ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 1, 2015
НАДЕЖНОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ, ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ МАШИН
И КОНСТРУКЦИЙ
УДК 539.4
© 2015 г. Махутов Н.А., Зацаринный В.В.
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С УЧЕТОМ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКИХ
ДЕФОРМАЦИЙ
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва
Представлена методика расчетных и экспериментальных исследований по определению прочности и ресурса ответственных резьбовых соединений, работающих в определенных случаях в условиях упругопластического циклического деформирования, возникающих в наиболее нагруженных витках резьбы и приводящих их к разрушению. Методика расчета долговечности основана на учете перераспределения напряжений и деформаций в неупругой области деформирования в витках шпильки. Сопоставление долговечностей при разрушении шпилек (эксперимент и расчет) подтвердило наличие запасов прочности по Нормам расчетных кривых усталости по моменту образования трещин.
В современных машинах, конструкциях, сосудах высокого давления, энергетических установках, летательных аппаратах, судовых исполнительных механизмах и строительных конструкциях широко применяются резьбовые соединения, работающие в условиях переменного механического и теплового воздействия. В связи с ростом рабочих параметров у машин и конструкций важные элементы разъемных соединений (например, резьбовые соединения в главном разъеме крышка — корпус атомного реактора, во фланцевых соединениях гидротурбин и парогенераторов) в определенных случаях могут работать в условиях упругопластического циклического деформирования с последующим их выходом из строя в области малого числа циклов эксплуатационного штатного или нештатного нагружения.
Разрушение резьбовых соединений крышки гидроагрегата № 2 на Саяно-Шушен-ской ГЭС, а также крупногабаритных колонн с резьбой на мощных прессах создавало многомиллиардные ущербы [1, 3]. Общие вопросы обеспечения малоцикловой прочности и долговечности, в том числе и для резьбовых соединений, рассмотрены в [1—11].
Для уточненной оценки прочности и долговечности элементов резьбовых соединений необходимо располагать расчетными и экспериментальными данными по изменению усилий, номинальных напряжений, деформаций и температуры в шпильках, болтах, винтах и по кривым малоциклового разрушения образцов конструкционных
Рис. 1. Модельные шпильки М24 х 1 (а), М24 х 3 (б) и образец (в) для статических и циклических испытаний
материалов, натурных резьбовых соединений или их моделей. Кроме того основой расчетов прочности и ресурса резьбовых соединений являются результаты исследования основных механических и циклических свойств применяемых материалов с установлением соответствующих расчетных параметров деформирования и разрушения [4, 9]. Эти данные входят в определяющие уравнения для оценки локальных напряженно-деформированных и предельных состояний в наиболее нагруженных витках резьбы.
Методика исследования закономерностей деформирования и разрушения. Рассмотрим результаты расчетно-экспериментальных исследований сопротивления деформированию и разрушению сталей, используемых для изготовления натурных шпилек основного разъема энергетических аппаратов [4, 9], а также результаты исследований сопротивления статическому и циклическому деформированию и разрушению на модельных соединениях М24х1 (шпилька основного разъема из стали 25Х1МФ) и М24х3 (шпилька фланцевого разъема из стали ХН35ВТ) [4, 8].
Испытания на малоцикловую прочность соединений шпилька — гайка, шпилька — корпус проводили при осевом нагружении и коэффициентах асимметрии цикла приведенных номинальных напряжений гпр = 0 (основной режим нагружения) при комнатной температуре. Отдельные испытания были проведены при асимметрии цикла нагружения гпр = +0,3 и гпр = +0,6. Испытания образцов и модельных резьбовых соединений проводили в условиях комнатной температуры на программной испытательной установке фирмы МТС с электрогидравлическим силовозбуждением и предельным усилием до 500 кН. Частоту испытаний варьировали от 0,05 до 0,5 Гц.
Исследование несущей способности резьбовых соединений проводили с учетом особенностей нагружения резьбовых соединений в реальных конструкциях, средств контроля вытяжки (удлинения) шпильки во время статического и циклического на-гружения, а также разборности резьбовых соединений на разных стадиях нагружения. Реальные шпильки М140х6 основного разъема энергетического аппарата были смоделированы: на фотоупругих моделях для оценки напряженных состояний в упругой области с соблюдением геометрического подобия всех размеров главного разъема реактора; на металлических моделях М24х1 для шпилек главного разъема и М24х3 для шпильки М48 парогенератора (рис. 1). Аналогичным образом были смоделированы и другие детали резьбовых соединений — гайки и фланцы (рис. 2).
