Инструкция Оглавление 140 Прибор для испытания усталости материалов WP

Инструкция
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
Инструкции по испытанию
Издание №: 912. 000 00A 140 12 07/93
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
Оглавление
1 Введение....................................... 1
2 Функции и расположение(назначение и компоновка)...................2
3 Теория.......................................... 4
3.1 Знакопеременное циклическое напряжение................................... 5
3.2 Приложение нагрузки к образцу.................................... 5
3.3 Усталостная прочность при полной инверсии напряжения................ 6
3.4 Предел выносливости(усталости)............................................ 6
3.5 Износостойкость(усталостная прочность )............................................. 7
3.6 Диаграмма Напряжение-количество циклов нагрузки................................... 7
4 Эксперименты...................................... 8
4.1 Ввод в действие и тестовый прогон............................... 8
4.2 Выполнение эксперимента................................ 10
4.2.1 Вставить испытательный стержень................................ 10
4.2.2 Начать эксперимент.............................. 11
4.2.3 Закончить эксперимент.......................... 12
4.3 Оценка эксперимента.............................. 12
4.3.1 Влияние различных радиусов искривления и
качества обработанной поверхности................................. 12
4.3.2 Создание диаграммы Напряжение-количество циклов нагрузки.................. 13
5. Приложение....................................... 15
5.1 Рабочая таблица, диаграмма Напряжение-количество циклов
нагрузки........................ 15
5.2 Технические спецификации.................................. 16
5.3 Испытательные стержни............................................. 17
5.4 Индекс................................................ 18
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
1 Введение
С помощью этого прибора возможно демонстрировать основные правила
испытания усталостной прочности, включая создание диаграммы Напряжениеколичество циклов нагрузки.
Образец подвергается чистому знакопеременному изгибающему усилию в
машине.
Через различные формы образца возможно показать влияние надреза (канавки)
и влияние качества обработанной поверхности на усталостную прочность.
1
Амплитуда знакопеременного напряжения является бесконечно регулируемой.
Машина выключается автоматически, если образец разрывается. Количество
циклов нагрузки отображается через цифровой счетчик.
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
2 Функции и расположение (назначение и компоновка)
Во вращающей машине для испытания на усталость вращающийся образец,
который зажат с одной стороны, нагружается концентрированной силой. В
результате в цилиндрическом образце создается знакопеременное изгибающее
усилие. Через определенное количество циклов нагрузки образец разрушится в
результате усталости материала.
Вращающая машина для испытания на усталость в основном состоит из
- Шпинделя с гнездом для образца (1)
- Приводного двигателя (2)
- Нагрузочного устройства (3)
- Распределительной коробки с электрическим управлением и счетчика (4)
- Защитного кожуха (8)
Шпиндель установлен на двух роликовых опорах качения(подшипниках качения),
расположенных на расстоянии. Шпиндель приводится в движение плавным ходом
асинхронного двигателя со скоростью приблизительно 2880 об/мин.
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
Испытательный стержень (7) зажат в шпинделе с одной стороны цанговым
патроном (5) и направляется с другой стороны в плавающем подшипнике (6).
Нагрузка образца выполняется, используя пружинные весы (9) и плавающий
подшипник (6). Создание предварительного напряжения в пружинных весах и
следовательно регулирование нагрузки выполняется через снабженный резьбой
шпиндель с помощью ручного колеса(10). Установленная нагрузка может быть
прочитана на шкале пружинных весов. Цифровой, 8-значный счетчик (11)
регистрирует количество циклов нагрузки. Счетчик может также быть переключен
на измерение частоты вращения. Скорость вращения тогда показана в
оборотах /минуту. Импульсы на счетчик поступают от индуктивного
безконтактного датчика (12) на соединительной муфте двигателя. Если образец
разрывается(разрушается), то двигатель и счетчик останавливаются
автоматически через выключатель останова (16). Главный выключатель (13),
аварийный выключатель (14), выключатель управления двигателя(15) и счетчик
(11) размещены в распределительной коробке (4).
