Усталостные испытания пружин.doc.zip
УДК 621.795.2
Усталостные испытания пружин
Шиляев С.А., Меджитов Т. Р., Аллаяров С.Р.
Ижевский государственный технический университет
Пружины, работающие под нагрузкой в течение длительного времени, а также работающие в тяжелых условиях динамического нагружения, с течением времени снижают свою несущую способность. Одним из основных эксплуатационных требований, предъявляемых к таким пружинам, является требование высокой выносливости.
Прочностные и усталостные характеристики самой проволоки позволяют в какой-то степени судить об усталостных свойствах готовой пружины, однако служить достаточно надежной основой для определения предела усталости конкретного вида пружин, работающих в тех или иных динамических условиях, они не могут. Отсутствие проверенного инженерного метода расчета пружин с учетом инерционного столкновения витков и не исследованные до настоящего времени вопросы влияния на выносливость контактных напряжений, а также напряжений изгиба витка, возникающего в результате конечной скорости волны деформации, весьма усложняют аналитическое решение вопроса усталостной прочности готовой пружины. [3]
Вопросы усталостной прочности пружин и других упругих элементов становятся особенно важными в связи с работами по повышению надежности и точности машин при одновременном уменьшении их веса. С этой точки зрения интересен патент [5] на пружину, профиль сечения витка которой представляет собой дугообразные участки разного радиуса, соединенные между собой касательными.
Динамические испытания пружин предусматриваются чертежом или техническими условиями и назначаются в зависимости от скорости деформирования, рабочих напряжений, нормы требуемых выносливости и стабильности силовых и геометрических характеристик. При этих испытаниях определяется выносливость на малой базе (испытание с числом циклов менее норм живучести) или на большой базе (испытание с числом циклов, соответствующим нормам живучести).
Разрушение пружины от усталости происходят вследствие многократного изменения напряжений и связано с местными пластическими деформациями в отдельных слабых микрообъемах (зернах). При высоких напряжениях и большом числе их повторений на поверхности пружины возникает трещина, распространяющаяся по сечению витка и приводящая к поломке пружин.
Большинство конструкций цилиндрических пружин растяжения-сжатия работает при знакопостоянном цикле с различным коэффициентом асимметрии.
Наибольшее число колебаний, выдерживаемых пружиной до разрушения, зависит не только от максимального напряжения, но и от амплитуды самих колебаний: чем больше амплитуда колебаний при данном максимальном напряжении, тем меньшее число циклов выдерживают пружины.
Пределом выносливости называется такое максимальное напряжение, при котором материал выдерживает, не разрушаясь, фактически неограниченное число циклов. Предел выносливости изменяется в зависимости от коэффициента асимметрии r=τmin/τmax или r=σmin/σmax и зависит от марки стали, сечения прутка, термической обработки и качества поверхности пружины. Качество поверхности, как известно, характеризуется физико-техническими свойствами поверхностного слоя и чистотой поверхности.
Предел выносливости для стальных изделий, в том числе для пружин, обычно определяется при базе испытания N=107 циклов. Однако испытания при такой базе требуют много времени. Для пружин можно ограничить ее меньшим числом циклов и определить предел условной или ограниченной выносливости, тем более, что частота смены напряжений при эксплуатации пружин невелика и на выносливость практически не влияет.
Результаты испытаний на выносливость представляются графиком зависимости числа циклов от максимального напряжения цикла (кривая Велера) и амплитуды от среднего напряжения цикла (кривая предельных напряжений).
Испытания пружин на динамическую нагрузку можно разделить на три вида:
1. Испытания на многократно-повторную нагрузку;
2. Испытания на ударную нагрузку;
3. Специальные испытания.
Испытания на многократно-повторную нагрузку в производстве пружин применяют очень широко. Им подвергают пружины ограниченно-кратного динамического действия (операционные пружины в механизмах), многократного и неограниченно-кратного действия (клапанные пружины), при этом нагрузка при испытаниях может быть как переменной – плавно прилагаемой, так и импульсной.
При соблюдении определенных условий испытания приближаются к реальной работе пружин. Этот метод может быть рекомендован в качестве основного при контрольном испытании и при приемке для пружин клапанов двигателей внутреннего сгорания и им подобных. Кроме того, для приближения условий стендовых испытаний при многократно-повторном нагружении пружины к эксплуатационным, используются механизмы автоматического поддержания постоянной статической нагрузки [4].
Приложение многократно-переменных нагрузок позволяет одновременно испытывать пружины на усталость. Этот метод с успехом может быть применен взамен длительного нагружения со значительным сокращением времени испытания.
В Ижевском механическом институте были созданы три разновидности стендов [3] для испытания цилиндрических пружин на многократно-повторную нагрузку со значительным диапазоном геометрических и силовых характеристик.
