.                                                                                        (3)

Таблица 3

Стандартные последовательности экстремумов для случайного испытания и спектры нагружения

Черт. 6

Примечание. Представленные спектры (Е, R и A) имеют объем N_s = 10⁶; /S_σ = ,

где χ = n₀/N_s - коэффициент нерегулярности;

n₀ - число пересечений процессом уровня средней нагрузки.

Для меньшего объема спектра N_s, равного, например, 5 × 10⁵, 10⁵, 10⁴, значения /S_σ уменьшаются. Так, для стандартной последовательности экстремумов С9 при N_s = 10⁴, получаем /S_σ = 5,26, а при N_s = 10⁴ - /S_σ = 4,29.

4.4.3.4. Для последовательностей экстремумов с коэффициентом нерегулярности χ, близким к единице (например стандартная последовательность экстремумов С9), получают минимальные значения долговечности. Для меньших значений χ (например стандартная последовательность экстремумов С7) получают несколько большие значения. Лишь очень малые значения χ дают значительно большие значения характеристик сопротивления усталости (например, для стандартной последовательности экстремумов С3 долговечность или предел ограниченной выносливости при эксплуатационном нагружении по сравнению с последовательностью С9 в среднем в 1,50 и 1,15 раза больше соответственно).

Приближенное равенство результатов для не очень малых значений χ отсутствует для заклепочных и резьбовых соединений.

4.5. Ускоренные испытания на усталость

4.5.1. Для сокращения времени испытаний допускается разрабатывать мероприятия по их ускорению при неизменном критерии предельного состояния детали. В противном случае значения долговечности, полученные для изменяющихся условий, должны быть пересчитаны с достаточной точностью на значения для первоначальных условий (см. приложение 3).

Ускоренные испытания применяют прежде всего для испытания с целью выявления слабых мест и сравнительных испытаний.

При действии зависимых от времени факторов (коррозии, колебательных процессов и т.п.) мероприятия по ускорению испытаний не допускаются.

Для заклепочных и резьбовых соединений они допустимы условно.

4.5.2. Ускорения испытаний достигают за счет следующих изменений параметров нагружения:

повышения частоты испытаний;

исключения малых неповреждающих амплитуд (в зависимости от значения предела выносливости при нерегулярном нагружении амплитуды менее 10 % - 30 % абсолютного максимума спектра могут быть опущены из рассмотрения как неповреждающие (черт. 7). При приближенных оценках допускается использовать в качестве границы повреждения соотношение

σ_SG/σ_-1д = 0,5 - 0,7.

Подобным образом можно пренебречь малыми экстремумами и при случайных испытаниях);

повышения интенсивности спектра (пропорциональное увеличение всех значений нагрузки).

Повышение напряжений на 10 % сокращает долговечность в 1,5-2,0 раза;

повышения полноты спектра (дополнительно к отбрасыванию малых амплитуд).

Значения повреждающих амплитуд σ_sg в зависимости от максимальной амплитуды спектра  и предела выносливости σ_-1д

Черт. 7

4.5.3. В целях ускорения испытаний применяют также параллельное по времени раздельное испытание на усталость деталей одного узла.

4.5.4. Для определения предела выносливости существуют следующие возможности ускоренного испытания на усталость:

определение предела выносливости путем экстраполяции левой ветви кривой многоцикловой усталости;

метод ступенчатого увеличения нагрузки - метод Локати.

4.5.5. На стадиях подготовки и проведения усталостных испытаний общее сокращение их длительности и материальных затрат достигают:

использованием статистических методов планирования экспериментов;

предварительным тщательным отбором вариантов по результатам лабораторных, статических, тензометрических и физических испытаний;

выбором сокращенной базы испытаний;

использованием сравнительных испытаний на долговечность;

выбором критерия прекращения испытаний;

выбором допустимой повышенной частоты испытаний;

использованием методов ускоренной (приближенной) оценки значения предела выносливости при испытании малого числа деталей;

выбором обоснованных форсированных режимов нагружения;

увеличением числа одновременно испытуемых на одной установке деталей;

проведением параллельных испытаний на нескольких установках при условии их идентичности по тарировке;

использованием структурной периодичности в конструкции путем последовательного испытания повторяющихся в ней несущих элементов (стоек, отсеков цилиндров в блок-картерах двигателей внутреннего сгорания, колен в коленчатых валах, зубьев в шестернях и др.). При этом разрушение одного из элементов не должно влиять на напряженное состояние другого.