2
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
3 Теория
Колебательные (вибрационные) напряжения являются более опасными для
структурных частей и узлов, чем статическая сила, приложенная однократно. В
случае частого повторения статической нагрузки, которая является сама по себе
допустимой, часть машины может разрушиться в результате усталости
материала. Поскольку количество циклов нагрузки увеличивается, то
допустимый уровень напряжения снижается. Даже напряжения, которые ниже
критической точки материала в упругой зоне, могут привести к незначительным
пластическим деформациям в результате локальных пиковых напряжений внутри
детали. Этот эффект постепенно разрушает материал из-за постоянного
повторения и в конечном счете приводит к разрыву(разрушению). Абсолютное
количество циклов нагрузки - более решающий фактор для разрушения, чем
частота.
С помощью WP140 вращающей машины для испытания на усталость, возможно
контролировать усталостную прочность при знакопеременных изгибающих
напряжениях.
Через различные радиусы искривления и степени шероховатости поверхности
используемого образца также возможно исследовать влияние надреза (канавки)
на усталостную прочность.
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
3.1 Знакопеременное циклическое напряжение
Циклическое напряжение составляется из постоянной части, среднее
напряжение _m , вызванное начальной нагрузкой, и из наложенной(совмещенной)
циклической части с амплитудой знакопеременного напряжения _a.
Наибольшее возникающее напряжение называют максимальным напряжением
_o _ _m _ _a, и наименьшее напряжение называют минимальным напряжением _u
_ _m _ _a.
Три амплитуды отличают в знакопеременном циклическом напряжении:
- Амплитуда пульсирующих напряжений (растягивающая сила) Среднее
напряжение больше, чем амплитуда знакопеременного напряжения _m _ _a
- Амплитуда знакопеременных напряжений
Среднее напряжение является в общем меньше, чем амплитуда
знакопеременного напряжения | _m | _ _a
- Амплитуда пульсирующих напряжений (сжатие)
Среднее напряжение меньше, чем отрицательная амплитуда знакопеременного
напряжения _m _ __ _a_
3
3.2 Нагрузка образца
Нагрузка образца соответствует зажатому изогнутому стержню под
концентрированной силой F. Это вызывает треугольный изгибающий момент
Мb в образце. Поскольку изгибающий момент фиксируется, но образец
вращается, то он нагружается знакопеременным, синусоидальным изгибающим
усилием. Самое высокое изгибающее усилие происходит на кромке(плече)
образца.
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
Это - чистое знакопеременное изгибающее усилие без среднего напряжения. По
этой причине, возможно определить только усталостную прочность при полной
перемене знака напряжения _W с помощью вращающей машины для испытания
на усталость. Это представляет особый случай усталостной прочности _D.
Изгибающий момент рассчитывается с нагрузкой и плечом рычага следующим
образом:
Мb _ F _ a
Используя момент сопротивления сечения образца Wb _
_ d 3 32, возможно
вычислить амплитуду знакопеременного напряжения.
_a _
Мb
Wb
_
32 a
d3 _ F _
32 _ 100.5 мм
_ 8 3mm 3 _ F
_a _ 2.0 _1/mm 2
_F
3.3 Усталостная прочность при полной перемене знака напряжения
Усталостная прочность при полной перемене знака напряжения _W это сила, при
которой материал не разрушается даже после N _ 10 _ 106 циклов нагрузки
(сталь). Можно предположить, что разрушение в результате усталости материала
больше не будет происходить, и износостойкость является бесконечной.
3.4 Предел выносливости
Напряжения, при которых материал терпит разрушается ниже предела цикла
нагрузки 10 _ 106, называют пределом выносливости. Соответствующее
количество циклов нагрузки N до разрушения следует показать в скобках,
например _W _5_105 _ _ 220 Н/мм2.
