Технические науки / Металлургия

 

к.т.н. Мальцев А. А.

МГТУ им Н.Э. Баумана, Россия

Оценка циклической прочности вала шпинделя

стана дуо-160

 

Из всех видов повреждений усталостное разрушение вызывает 80…90% всех внезапных поломок деталей машин, поэтому как на стадии проектирования, так и при эксплуатации  прокатного стана, решается задача прогнозирования циклической прочности его деталей [1, 2, 3].

В качестве примера рассмотрен производственный прокатный стан дуо-160, расположенный в лаборатории и настроенный на прокатку «легких» заготовок (рис.1).

На стане дуо-160 установлены два одинаковых универсальных шпинделя, вал шпинделя имеет сплошное круглое поперечное сечение (рис. 2, а)   Материал — сталь 45.

Размеры шпинделя следующие: диаметр по шарниру шпинделя D = 90 мм;  диаметр вала шпинделя d = 60 мм; радиус галтели  r = 8 мм.

 Универсальный шпиндель имеет несколько опасных сечений, дана оценка циклической прочности по наиболее опасному из них (рис.2, г).

Предел выносливости шпинделя (см. рис.4) в опасном сечении определен по формуле

,

где t –1 — предел выносливости при знакопеременном кручении для стали 45; L  — периметр опасного сечения шпинделя; n — коэффициент чувствительности к концентрации напряжений и масштабному фактору для стали 45;  bмех — коэффициент качества механической обработки поверхности шпинделя;  bупр — коэффициент упрочнения поверхности шпинделя. 

Теоретический коэффициент концентрации касательных напряжений at найден по номограмме (рис.2, д).

Градиент напряжений характеризует скорость убывания напряжений по мере удаления от места  концентрации, он рассчитан по формуле

.

На осциллограммах, полученных при прокатке заготовок на стане дуо-160, видно, что в опасном сечении вала наиболее нагруженного верхнего шпинделя возникают асимметричные напряжения. Каждая прокатываемая заготовка вызывает только один пульсационный цикл нагружения с амплитудой  (рис. 3, а).

Рис. 3. Пульсационный (а) и симметричный (б) циклы нагружения

 

Все пульсационные циклы приведены к симметричным циклам (рис.3, б)  по формуле

tпр = ta + yt tm,

где  yt = 0,05 — коэффициент чувствительности углеродистой стали 45 к асимметрии цикла.

Как оказалось, все приведенные напряжения tпр, возникающие в опасном сечении вала наиболее нагруженного шпинделя, значительно меньше предела выносливости шпинделя в этом сечении, следовательно шпиндель не выйдет из строя по причине усталости при проведении лабораторных работ.

 

Литература

1. Мальцев А.А. Прогнозирование циклической выносливости деталей прокатных станов. — Lambert Academic Publishing, Германия. 2013. — 64с.

2. Мальцев А.А. Математическое моделирование и мониторинг остаточного ресурса прокатных станов // Металлургия ХХI века.  Сборник трудов 3-й международной конференции молодых специалистов. — М.: ВНИИМЕТМАШ им. акад. А.И. Целикова, 2007. — С.389 – 398.

3. Яковлев Р.А. Усталостная прочность и долговечность деталей прокатных станов. Учебное пособие.  М.: МГТУ, 2000. – 44с.