Расчет на сопротивление усталости

Расчет на сопротивление усталости является провероч­ным и выполняется по РЗ-1, т. е. по узлам, распо­ложенным в наиболее нагруженных основных сечениях. Этот расчет целесообразно начинать с проверки на неогра­ниченную долговечность, которая проще и требует мень­шего объема исходной информации. В случае отрицатель­ного результата этой проверки необходимо выполнить уточненный расчет РЗ-1 на ограниченную долговечность. Если и это условие не будет выполнено, необходимо изме­нить конструкцию узла или параметры сечения балки или принять технологические меры, обеспечивающие повыше­ние сопротивления усталости: высокое качество изготовления сварных и болтовых соединений, механическая и термическая обработка сварных швов. После введе­ния изменений в конструктивно-технологическое решение проводится повторный расчет на сопротивление усталос­ти. Эти операции следует выполнить для всех наиболее нагруженных РЗ-1.

Рис. 11.5.Схемы конструкций с указаниями основных сечений (А — А)

и расчетных зон первого и второго типов (РЗ-1, РЗ-2)

Если повторный расчет подтвердил достаточную долго­вечность конструкции, выполняется проверка долговечно­сти узлов местного нагружения (РЗ-2), представляющие собой сварные узлы, для которых уровень действующих напряжений и/или число циклов нагружения не пропорциональны весу груза и числу циклов работы крана. Это узлы, воспринимающие нагрузки от ходовых колес, узлы крепления кронштейнов, поддерживающих галереи или механизмы передвижения мостовых кранов и т.п. (см. рис. 11.5, а – е). Следует иметь в виду, что выполнение условия неограниченной долговеч­ности для основных сечений (РЗ-1) не дает основания счи­тать, что обеспечена долговечность и узлов местного на­гружения. Необходимость проверки сопротивления уста­лости того или иного узла определяется на основании опы­та эксплуатации подобных конструкций и анализа напря­женного состояния наиболее нагруженных узлов. В случае отрицательного результата расчета какой-либо РЗ-2 тре­буется провести изменение конструкции или технологии изготовления рассчитываемого узла. B большинстве случаев поле напряжений в районе РЗ-2 существенно нелинейно, что затрудняет применение тех­нической теории изгиба балок, а процесс нагружения неиз­вестен. В связи с этим обычно удается выполнить только сравнительную оценку их долговечности. Появление уста­лостных трещин в РЗ-2, как правило, не приводит к значи­тельным авариям, так как развитие этих повреждений идет сравнительно медленно, и при правильной эксплуатации они могут быть своевременно обнаружены и устранены. Малая долговечность узлов, содержащих РЗ-2, обычно свя­зана с ошибками при проектировании и низким качеством изготовления конструкции.

Основной расчет на сопротивление усталости выполня­ется по РЗ-1, далее в процессе конструкторской доработки проекта выполняются расчеты по РЗ-2.

2.3.1. Выбор РЗ-1 и определение расчетных параметров

На основании расчета, опыта конструирования или экс­плуатации выбираются основные сечения, в которых дей­ствуют высокие, существенно изменяющиеся в процессе работы машины номинальные напряжения. Далее в этих сечениях, в области действия максимальных (или близких к максимальным) растягивающих напряжений выбира­ются узлы, создающие наибольшую концентрацию напря­жений (места приварки ребер, кронштейнов, накладок или фланцев, болтовые соединения и пр., рис. 11.6). Зоны кон­центрации напряжений в этих узлах и называются рас­четными зонами первого типа (РЗ-1).

Предел выносливости РЗ (σ_-1К) при симметричном цикле на базе N₀ = 2∙10⁶ циклов нагружения определяется с использованием данных, приведенных в табл. 11.1 и 11.2 [1]. Расчет на сопротивление усталости сварных соединений с угловыми швами по сечению шва производится по касательным напряжениям. Предел выносливости по касательным напряжениям (τ_-1К), при этом, принимают равным τ_-1К=43 МПа, поэтому в таблице 11.2 для таких случаев указана группа концентраторов 7 по табл.11.1.

Рис. 11.6. Примеры идентификации базовых концентраторов в сварных конструкциях (цифрами указаны номера по табл. 12.2).

Учитывая, что вариации геометрических размеров и наличие до­пустимых дефектов могут существенно повлиять на долго­вечность сварного узла, в системе, предложенной в табл. 11.1 и 11.2, введены три категории качества:

- первая категория {QL)— сварные узлы пониженного ка­чества. К этой категории относятся узлы, выполненные каче­ственными сварочными материалами, без недопустимых де­фектов, с выходом стыковых швов на выводные планки» од­нако имеющие предельно допустимую выпуклую форму свар­ных швов, с подрезами и смещениями кромок допустимой величины, сваренные без зачистки поверхности проката от окалины в зоне наложения шва. Контроль качества этих со­единений производится путем визуального осмотра.