4
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
3.5 Износостойкость
Износостойкость относится к количеству циклов нагрузки N до разрушения при
определенной нагрузке. Величина нагрузки согласно среднему напряжению и
амплитуде знакопеременного напряжения дается в скобках, например. N __ 50 _100_
_ 2.6 _ 105
3.6 Диаграмма Напряжение-количество
Диаграмма Напряжение-количество (S-N диаграмма) изображает
соотношение(корреляцию) между количеством циклов нагрузки до разрыва и
соответствующим рабочим напряжением в форме графика. Это ясно показывает,
что, поскольку количество циклов нагрузки увеличивается , допустимая нагрузка
асимптотически приближается к усталостной прочности _w.
При построении кривой Напряжение-количество, важно, что со знакопеременным
напряжением, средним напряжением или с пульсирующим напряжением,
отношение максимального или минимального напряжения к среднему напряжению
сохраняется постоянным для различных нагрузок.
Поскольку среднее напряжение является нулевым во вращающей машине для
испытания на усталость, то это условие автоматически выполняется.
Амплитуда знакопеременного напряжения 102 103 104 105 106 107
Количество циклов нагрузки N (логарифмический)
График Напряжение-количество для двух различных материалов _a_w 0
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
4 Эксперименты
4.1 Ввод в действие и тестовый прогон
Следующие проверки должны быть сделаны перед выполнением экспериментов
- Установить вращающую машину для испытания на усталость и соединить с
источником питания{электропитанием}
- Снять защитный кожух (разблокировать крепления, вращая кнопки(рукоятки)
налево)
- Разгрузить нагрузочное устройство , используя ручное колесо (переместите
плавающий подшипник вниз до основания)
- Удалить любые образцы, которые могут быть установлены
- Слегка закрутить соединительную гайку на цанговом патроне
- Установить защитный кожух и замок со всеми четырьмя кнопками
5
ОПАСНОСТЬ!
Никогда не используйте вращающую машину для испытания на усталость без
защитного ограждения! Части образца могут отлететь, когда он разрушается.
Вращающиеся части машины должны быть защищены против случайного
контакта. Кнопки
ОПАСНОСТЬ!
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
- Проверить отпущен ли АВАРИЙНЫЙ выключатель (14) (вынут)
- Включить машину, используя главный выключатель (13)
- Вновь установить счетчик (11) , используя кнопку RST. Счетчик должен
показывать ноль
- Запустить двигатель, используя выключатель управления двигателя (15)
- Проверить работает ли шпиндель плавно и правильно
- Проверить считает ли счетчик правильно (приблизительно 2800 циклов нагрузки
в минуту).
Возможно показать на экране скорость вращения в ОБОРОТАХ В МИНУТУ,
переключив кнопкой SEL .
- Проверить функционирует ли автоматическое устройство останова .
Чтобы сделать это, поднимите плавающий подшипник на нагрузочном
устройстве , вращая ручное колесо. Двигатель должен тогда быть остановлен
выключателем остановки (16).Как только безопасное функционирование всех
компонентов налажено, можно начинать эксперименты .
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
4.2 Выполнение эксперимента
4.2.1 Вставить испытательный стержень
- Разгрузить нагрузочное устройство, используя ручное колесо (плавающий
подшипник должен быть на высоте шпинделя)
- Сначала вставить испытательный стержень в плавающий подшипник
нагрузочного устройства
- Затем вставить испытательный стержень в цанговый патрон и
нажать(протолкнуть) до концевого упора
6
- Тщательно затянуть цанговый патрон, используя гаечный ключ SW30:
Соединительная гайка SW21: Устойчивый шпиндель
- Проверить соосность образца , вращая шпиндель вручную (правильно посажен в
цанговый патрон, образец не деформирован)
ВАЖНО!
Убедитесь, что образец прочно установлен в цанговом патроне. Гнездо образца
должно быть чистым
ВАЖНО
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
- Установить защитный кожух и замок с кнопками
ОПАСНОСТЬ!
Никогда не используйте вращающую машину для испытания на усталость без
защитного ограждения.
