Методика исследований. Моделирование эксплуатационной нагруженности лопастей
Испытания имеют целью выяснить влияние наложения высокочастотных нагружений на низкочастотный предел выносливости, а также зависимость между пределами выносливости при одночастотном и двухчастотном нагружениях.
Так как стандартного оборудования для испытаний при одновременном действии двух нагрузок различных частот нет, то применительно к лопастям рабочих колес мощных гидротурбин был модернизирован гидравлический пульсатор.
В схеме пульсатора на коммуникациях к цилиндру устанавливается аппаратура, позволяющая кроме пульсирующего высокочастотного нагружения от дифференциального цилиндра давать рабочему поршню повторную малоцикловую нагрузку. Для получения малоциклового нагружения предусмотрены магнитно-гидравлический переключатель максимального нагружения и регулирующие клапаны минимального давления.
Режимы нагружения (скорости нагружения, выдержки нагрузки) регулируются реле времени, циклично включающим подачу масла в гидросистему от насоса. Одновременно поршень рабочего цилиндра совершает высокочастотные колебания от пульсаторного цилиндра со стабилизатором. Таким образом, от поршня рабочего цилиндра испытуемый образец получает одновременно нагрузки разной величины, амплитуды и частоты.
Малоцикловое нагружение создает распределительный магнитно-гидравлический клапан, который при помощи магнитного сердечника, установленного в клапане, периодически подает масло в рабочий цилиндр.
Усталостная прочность сталей исследовалась при сочетании циклических нагрузок с частотой 2—6 и 400 цикл/мин.
Учитывая разницу амплитуд низкочастотного и высокочастотного нагружения и то обстоятельство, что низкочастотная нагрузка основная и более опасная для лопасти рабочего колеса гидротурбины, было принято установить малоцикловой предел выносливости без наложения высокочастотной нагрузки, затем уточнить влияние наложения высокочастотной нагрузки на малоцикловой предел выносливости. При этом база испытания для малоцикловой усталости принималась равной 104 циклов при частоте 4 цикл/мин.
Испытания при одновременном действии двух нагрузок проводились при частотах 4 и 400 цикл/мин, т. е. при соотношении частот высокочастотного нагружения к низкочастотному, равном 100.
Образцы испытывались приίрезко асимметричном цикле нагружения, где σтп = 20 кгс/мм2, т. е. близком к пульсирующему; минимальное напряжение низкочастотного нагружения составляло 8 кгс/мм2. Напряжения замерялись проволочными тензодатчиками.
Влияние двух высокочастотных нагрузок, отличающихся частотой нагружения в 3—5 раз, на усталостную прочность гладких и надрезанных образцов исследовалось на бигармонической машине.
Для бигармонического испытания были изготовлены гладкие и с надрезом (ρ = 0,2 мм, h = 5 мм, α= 60°) образцы размером 25x75x500 мм. Теоретический коэффициент концентрации напряжения надрезанных образцов по Нейберу =5,2 [69].
Методика исследований учитывала и моделировала эксплуатационную нагруженность лопастей рабочих колес мощных гидротурбин. Анализ осциллограммы нагруженности лопастей гидротурбины в натурных условиях выявил, что при работе лопасти возникают асимметрия цикла и спектр нагрузок, действующих одновременно (рис. 25).
Статическая нагрузка в зависимости от единичных мощностей агрегата достигает 10—20 кгс/мм2, циклическая нагрузка при установившемся режиме—10—15% от статических составляющих, а при переходных режимах иногда доходит до 100%. Во время эксплуатации статическая нагрузка изменяется с малой частотой и определенной амплитудой. Частоту изменения циклической нагрузки можно разделить на две группы; одна из них действует при асимметричном цикле с соотношением частот, равным 1/100 (1 и 100 Гц), а вторая—при симметричном цикле нагружения с соотношением частот 1/2,5 (50 и 125 Гц).
