Повышение циклической прочности

Физические основы явлений усталости еще не изучены в степени, позволяющей создать стройный расчет деталей на циклическую прочность. Отсутствие основополагающих фи­зических принципов заставляет идти по пути накопления экспериментальных данных, ко­торые не всегда позволяют произвести досто­верный расчет, тем более, что данные, полу­чаемые различными экспериментаторами, имеют большой разброс, а зачастую, вслед­ствие различия методики испытаний, несопо­ставимы и даже противоречивы. Из-за наслое­ния новых данных, введения поправочных коэффициентов, а также многообразия подле­жащих учету факторов расчетные формулы все более усложняются.

В этих условиях большое значение имеет по­нимание общих закономерностей циклической прочности. Осмысленное проектирование, ос­нованное на знании этих закономерностей, дает порой гораздо больше, чем расчет, и позволяет избежать ошибок, которые в по­следующем пришлось бы исправлять, напри­мер приемами упрочняющей технологической обработки.

Во многих случаях можно устранить перво­причину и добиться если не полного исключения циклических нагрузок, то хотя бы их уменьшения. Даже в машинах определенно циклического действия можно достичь значи­тельного уменьшения максимальных цикличе­ских напряжений и их амплитуды, а также смягчения динамичности нагрузки.

Одним из основных способов является по­вышение упругости деталей в направлении действия нагрузок и введение упругих связей между деталями, передающими и восприни­мающими нагрузку.

При циклическом крутящем моменте можно сгладить пики напряжений и, следовательно, уменьшить амплитуду цикла введением упру­гих муфт между деталями, воспринимающими крутящий, момент. Установка пружинных амортизаторов между валами и зубчатыми ко­лесами снижает пики напряжений в зубьях и делает работу зубчатых передач плавной и спокойной. Переход с подшипников качения на подшипники скольжения, например в шатунно-кривошипных механизмах, снижает пи­ки нагрузок благодаря амортизирующему дей­ствию масляного слоя. Работа, затрачиваемая на вытеснение масла из зазора в подшипниках, поглощает импульс действующих сил, что спо­собствует снижению нагрузок на механизм.

Другой способ заключается в снижении коэффициента амплитуды напряжений путем наложения постоянной нагрузки. Этот прием широко применяют в конструкции циклически нагруженных болтовых соединений, придавая болтам предварительную затяжку. При доста­точно большой затяжке удается практически полностью устранить циклическую составляю­щую и сделать нагрузку статической.

Во многих случаях возникновение высоких знакопеременных нагрузок связано с появле­нием резонансных колебаний в частях меха­низма. Этот опасный вид циклической нагруз­ки предотвращают с помощью демпферов (пружинных, маятниковых, гидравлических или фрикционных). Вибрации машин и агрегатов, являющиеся источниками знакопеременных на­грузок, устраняют или смягчают их подвеской на виброизолирующих и виброгасящих амор­тизаторах.

В ряде случаев полного или почти полного устранения циклических нагрузок можно до­стичь повышением точности изготовления де­талей и их опор. Примером может служить устранение статического и динамического дис­баланса быстровращающихся роторов, вызы­вающего переменные нагрузки в опорах и корпусах. Повышение точности изготовления зубьев колес (уменьшение погрешностей шага и толщины зуба, искажений, профиля и т. п.) устраняет циклические нагрузки, порождаемые этими погрешностями.

В случаях, когда не удается ликвидировать циклические нагрузки или снизить циклические напряжения, следует прибегать к специальным способам повышения сопротивления устало­сти.

Эти способы можно разделить на техноло­гические и конструктивные. В первом случае упрочнения достигают специальными приема­ми обработки, во-втором – приданием дета­лям форм, благоприятных для циклической прочности.