Части образца могут отлететь и причинить повреждения, когда он разрушается.
Вращающиеся части машины должны быть защищены против случайного
контакта.
4.2.2 Начать эксперимент
- Включить двигатель
- Быстро приложить заданную нагрузку, вращая ручное колесо. Отсчет нагрузки
по шкале на пружинных весах
ВАЖНО!
Никогда не прикладывайте нагрузку на холостом ходу машины, поскольку есть
риск пластической деформации и неправильной работы. Доведите нагрузку до
конечного уровня настолько быстро насколько возможно, потому что образец
находится уже под переменной нагрузкой, но циклы нагрузки не могут пока быть
подсчитаны, потому что нагрузка слишком мала.
- Повторно настройте счетчик, используя RST кнопку, чтобы начать отсчет
ВАЖНО - ОПАСНОСТЬ!
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
4.2.3 Окончание эксперимента
- Двигатель останавливается автоматически когда образец разрушается. Снимите
показания циклов нагрузки по счетчику и регистрируйте это количество
- или вручную остановите эксперимент после заданного количества циклов
7
нагрузки (нет разрыва), выключив двигатель.
- Удалите образец. Продолжайте таким же образом когда вставляете
испытательный стержнь.
ОПАСНОСТЬ!
Риск ожогов! Образец может быть очень горячим сразу после эксперимента.
4.3 Оценка эксперимента
4.3.1 Влияние различных радиусов искривления и качества обработанной
поверхности
Испытательные стержни 1 - 3 исследуются. Во всех случаях нагрузка F = 200Н,
соответствующая _a _ 400 Н/мм2.
3 образца каждого типа исследуются.
Испытательные стержни, материал Ck 35
Тип радиуса Искривления r в мм
Шероховатость поверхности Rt в _m
Замечания
1 0.5 4 Малый радиус, гладкая
2 2.0 4 Большой радиус, гладкая
3 2.0 25 Большой радиус, шероховатая
ОПАСНОСТЬ!
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
Следующие количества циклов нагрузки достигаются до разрушения образца:
В результате увеличенного влияния надреза и соответсвующего увеличения
локального напряжения в канавке, износостойкость с малым радиусом
искривления (испытательный стержень 1) значительно ниже, чем с испытательным
стержнем 2.
С идентичным радиусом искривления, образец с более гладкой поверхностью
(испытательный стержень 2) имеет более высокую износостойкость, чем образец
с более шероховатой поверхностью (испытательный стержень 3).
По этой причине, узлы{компоненты}, подверженные знакопеременному
напряжению, типа коленчатых валов, имеют широко округленные канавки с
полированными поверхностями насколько возможно.
4.3.2 Создание диаграммы Напряжение-количество
Этот эксперимент был выполнен с испытательным стержнем 3. Нагрузку
постепенно понижали от одного эксперимента до следующего от максимальной
величины F = 200 Н, соответствующей _a _ 400 Н/мм2. Следует отметить , что
возрастание{приращение}, выбранное в области ожидаемой усталостной
прочности при знакопеременных изгибающих усилиях, не должно быть слишком
большим, потому что иначе эксперимент будет длиться долгое время или не
произойдет никаких разрывов. Если экран счетчика используется на всю его
8
полную информационную емкость (максимально 9.99 x, 107 циклов нагрузки), то
эксперимент может длиться до 593 часов или 24.5 дней!
Количество циклов нагрузки N __ 200_ до разрыва
Тип Образец1 Образец 2 Образец 3 Среднее
1 11300 11300 11700 11433
2 17150 17300 23700 19383
3 14030 12800 16300 14376
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
Напряжение вводится поверх износостойкости в полулогарифмической диаграмме
(рабочая таблица, диаграмма Напряжение-количество 5.1).