4.5.6. При определении ограниченного предела выносливости и сравнительной долговечности деталей с различным конструктивным и технологическим исполнением кривые усталости могут иметь различный наклон. Поэтому при выборке коэффициента форсирования по нагрузке следует учитывать возможность пересечения их левых ветвей.

4.5.7. Ускоренное определение сравнительной долговечности двух или более вариантов при повышенных нагрузках выполняют следующим образом.

4.5.7.1. Проводят испытания при двух уровнях напряжений с тем, чтобы по наклону линий, соединяющих сравниваемые варианты, можно было судить о том, что испытания проводят ниже точки возможного пересечения кривых.

4.5.7.2. Если отрезки линий расходятся книзу или параллельны друг другу, то уровни напряжений выбраны правильно и сравнение вариантов на любом из них правомочно, т.е. соотношение между долговечностью сравниваемых вариантов (их ранжировка) не изменится при увеличении базы испытании. Если отрезки линий сходятся, то уровни напряжений выбраны неудачно и следует их снизить.

Примечание. Точка пересечения кривых усталости в отдельных случаях может лежать на горизонтальной ветви одной из них или кривые могут пересекаться дважды.

5. ТРЕБОВАНИЯ К ИСПЫТАТЕЛЬНОМУ ОБОРУДОВАНИЮ

5.1. Испытания могут проводиться как на стандартных испытательных машинах, соответствующих требованиям ГОСТ 28841-90, так и на нестандартном оборудовании. В случае использования нестандартного оборудования следует руководствоваться общими требованиями, изложенными в настоящем разделе.

Допустимые погрешности испытательного оборудования - по ГОСТ 25.502-79.

5.2. Приспособление должно максимально воспроизводить действительное крепление и нагружение исследуемой детали в конструкции. По возможности необходимо использовать сопрягаемые детали узла реальной конструкции для крепления и нагружения испытуемой детали.

5.3. Для сокращения затрат и времени на переналадку приспособление рекомендуется выполнять по модульному принципу.

5.4. Испытания проводят на машинах, установках и стендах:

с жестким и (или) мягким нагружением;

с различным способом возбуждения переменных нагрузок (гидравлическим, электрогидравлическим, электромагнитным, механическими центробежными вибраторами, компрессионным, путем подвешивания грузов и др.);

оснащенных средствами измерения, прошедшими поверку;

удовлетворяющих метрологическим требованиям по параметрам частоты нагружения, возбуждающего усилия и жесткости нагружаемой системы (испытательная машина - объект испытаний).

5.5. Контроль нагружения осуществляют по показаниям силоизмерительных устройств и (или) тензорезисторов.

5.6. Машины, установки и стенды должны быть оборудованы:

автоматическим выключателем, фиксирующим момент достижения предельного состояния детали;

счетчиком числа циклов;

приспособлением для проверки точности показаний машины и ее характеристик;

аппаратурой для автоматической записи (регистрации) исполнительного режима нагружения.

5.7. Опорно-захватные устройства должны обеспечивать приложение нагрузки в соответствии со схемой, предусмотренной программой испытаний, и не вызывать разрушения детали в месте передачи нагрузки.

5.8. Нагрузки при мягком нагружении или деформации при жестком нагружении должны быть в пределах от 0,2 до 0,8 выбранного диапазона измерений испытательной машины, установки или стенда.

6. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

6.1. За основные критерии предельного состояния детали принимают:

полное или частичное (определяемое появлением трещины наперед заданного размера) разрушение;

критическое раскрытие трещины (при учете скорости роста трещины, остаточной прочности материала при существующей трещине и возможного перераспределения напряжений);

потерю герметичности;

значительный рост деформации детали;

резкое падение нагрузки, внутреннего давления или частоты нагружения (на резонансной испытательной машине);

резкий подъем температуры испытуемой детали;

достижение наперед заданной скорости роста усталостной трещины;

достижение наперед заданного числа циклов нагружения;

достижение наперед заданных значений характеристик, обнаруживаемых электрическими, магнитными, ультразвуковыми, акустическими и др. методами.