В настоящее время испытательные установки не позволяют вести исследование при одновременном действии спектра нагрузок различных частот. Поэтому образцы испытывались при четырех вариантах нагружения:
- одновременном действии двух нагрузок при соотношении частот, равном 1/100 (асимметричный цикл нагружения);
- одновременном действии двух высокочастотных нагрузок и соотношении частот 1/2—1,5 (симметричный цикл нагружения);
- периодическом изменении среднего напряжения цикла;
- воздействии одной нагрузки и различной асимметрии цикла.
Дополнительная схема пульсатора дала возможность нагружать образцы при одновременном действии двух нагрузок, отличающихся одна от другой частотой нагружения в 100 раз и испытывать образцы при периодически изменяющихся средних напряжениях цикла.
Бигармоническая установка позволила испытывать образцы при одновременном действии двух высокочастотных нагрузок, отличающихся частотой нагружения в 2—5 раз.
Рис. 25. Осциллограмма напряжений, замеренных на лопасти Братской ГЭС
Влияние асимметрии цикла на его предельную амплитуду определялось на установке резонансного типа, где образцы подвергались чистому изгибу в одной плоскости.
На этой же установке изучались усталостная прочность сталей при одночастотном и двухчастотном нагружениях, а также влияние асимметрии цикла на его предельную амплитуду при чистом изгибе в одной плоскости.
Выносливость сталей при одновременном действии двух нагрузок существенно различных частот определялась при пульсирующем цикле нагружения, при этом минимальное напряжение низкочастотного нагружения получилось σminn = 8 кгс/мм2, а , при асимметричном цикле нагружения среднее напряжение низкочастотного нагружения σтп = 20 кгс/мм2.
Для установления влияния асимметрии цикла на его предельную амплитуду выносливость образцов из сталей 20ГСЛ, 0Х12НДЛ и 45 определялась при симметричном, пульсирующем и асимметричном циклах нагружения.
Заготовки образцов подвергались термообработке, а заготовки из нержавеющих сталей проходили нормализацию и двойной отпуск [48].
Имея в виду, что высота допасти рабочих колес по перу изменяется от 130 до 30 мм, сечения образцов составляли 50x60; 25x75 и 30x40 мм. Образцы изготовлялись с надрезом и без надреза (радиус закругления дна надреза ρ= 0,2 мм, угол а = 60°).
Выносливость сталей при одновременном действии двух нагрузок существенно различных частот.
Рис. 26. Кривые усталости образцов При асимметричном цикле нагружения (σ/m нч = 20 кгс/мм):
а — стали 0Х12НДЛ; б— стали 45; 1, 3 — при действии только низкочастотной нагрузки с частотой 4 цикл/мин; 2, 4, 5, 6 — при действии двух нагрузок одновременно с частотой 4 цикл/мин и 400 цикл/мин
На рис. 26 представлены экспериментальные кривые усталости образцов из сталей 0Х12НДЛ и 45 при действии низкочастотной нагрузки и при действии низко- и высокочастотной нагрузок одновременно (при постоянстве среднего напряжения низкочастотного нагружения, равного 20 кгс/мм2 для обоих случаев).
Рис. 27. Кривые усталости образцов в условиях, близких к пульсирующему циклу нагружения (σmin = 8 кгс/мм2):
а — стали 0Х12НДЛ; б — стали 20ГСЛ; 1, 4 — при действии только низкочастотной нагрузки с частотой 4 цикл/мин; 2,3,5, 6 — при одновременном действии двух нагрузок с частотой 4 цикл/мин
Прежде чем определить влияние наложения высокочастотных нагрузок на низкочастотный предел выносливости, находили предел выносливости образцов при действии низкочастотной нагрузки на базе 104 циклов при частоте 4 цикл/мин.
Низкочастотная предельная амплитуда в условиях постоянного среднего напряжения цикла, равного 20 кгс/мм2, при частоте 4 цикл/мин была равна 13,5 кгс/мм2 для стали 0Х12НДЛ (кривая 1) и 14 кгс/мм2 для стали 45 (кривая 3).