Очевидно, что усталостная прочность при полной инверсии напряжения еще не
была достигнута при 240 Н/мм2. Она будет приблизительно 200 Н/мм2. такая
усталостная прочность считается низкой, когда полагают, что материал
испытательных стержней Ck 35 имеет предел прочности Rm = 560 Н/мм2.
Количество циклов нагрузки для испытательного стержня 3 при различных нагрузках
Номер Нагрузка в Н
Напряжение _a в Н/мм2
Износостойкость N Продолжительность, где n=2800 1/минута
1 200 400 14030 5 минут
2 170 340 48800 17 минут
3 150 300 167000 60 минут
4 130 260 455000 2 часа 42 минуты
5 120 240 1280800 7 часа 37 минут
Амплитуда знакопеременного напряжения в Н/мм
2
104 105 106 107
Количество циклов нагрузки N
100
200
300
400
_a 500
0
Диаграмма Напряжение-количество для испытательного стержня 3 , изготовленного из Ck 35
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
5. Приложение
5.1 Рабочая таблица, диаграмма Напряжение-количество
Амплитуда знакопеременного напряжения н/мм
2
104 105 106 107
Количество циклов нагрузки N
100
200
300
400
_a 500
0
9
Диаграмма Напряжение-количество
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
5.2 Технические спецификации
Размеры:
Длина x ширина x высота: 920 x 415 x 560 мм
Вес: 38 кг
Электрический источник питания{электропитание}: 230 В, 50Гц
Дополнительные варианты, см. типовую пластину
Частота вращения двигателя: 2800 об/мин
Мощность : 370 Вт
Нагрузочное устройство
Сила: 0.... 300 Н
Знакопеременное изгибающее усилие в образце: 0.... 600 Н/мм2
Счетчик циклов нагрузки, с 8 цифрами, электронный, может быть переключен на
показ скорости вращения.
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
16
5.3 Испытательные стержни
Испытательные стержни сделаны из отпущенной стали Ck 35, свойства
механической прочности:
Rm = 560 Н/мм2, Rp0.2 = 420 Н/мм2
Испытательный стержень 1
Испытательный стержень 2
Испытательный стержень 3
Оправа(гнездо) 1 x 45 °
Оправа(гнездо) 1 x 45 °
Оправа(гнездо) 1 x 45 °
WP 140 Прибор для испытания усталости материалов
5.4 Индекс
A
Регулировка нагрузки.............................. 11
Знакопеременное циклическое напряжение........................... 5
Амплитуда знакопеременного напряжения....................... 5
B
Изгибающий момент................................ 5
C
Цанговый патрон.................................... 3
Счетчик....................................... 9
Радиус искривления............................... 13
D
Привод......................................... 2
10
E
Электрический источник питания{электропитание}.......................... 16
Аварийный выключатель ............................ 3
Износостойкость..................................... 7
F
Предел выносливости.................................... 6
Усталостная прочность при полной инверсии напряжения....... 6
Усталостная прочность при знакопеременных изгибающих усилиях..... 4
Плавающий подшипник................................ 3
Я
Вставка испытательного стержня............................ 10
L
Счетчик циклов нагрузки........................... 3, 16
Нагрузочное устройство ................................... 16
М.
Главный выключатель.................................. 3
Усталость материала................................. 4
Максимальное напряжение................................ 5
Среднее напряжение.................................... 5
Минимальное напряжение................................. 5
Выключатель управления двигателем............................. 3
N
Влияние надреза(бороздки)................................. 4, 13
P
Защитный кожух................................ 8
Импульсный генератор ................................. 3
R
Амплитуда знакопеременных напряжений...................... 5
Амплитуда пульсирующих напряжений....................... 5
S
Момент сопротивления сечения................................ 6
Пружинные весы................................. 3
Выключатель остановки.................................. 3, 9
Диаграмма Напряжение-количество........................ 7, 13
Шероховатость поверхности.............................. 4
Распределительная коробка..................................... 3
T
Технические спецификации......................... 16
Теория........................................ 4
W
Рабочая таблица, диаграмма Напряжение-количество................ 15
11