6.2. Воспроизведение нагружения

6.2.1. Испытания по определению усталостной долговечности или ее минимальных значений проводят с помощью приближенных к эксплуатации спектров нагружения как случайное или блочное нагружение.

6.2.2. Для сравнительных испытаний и для испытаний по обнаружению слабых мест нагружение допускается упрощать до многоступенчатого или одноступенчатого при следующих условиях:

а) изменение в детали должно изменять полученную долговечность или кривую Велера в такой же степени, как и при случайном нагружении;

б) путем правильного выбора уровня нагружения при одноступенчатом нагружении должно выявляться такое слабое место, которое является также критическим в эксплуатации, в результате чего по расположению и внешнему виду возникают повреждения, подобные эксплуатационным.

6.2.2.1. В заклепочных и резьбовых соединениях упрощенные нагружения могут привести к измененным механизмам передачи нагрузки.

6.2.3. Точное по времени воспроизведение нагружения не требуется, за исключением случаев наличия зависящих от времени влияний:

окружающей среды (например, коррозии);

нагрева детали при более высокой частоте;

скорости нагружения.

Если частоты нагружения лежат вблизи собственных частот детали, то следует учитывать динамическую переходную характеристику детали и испытательного устройства.

6.2.4. Частота нагружения при испытаниях, по возможности, должна соответствовать эксплуатационной частоте. Малые частоты (менее 1 Гц) по сравнению с обычными испытательными частотами (от 10 до 300 Гц) дают числа циклов до разрушения в 1,5-2,5 раза меньше, а предел выносливости - на 10 % - 20 % меньше. Высокие частоты (более 300 Гц) приводят при охлаждении детали к повышению предела выносливости, а при отсутствии охлаждения - к его снижению.

В случае мягкого нагружения (при контроле по нагрузкам) увеличение частоты выше 10 Гц приводит к более существенному повышению долговечности по сравнению с жестким нагружением прежде всего за счет несоответствия скоростей нагружения и деформирования.

6.2.5. Допустимая погрешность результатов испытания на стадии проектирования больше, чем для готовой детали. Отклонения на 10 % по уровню напряжений в блоке нагружения приводят к изменению долговечности в 1,5-2,0 раза.

6.3. Испытания на усталость осуществляют по программе испытаний. Условия и результаты фиксируют в протоколе испытаний по ГОСТ 25.502-79.

6.3.1. Для оценки чувствительности к ассимметрии нагружения необходимо проводить испытание на усталость, как минимум, при двух значительно отличающихся друг от друга значениях коэффициента асимметрии (например при R = -1 и R = 0).

6.3.2. Для определения наклона кривой усталости или распознавания возможного пересечения различных кривых усталости уровни напряжения выбирают таким образом, чтобы достигалось существенное различие по усталостному ресурсу (примерно от 5 × 10⁴ до 10⁶ по кривой усталости).

6.3.3. Базу испытаний назначают в зависимости от задачи исследования по ГОСТ 25.502-79.

6.3.4. Эффективный объем выборки необходимо увеличивать использованием свойств симметрии деталей (например, оценку усталостных характеристик проводить на многих симметрично расположенных и идентично нагруженных сечениях).

6.3.5. Для сложных деталей после появления первых разрушений допускается проводить ремонт отдельных сечений с тем, чтобы продолжать испытания и устанавливать другие слабые места конструкции или проверять эффективность способа ремонта.

6.3.6. При выборе вида нагружения следует учитывать, что он не влияет на величину предела выносливости, но общая долговечность, особенно период живучести, увеличивается с переходом от мягкого (с заданным размахом нагрузки) к жесткому (с заданным размахом деформации) нагружению.

6.3.7. При выборе длины плеча изгибающего момента при консольном изгибе учитывают, что на сопротивление усталости оказывает влияние сочетание нормальных и касательных напряжений. С уменьшением плеча и соответственно увеличением поперечной силы предел выносливости снижается. Поэтому в качестве одного из критериев сопоставимости схемы нагружения рекомендуется принимать постоянство отношения нормальных напряжений к касательным.

