Методы обеспечения сопротивления усталости

В случае невыполнения условий сопротивления устало­сти необходимо предпринять конструктивные или технологические мероприятия, направленные на снижение нагруженности расчетного узла или повышение его устало­стных характеристик.

Конструктивные методы повышения долговечности эле­ментов конструкций. Конструктивные методы в основном направлены на снижение концентрации напряжений в рас­четной зоне и уменьшение размаха действующих напряже­ний. Наиболее значительные концентраторы напряжений (монтажные соединения, присоединение вспомогательных элементов и др.) рекомендуется по возможности перемещать в менее нагруженные сечения. Для машин, эксплуатируе­мых в условиях интенсивных переменных нагрузок, не ре­комендуется использовать узлы, отнесенные к группам выше 7-й. В частности, не желательно использовать фер­менные конструкции, узлы которых относятся к группам 8 -10, предпочитая листовые конструкции, в основном при­надлежащие к группам 6-8 (см. табл. 10.3). Если же необ­ходимо использовать именно ферменную конструкцию, то следует принимать меры по снижению концентрации на­пряжений в узлах (см. рис. 7.3, в, г) и производить расчет­ную проверку долговечности с учетом конструктивно-тех­нологических особенностей фермы (п. 14.3.3). Рекоменда­ции по снижению концентрации напряжений в сварных узлах даны в п. 7.3, 13.4, 13.6, 14.1, 15.1 и 16.1.

Большого внимания требуют сопряжения балок в рам­ных конструкциях, так как в углах рам, во-первых, воз­никают большие изгибающие моменты от перекоса рамы, а во-вторых, имеет место значительная концентрация на­пряжений. Для уменьшения моментов целесообразно там, где это возможно, ставить раскосы (см. рис. 8.2).

Уменьшения действующих напряжений можно добить­ся увеличением сечения элемента конструкции, что при­водит также к увеличению его массы. Можно использо­вать несимметричные сечения балок с более мощным растянутым поясом. Эффективным методом снижения раз­маха действующих напряжений является снижение дина­мических нагрузок путем совершенствования приводов и систем управления.

Технологические методы обеспечения сопротивления усталости. Наиболее рациональным технологическим приемом обеспечения долговечности конструкции является ее качественное изготовление (п. 15.1.1). Дефекты сварных соединений существенно снижают долговечность.

При необходимости сопротивление усталости можно повысить специальными технологическими методами, ко­торые весьма эффективны, но, естественно, удорожают конструкцию.

Механические методы. Механическая обработка швов наждачным кругом или фрезой обеспечивает снижение концентрации напряжений и остаточных сварочных напряжений. Она наиболее эффективна для по­вышения сопротивления усталости поперечных лобовых, тавровых и стыковых соединений (рис. 10.15, а, в). Их пределы выносливости повышаются при этом на 20-80 %. Однако в соединениях с грубыми дефектами эта операция будет бесполезна или даже вредна (рис. 10.15, б, г).

Поверхностно-пластическая обработка (ППД) сварных швов производится путем дробеструйной обработки или многобойковым пневматическим инструментом, которые создают пластическую деформацию металла на глубину 0,5- 3 мм. В результате этого в поверхностном слое возникают наклеп и сжимающие остаточные напряжения, несколько снижается концентрация напряжений. ППД приводит к повышению пределов выносливости поперечных свар-

Рис. 10.15. Примеры механической обработки швов: а — обработка с удалением подреза; б— обработка дефектного шва; ви г — обработ­ка лобовых швов; 1 — исходный контур шва; 2 — контур после обработки; 3 — непровар; 4 — поры

ных соединений при нагружении с коэффициентами асим­метрии на 30-70 %.

Термические методы. Для снижения остаточных сварочных напряжений используют отпуск кон­струкций, который осуществляют путем нагрева до темпе­ратуры 580-680 °С, выдержки в течение 20-60 мин в зависимости от толщины элементов и контролируемого охлаждения. В результате этого значительно снижаются остаточные напряжения, что приводит к повышению пределов выносливости при знакопеременных циклах нагружения на 15-30 %, но не дает положительного эффекта при нагружении конструкции с коэффициентом асимметрии R> 0. Кроме того, отпуск способствует уменьшению деформации конструкции при последующей механической обработке (фрезеровке фланцев, расточке отверстий и пр.), повышает пластичность стали и сопротивление хрупкому разрушению. Проведение отпуска в целях повышения долговечности может быть целесообразно для толстостенных конструкций (с толщинами более 30-40 мм), с высоким уровнем концентрации напряжений, работающих в условиях низких температур и знакопеременного нагружения.

Используют также оплавление зоны перехода от сварного шва к поверхности основного элемента с помощью неплавящегося вольфрамового электрода в среде аргона. Это приводит к повышению пределов выносливости на 35- 45 % за счет формирования плавного перехода, снижа­ющего концентрацию напряжений, и улучшения структуры металла в зоне концентрации напряжений.

Локальные методы повышения сопротивления усталости (механические методы и оплавление) экономически целесообразно использовать в тех зонах, которые находятся в области действия высоких переменных напряжений от внешних нагрузок и являются потенциальными очагами усталостных повреждений. Для некачественных сварных соединений с внутренними дефектами никакие методы не дадут положительного эффекта.