Все модельные резьбовые элементы крепежа изготавливали точением из соответствующих заготовок материалов. Радиус закругления впадин в резьбе шпилек по чертежу задавали не менее стандартной величины 0,144 от шага резьбы (по ГОСТ 9150-59). Ввиду того, что основной разъем реактора конструктивно выполнен так, что при затяжке шпилек нагрузка, приходящаяся на фланец корпуса, распределена с некоторым эксцентриситетом относительно оси шпильки, приводящим к появлению изгибных напряжений, было предусмотрено проведение нескольких контрольных испытаний с имитацией реальных условий нагружения узла шпилька — фланец (так называемый захват фланца по торцу). Это позволяет оценить дополнительное влияние изгибных напряжений на несущую способность шпильки. Во всех испытаниях использовали гайку сжатия. Всего было испытано 17 моделей шпилек.
Для измерения вытяжки (удлинения) шпильки (ее гладкой и резьбовой части) во время статических и циклических испытаний и непрерывной записи диаграмм деформирования (вплоть до разрушения) использовали деформометр фирмы МТС (база 25 мм), установленный на специальную разрезную трубчатую конструкцию (рис. 3).
Одновременно до и в процессе испытаний проводили периодическое измерение шагов резьбы (с разборкой соединения) с целью оценки процессов неравномерной вытяжки, а также изменения шага за счет циклической наработки. При реализации программы испытаний оценивали статическую и циклическую прочность резьбовых соединений. Одновременно проводили оценку релаксации и ползучести шпилек для определения степени потери начального затяга во время эксплуатации (испытаний). С этой целью нагружение приостанавливали и осуществляли временную выдержку
А
Рис. 3. Схема нагружения модели резьбового соединения: а — схема нагружения (1 — шпилька, 2 — гайка, 3 — фланец, 4 — нажимное кольцо, 5 — деформометр); б — схема трещины в продольном сечении; в — схема трещины в поперечном сечении
Таблица 1
Разрушающие напряжения моделей шпилек и образцов
Материал Разрушающие напряжения, МПа
шпилька образец
25Х1МФ 1076 1055
ХН35ВТ 694 674
при различных значениях напряжений с одновременной фиксацией во времени деформаций ползучести.
Статическое и циклическое нагружение шпилек и сборок (рис. 1—3) проводили осевой силой Р (рис. 3) с измерением вытяжки шпильки и записи диаграмм деформирования.
Характеристики сопротивления деформациям и разрушению. При статическом нагру-жении резьбового соединения разрушение происходило в свободной части стержня шпильки (по минимальному поперечному сечению) с образованием шейки независимо от положения гайки при напряжениях на уровне предела прочности (табл. 1).
При циклическом нагружении разрушение шпилек происходило по первому витку от опорной торцевой поверхности гайки, как по наиболее напряженному. На рис. 4 показаны виды разрушения шпилек при статическом и циклическом нагружениях.
Процессы малоциклового деформирования и разрушения резьбового соединения зависят от характера распределения усилий по виткам резьбы. Распределение усилий по виткам резьбы [5, 6] вследствие высокой концентрации напряжений во впадинах резьбы является неравномерным и зависит от конструктивного исполнения, уровня напряженности и поврежденности витков резьбы на различных стадиях нагружения (рис. 5). Это приводит к появлению зон наибольшей локальной напряженности и вызывает появление остаточных пластических деформаций в наиболее нагруженных витках резьбы. Все это характеризует высокую интегральную местную напряженность по виткам резьбы, влияющую на оценку прочности всего резьбового соединения. Напряженное и деформированное состояние шпильки и гайки (расчет распределения локальных напряжений и деформаций) обычно определяют методом конечных элементов (МКЭ) при заданных внешних и контактных нагрузках.
На характер перераспределения усилий по виткам резьбы, находящихся в сопряжении, влияют совместно протекающие процессы статического и циклического упругопластическо-го деформирования и разрушения. В зависимости от конструктивного исполнения витков резьбы, локальных напряжений и деформаций (рис. 5) [6] усталостные трещины, зародившиеся в наиболее нагруженных первых витках резьбы в зоне А, развиваются в длину L и по глубине l, ослабляя поперечные сечения (рис. 3, б, в). При этом повреждаемость поперечных сечений оказывается неодинаковой [4, 9].
Рис. 4
2 ПМ и НМ, № 1
33
Полученные данные свидетельствуют о том, что при любом уровне нагрузок с накоплением числа циклов нагружения происходит увеличение площадей трещин в резьбе, создавая рост интенсивности нагрузки (на 5—10%) в конце наиболее нагруженного витка. Это приводит к дополнительному ускорению развития трещин.
Расчеты прочности и долговечности. Так как малоцикловая усталость в значительной степени определяет надежную и безопасную эксплуатацию резьбовых соединений во многих ответственных объектах техники, то необходимо углубленное рассмотрение существующих расчетных подходов к обеспечению статической и циклической прочности резьбовых соединений.
Анализ видов эксплуатационных разрушений резьбовых соединений показывает, что приблизительно 50% разрушений происходит вследствие несовершенства их конструкции и методов расчета, 25% — по вине изготовления, 25% — в результат
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.