1. Стенд на основе кривошипно-кулисного механизма
2. Стенд на основе кривошипно-шатунного механизма с регулируемой длиной шатуна
3. Стенд на основе кривошипно-эксцентрикового механизма.
Кроме того, существуют устройства для испытания пружин, принцип работы которых основан на ферромагнитных свойствах материала. Например, устройство [6] для испытания витых пружин на коррозионно-усталостную прочность при пульсирующих нагрузках, содержащее емкость с коррозионной средой и механизм циклического нагружения. Емкость с коррозионной средой, предназначенная для размещения в ней испытуемых ферромагнитных пружин, выполнена закрытой из немагнитного материала, а механизм циклического нагружения – в виде электрической обмотки, охватывающей эту емкость, и соединенной через управляемый ключ с регулируемым источником питания, при этом высота обмотки меньше высоты испытуемой пружины в ее свободном состоянии.
При эксплуатации винтовые пружины очень часто подвергаются ударной нагрузке. Для проверки качества, а иногда и долговечности таких пружин проводят копровые испытания. В копре, предназначенном для ударных испытаний крупных пружин, бесконечная цепь, перемещающаяся от привода или непосредственно от электродвигателя, поднимает бабу определенного веса на необходимую высоту, при достижении которой баба автоматически освобождается от цепи и падает на пружину, закрепленную в поджатом состоянии в специальном приспособлении. После удара баба вновь подхватывается бесконечной цепью. Вес бабы и высота ее подъема определяются конструкцией копра. Копры, предназначенные для испытания пружин, следует устанавливать на глубокие и прочные фундаменты. Наиболее совершенными являются копры, позволяющие изменять высоту подъема бабы от 5 до 10 м и имеющие сменные бабы различного веса. На таких копрах можно более полно подбирать условия ударных испытаний пружин.
Решение задачи повышения выносливости пружин связано с их многочисленными испытаниями. Как показали опыты, одинаковой выносливости пружин на испытательных установках и в рабочих условиях можно добиться лишь в случае воспроизведения у испытываемых пружин напряжений, соответствующих по характеру и величине тем, которые возникают в пружине при ее работе. Это условие до настоящего времени выполнялось точным копированием на испытательных установках закона нагружения, имеющего место в рабочих машинах. В остальных случаях в испытательных установках создавали приближенный закон нагружения; вследствие этого выносливость испытываемых на них пружин значительно отличалась от выносливости тех же пружин в работе.
Характерная особенность машины [3] для испытания на выносливость цилиндрических пружин с широким диапазоном геометрических и силовых параметров заключается в том, что на ней можно обеспечить такой закон нагружения, при котором напряжения в испытываемой пружине соответствуют по характеру и по величине возникающим в этой пружине при ее эксплуатации. Вследствие того, что на установке такие напряжения воспроизводятся не точным копированием закона нагружения, а приближенным, машину удалось сделать универсальной, позволяющей определять выносливость пружин с широким диапазоном характеристик.
В настоящее время единственно надежным средством определения усталостной прочности пружин, работающих с высокими скоростями сжатия, является экспериментальное определение ограниченной выносливости, а также пределов выносливости при разной асимметрии нагружений.
Вопросы анализа работоспособности и испытаний пружин вследствие недостаточности или труднодоступности новой информации по ним, на сегодняшний день носят актуальный характер. Таким образом, существует необходимость разработки новых конструкций стендов для испытаний пружин на усталостную прочность, позволяющих более точно моделировать их нагружение в естественных условиях.
Литература
1. Лузгин Н.П. Изготовление пружин. Учебное пособие для индивидуальной и бригадной подготовки пружинщиков на производстве. М., Высшая школа, 1968.— 200 с., ил.
2. Механизация испытания спиральных пружин. М.: ЦБТИ автомобильной промышленности, 1958.
3. Остроумов В.П. Производство винтовых цилиндрических пружин. М.: Машиностроение, 1970.
4. Патент №457002 СССР МКИ G01M17/04. Стенд для испытания упругих элементов подвески/Ш.Я. Коган, А.М. Рязанов (СССР) 1647347/27-11 заявлено 05.04.71, опубликовано 26.02.75, бюллетень №2.
5. Патент №579473 СССР МКИ F16F1/04. Винтовая пружина/Э.А. Ган, Т.И. Махнович, С.С. Дмитриченко, А.И. Демидов (СССР) 2192310/25-28 заявлено 24.11.75, опубликовано 27.11.77, бюллетень №43.
6. Патент №2020457 РФ МКИ G01N3/32. Устройство В.Г. Вохмянина для испытания витых пружин на коррозионно-усталостную прочность при пульсирующих нагрузках/Вохмянин В.Г. (РФ) 5029267/28 заявлено 25.02.92, опубликовано 30.09.94, бюллетень 27/2000.
7. Цесарский Б.И. Приспособления для изготовления витых пружин. М., Машиностроение, 1968.—96с.
