Evaluation of durability of welded joints of agricultural machinery metal structures based on accelerated testing

Full Text

Одним из основных несущих элементов сельхозтехники служат рамы, представляющие собой сварные металлоконструкции балочного типа. В процессе эксплуатации они испытывают циклические нагрузки, воспринимаемые элементами рамы и ее сварными соединениями. Обобщенный анализ причин разрушения рам выявил довольно широкий спектр факторов, влияющих на их эксплуатационную надежность. Основными причинами отказов сельхозтехники считаются недостаточное качество выполнения сварочных работ и несовершенные нормативы дефектности швов, применяемые при изготовлении или ремонте сварных конструкций. При этом целесообразным считается повышение запаса усталостной прочности сварных конструкций и снижение негативного влияния конструкционных концентраторов и технологических несовершенств. Долговечность сварных металлоконструкций сельхозтехники неразрывно связана с рациональным выбором конструкционных параметров их сварных соединений, обеспечивающих более высокий уровень усталостной прочности металлоконструкций. Решение данной проблемы невозможно без создания расчетных методов, которые позволили бы оценить усталостную прочность основных типов сварных соединений, применяемых при создании металлоконструкций сельхозтехники. При этом в зависимости от типа сварных соединений (стыковые, тавровые и др.) необходимо определить оптимальное сочетание конструкционных и геометрических параметров угловых и стыковых швов, обеспечивающее их наибольшую несущую способность при переменном характере нагружения. Проблема в данной постановке рассматривалась разными авторами [1, 2], однако успешное решение до сих пор не найдено. Существующие подходы по оценке усталостной прочности сварных металлоконструкций [3], как правило, базируются на расчетах по допускаемым напряжениям [ ], отвечающим случаю циклического нагружения: , (1) где n - коэффициент запаса прочности, n = 1,3...1,6; - параметр асимметрии цикла нагружения; , - минимальные и максимальные напряжения в пределах цикла нагружения с учетом их знака; Kэ - эффективный коэффициент концентрации напряжений. , (2) где , - соответственно минимальный предел выносливости металлов сварного соединения (шва, зоны термического влияния) и сварного соединения с учетом несовершенства его геометрической формы. Основные трудности, возникающие при использовании данного подхода, вызваны большим колебанием абсолютных значений предела выносливости сварных соединений . Это связано с целым рядом причин - разнообразием геометрических форм и большим количеством геометрических параметров сварных соединений. Учет влияния такого разнообразия и сочетания взаимосвязанных факторов на предел выносливости многочисленных типов сварных соединений экспериментальным путем, как правило, не представляется возможным, а расчетные подходы, позволяющие решить рассматриваемую задачу, в недостаточной мере проработаны. Величина Kэ, характеризующая выносливость сварных соединений в условиях циклического нагружения, зависит от значения коэффициента концентрации напряжений , определяющего величину локальных максимальных напряжений в наиболее нагруженной зоне металлоконструкции по сравнению с уровнем номинальных напряжений sном. В общем виде эта взаимосвязь представлена выражением [4]: , (3) где - коэффициент чувствительности сварного соединения к концентрации напряжений, зависящий от величины Ks, предела прочности материала σв и ряда других факторов. В результате исследований, выполненных на основе обработки большого объема экспериментальных данных, приведенных в работе [5], получено соотношение, которое позволяет расчетным путем определить величину коэффициента чувствительности сварных соединений к концентрации напряжений с учетом перечисленных факторов: , (4) где - предел прочности металла шва (зоны термического влияния); - нормирующий параметр, = 400 МПа. С учетом соотношений (3) и (4) выражение для определения эффективного коэффициента концентрации напряжений имеет вид: . (5) Данное соотношение позволяет установить влияние конструкционных и геометрических параметров сварных соединений на усталостную прочность сварных металлоконструкций. В качестве примера рассмотрим влияние геометрии стыковых и тавровых сварных соединений, выполненных с полным проплавлением стенки (рис. 1), на выносливость металлоконструкций в условиях циклического нагружения. Для рассматриваемых сварных соединений с учетом соотношений, приведенных в работе [6], в целях оценки величины коэффициента концентрации напряжений Ks в зонах перехода от шва к основному металлу сварного соединения (в точках А и А¢) предложены следующие выражения для определения величины эффективного коэффициента концентрации напряжений Kэ: стыковое соединение , (6) тавровое соединение , (7) где - относительная величина усиления шва; - относительная ширина стыкового шва; - относительный радиус перехода от шва к основному металлу; - относительный катет у основания углового шва; α - угол наклона лобовой грани углового шва; c, b, r, d - геометрические параметры сварного соединения; k - катет у основания углового шва (см. рис. 1). Соотношения (6) и (7) позволяют определить искомые значения эффективного коэффициента концентрации напряжений Kэ в зонах перехода от шва к основному металлу (точках А и А¢ на рис. 1) - очагах предполагаемого усталостного разрушения. Не менее важная задача - экспериментальное определение предела выносливости металла сварного соединения (шва, зоны термического влияния). Величина зависит от степени перемешивания основного и присадочного материалов в процессе сварки, режимов сварки и других факторов, трудно учитываемых в инженерных расчетах. В данной работе предлагается методика расчетного определения предела выносливости, базирующаяся на результатах ускоренных испытаний образцов с надрезом. В основу этого подхода положен пересчет значений предела выносливости, полученных при испытании образцов с концентратором , в значения предела выносливости материала , отвечающие стандартным испытаниям на выносливость. Пересчет может быть осуществлен с использованием эффективных коэффициентов концентрации напряжений . Использование данного подхода возможно, когда заранее известны значения Kэ для рассматриваемого случая. Они могут быть предварительно определены путем пересчета по известным значениям коэффициентов концентрации напряжений Ks, полученных при решении соответствующих задач теории упругости или экспериментальным путем, на основе зависимости между Kэ и Ks в виде (5). Значения Ks в образцах, используемых при ускоренных испытаниях, могут быть рассчитаны по известным методикам для различных типов концентраторов, имеющих сложную геометрическую форму, и схем нагружения. Так, например, для схемы изгиба консольно закрепленного плоского образца сечением b´t, имеющего щелевой концентратор глубиной l с радиусом в вершине ρ (рис. 2), величина коэффициента концентрации Ks может быть определена с использованием подхода, предложенного в [7]. С учетом соотношений для оценки коэффициента интенсивности напряжений KI для рассматриваемого случая нагружения, приведенных в [8], . (8) С использованием предложенного подхода по значениям , полученным в процессе ускоренных испытаний, и известным значениям Kэ, определенным путем пересчета из полученных значений Ks, можно найти действительные значения предела выносливости s-1 соответствующего металла сварного соединения: . (9) Данная процедура пересчета может быть представлена в виде номограммы (рис. 3). Стрелкой показан алгоритм пересчета результатов ускоренных испытаний на выносливость с учетом основных геометрических размеров образца с концентратором l / t, ρ / t и свойств материала .

About the authors

V. V Yerofeyev

Chelyabinsk State Agroengineering Academy

Email: ervv52@mail.ru

A. G Ignatyev

Chelyabinsk State Agroengineering Academy

R. G Sharafiyev

Ufa State Petroleum Technological University

References

Supplementary files