6.3.8. Испытуемую деталь крепят в машине таким образом, чтобы были обеспечены требования техники безопасности и не возникали при этом дополнительные напряжения, не предусмотренные программой испытаний. При испытании на растяжение-сжатие напряжения от дополнительного изгиба не должны превышать 10 % напряжений растяжения-сжатия. Центровка деталей должна исключать возникновение дополнительных вибраций машины.

6.3.9. Все детали испытывают на однотипных машинах с идентичными метрологическими характеристиками при одинаковом виде нагружения.

6.3.10. Испытания проводят непрерывно вплоть до достижения предельного состояния деталей.

6.3.11. Заданная максимальная нагрузка цикла нагружения не должна быть превышена, так как это может привести к изменению исходной прочности детали и сильному рассеянию результатов испытаний. Нагружение в процессе достижения заданной амплитуды и частоты циклов осуществляют плавно.

6.3.12. Постоянство уровня задаваемых нагрузок или деформаций периодически или непрерывно контролируют в зависимости от стабильности работы машины и ее оснащенности регистрирующей аппаратурой.

6.3.13. При проведении сравнительных испытаний на усталость необходимо гарантировать идентичность условий эксперимента и параметров нагрузки.

7. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ И СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

7.1. Представление результатов испытаний

7.1.1. При достаточном количестве результатов испытаний они представляются как кривая усталости или как функция долговечности при случайном нагружении, а также как диаграмма предела выносливости, предела ограниченной выносливости или эксплуатационной прочности соответственно для определенной вероятности безотказной работы или вероятности разрушения.

7.1.2. Кривая усталости изображается для определенных значений среднего напряжения или коэффициента асимметрии цикла напряжений в линейной, двойной или полулогарифмической системе координат применительно к максимальному напряжению или амплитуде напряжений.

Примечание. Кривая усталости становится более пологой при:

снижении остроты надреза;

увеличении среднего напряжения;

уменьшении вероятности безотказной работы.

Абсцисса точки перелома кривой усталости соответствует числам циклов до разрушения от 2 × 10⁶ до 10⁷. Для цветных металлов, а также при повышенной температуре, коррозии или коррозии рения она может быть достигнута при большем числе циклов или может вообще отсутствовать.

7.1.3. Кривые усталости строят в линейных, полулогарифмических или двойных логарифмических координатах по:

напряжениям: σ - N; σ - 1g N; 1g σ - 1g N;

нагрузкам: P - N; P - 1g N; 1gP - 1gN;

деформациям: ε - N; ε - 1g N; 1g ε-1g N.

7.1.4. При асимметричных циклах кривые усталости строят для серии одинаковых деталей с постоянными коэффициентами асимметрии цикла, средними, минимальными или максимальными напряжениями (деформациями).

7.1.5. Левую ветвь кривой усталости при эксплуатационном нагружении изображают в виде прямой, как и для кривой усталости при регулярном нагружении. Ее наклон при случайном испытании почти совпадает с кривой усталости при регулярном нагружении. При блок-программном испытании она более пологая. В нижней части кривая долговечности по сравнению с верхней частью имеет более пологий наклон. Результаты представляют в максимальных значениях последовательности экстремумов или блок-программы.

Сравнение результатов, которые получают при последовательностях экстремумов или блокпрограммах с различными по величине максимальными значениями, осуществляют на основе среднеквадратического отклонения нагрузок процесса нагружения или определенного кратного от него.

В качестве меры долговечности при случайном испытании действительно число восходящих (нисходящих) прохождений через нуль или число циклов. Можно использовать оба метода.

7.1.6. Диаграмма предела выносливости или предела ограниченной выносливости имеет форму диаграммы предельных напряжений или амплитуд, в которых линии максимальных напряжений и амплитуды напряжений цикла приняты прямыми. Линия максимальных напряжений в диаграмме предельных напряжений становится более пологой при:

уменьшающемся числе циклов до разрушения;

уменьшающейся остроте надреза;

уменьшающейся вероятности безотказной работы.

Диаграмма эксплуатационной прочности для последовательности экстремумов или блок-программы составляется таким же образом.

7.1.7. Диаграммы предельных напряжений (амплитуд) строят с помощью кривых усталости, полученных по результатам испытаний не менее трех партий одинаковых деталей при разных для каждой партии средних напряжениях или коэффициентах асимметрии цикла.

7.1.8. Для аппроксимации кривой усталости используют двухпараметрическое уравнение