы усталостной выносливости использовались труды И.А. Биргера, Я.Г. Пановко, из которых следует, что если число циклов достаточно велико, то в результате накопления этих механических изменений в образце образуется макроскопическая трещина, постепенное развитие которой приводит к разрушению. Механизм усталостного разрушения отличается от повторных упругопластических деформаций тем, что последние происходят лишь при макроскопических напряжениях, превышающих предел упругости, в то время как для усталостного разрушения требуются значительно меньшие напряжения. Повторные пластические деформации развиваются в макрообъемах, сопоставимых с объемом тела. Напротив, усталостные повреждения на первых стадиях процесса носят микроскопический характер. Также они отличаются числом циклов, для повторных пластических деформаций достаточно 10 ¹-10 ⁴ циклов, для усталостных повреждений число циклов превышает 10 ⁴ и обычно бывает равным 10 ⁶ - 10 ⁷ циклов.

Для проведения эксперимента была разработана блок-схема автоматизированной системы экспериментальных научных исследований (рис.1). В ней применяется тройной цикл: в первом используется сравнение сил для определения циклов, во втором - сравнение текущего числа циклов с границей усталостной выносливости для прекращения нагружения, в третьем - определение момента разрушения соединения и последующее определение числа циклов, при котором оно произошло.

Рис. 1

Разработанная блок-схема автоматизированной системы определения усталостных разрушений может быть успешно использована на практике.

Проведенные исследования показали, что еще на стадии проектирования ответственных шпилечных резьбовых соединений деталей машин возможно определение эксплуатационных характеристик узлов машин, а именно, усталостной прочности, выбор технологических методов и режимов обработки, что очень важно для определения сроков службы машин, что позволит спрогнозировать сроки ремонтных работ, уменьшить число аварийных ситуаций, повысить сроки службы машин и сократить финансовые затраты на содержание машин и оборудования.