Вторая категория (QN) — качественные сварные узлы. В эту группу входят сварные узлы с мелкочешуйчатой по­верхностью сварных швов, имеющих слабо выпуклую, прямую или вогнутую (для угловых швов) форму, без подрезов и смещений кромок. Окончания продольных угловых швов (например, окончание продольного ребра) выполнены с об­варкой вокруг торца привариваемого элемента без отрыва электрода. Сварные швы наложены на зачищенную от ока­лины поверхность проката, отсутствие внутренних дефек­тов подтверждено дефектоскопическим контролем или пу­тем регулярного тестирования технологии сварки.

Третья категория (QH)— высококачественные сварные узлы. В эту группу входят сварные узлы, удовлетворяю­щие требованиям категории QN, после сварки подвергну­тые дополнительной технологической обработке, направ­ленной на повышение сопротивления усталости, например, механической, поверхностно-пластической или аргонно-ду­говой.

Таблица 11.1.

Таблица 11.2.

продолжение табл. 11.2.

продолжение табл. 11.2.

продолжение табл. 11.2.

продолжение табл. 11.2.

12.3.2. Расчет на неограниченную долговечность

В большинстве случаев расчет на сопротивление усталос­ти проводится по нормальным напряжениям. В отдельных случаях, когда в сечении действуют большие касательные на­пряжения или рассчитывается сварное соединение с угловы­ми швами (например, поясной шов вблизи опоры), в условии сопротивления усталости учитываются и нормальные и ка­сательные напряжения. Приведенные напряжения вычисля­ются следующим образом:

σ_ef = 0,5(1-R)σ_max = 0,5(σ_max - σ_min);

(11.18).

Условия неограниченной долговечности на базе N_* = 5∙10⁶ цик­лов имеют вид [1]:

при расчете в СРДН

(11.19)

или с учетом касательных напряжений, принимая m = m_τ = 3,5:

(11.20)

при расчете в СПРС

(11.21)

или с учетом касательных напряжений

(11.22)

Значение коэффициента надежности γ_n - табличное, принима­ется в зависимости от назначения конструкции или ее элемента; при этом следует считать, что поврежде­ния узлов, отнесенных к группе РЗ-1, влекут за собой значи­тельные последствия, а РЗ-2 — незначительные. Коэффици­ент γ_d в данном случае учитывает неточность моделирова­ния процессов нагружения и накопления циклического повреждения, γ_d = 0,75…0,85. Коэффициент γ_m = 0,9…0,95, меньшее значение — для РЗ-2 и узлов, существенно отли­чающихся от базовых типов (см. табл. 11.2).

Если условие неограниченной долговечности выполне­но, то нет необходимости проводить дальнейшую проверку на сопротивление усталости при ограниченном числе цик­лов нагружения. Если же это условие не выполнено, это не означает, что конструкция имеет недостаточную долговеч­ность, так как реальное число циклов нагружения, как пра­вило, оказывается меньше базового N_* = 5∙10⁶ циклов. В этом случае следует проводить расчет на сопротивление усталости с учетом фактического числа циклов работы крана.

2.3.3. Расчет на ограниченную долговечность

Расчет на ограниченную долговечность ведется по формуле (11.11) с учетом формулы (11.6):

, (11.23)

где ,

-предел выносливости узла с концентратором при симметричном цикле; для сварного узла ;

k_t – коэффициент влияния толщины основного элемента сварного узла:

;

t – толщина элемента, по которому происходит разрушение; t₀ = 20 мм – const;

- базовый предел выносливости (табл. 12.1);

- предел выносливости узла с концентратором при значении коэффициента асимметрии R;

;

- коэффициент чувствительности металла к асимметрии цикла (см. 11.4); данное неравенство означает, что при получении больше предела текучести его следует принимать равным пределу текучести.

Эквивалентное число циклов определяют по формуле:

, (11.24)

где - см. п.11.2.

Проверка на ограниченную долговечность производится по формулам:

- при расчете в СРДН

в тех сечениях, где действуют значительные касательные напряжения, условие сопротивления усталости запишется в виде

, (11.15)

где n – коэффициент запаса, n=1,4; - конструктивный коэффициент, =1,0…1,2;

- при расчете в СРПС

;

(11.26)