Изменение низкочастотной Предельной амплитуды при наложении высокочастотной нагрузки с частотой 400 цикл/мин выявилось при амплитудах высокочастотного нагружения, равных 3 кгс/мм2 для стали 0Х12НДЛ и 2, 3 и 4 кгс/мм2 для сnали 45. При одновременном действии двух нагрузок среднее напряжение низкочастотного нагружения, как и при испытании без высокочастотного нагружения, сохранилось равным 20 кгс/мм2.
Низкочастотная предельная амплитуда цикла с наложением высокочастотной нагрузки (амплитуда 3 кгс/мм2) для стали 0Х12НДЛ снизилась с 13,5 до 4,5 кгс/мм2 (кривая 2), т. е. на 67%, а для стали 45 с наложением высокочастотной нагрузки (амплитуда нагрузки 2 кгс/мм2) — с 14 до 8 кгс/мм2 (кривая 4). При амплитудах высокочастотных напряжений, равных 3 и 4 кгс/мм2, низкочастотная предельная амплитуда достигает соответственно 5 и 2 кгс/мм2 (кривые 5 и 6). Таким образом, низкочастотная предельная амплитуда для стали 45 при наложении высокочастотных нагрузок с амплитудой 2, 3 и 4 кгс/мм2 снижается на 43, 65 и 85% по сравнению с предельными амплитудами, найденными без наложения высокочастотных нагрузок.
На рис. 27 даны результаты аналогичных экспериментов при постоянном минимальном напряжении цикла.
При определении малоциклового предела выносливости образцов из сталей 0Х12НДЛ и 20ГСЛ минимальное напряжение цикла принималось постоянным и равным 8 кгс/мм2. Оно было получено из следующих соображений. Сначала был найден предел выносливости при действии только высокочастотной нагрузки с частотой 400 цикл/мин на базе 106 циклов при постоянном минимальном напряжении цикла 1 кгс/мм2. В этом случае пределы выносливости получились равными 15 кгс/мм2 для стали 0Х12НДЛ и 16 кгс/мм2 для стали 20ГСЛ. Среднее напряжение цикла, соответствующее уровню предела выносливости, составляло 8 кгс/мм2.
При определении предела выносливости для высокочастотного нагружения исходили из того, что база испытания (106 циклов) по продолжительности испытания должна быть такой же, что и при низкочастотном нагружении (на базе 104 циклов при частоте 4 цикл/мин). Поскольку соотношение частот высокочастотного нагружения к низкочастотному равно 100, то соответствующее данному времени число циклов по высокочастотному нагружению составляет 10е.
Учитывая, что наложенные высокочастотные нагрузки будут иметь амплитуду до 5 кгс/мм2, принимали минимальное напряжение 8 кгс/мм2.
Низкочастотный предел выносливости образцов из стали 0Х12НДЛ получился равным 35 кгс/мм2 (кривая 1), а из стали 20ГСЛ — 31,5 кгс/мм2 (кривая 4).
Для определения снижения низкочастотных пределов выносливости образцов из этих сталей с наложением высокочастотных нагрузок амплитуды высокочастотных напряжений были приняты равными 3 и 5 кгс/мм2.
Рис. 28. Зависимости предельных амплитуд и размахов от низкочастотного и высокочастотного нагружения: а — амплитуд; б — размахов
Низкочастотный предел выносливости образцов из стали 0Х12НДЛ с наложением высокочастотной нагрузки с амплитудой 3 кгс/мм2 снизился с 35 до 23,5 кгс/мм2, с амплитудой 5 кгс/мм2— до 16 кгс/мм2 (кривые 2 и 3 соответственно), т. е. на 33 и 54%, а из стали 20ГСЛ — соответственно с 3.1,5 до 23,5 кгс/мм2 и с 31,5 до 15,5 кгс/мм2 (кривые 5 и 6), т. е. на 26 и 50%.
На рис. 28 даны зависимости предельных амплитуд и размахов от низкочастотного и высокочастотного нагружения при раздельном и совместном действии высокочастотной и низкочастотной нагрузок.
Высокочастотные пределы выносливости образцов из стали 0Х12НДЛ и 45 определялись для асимметричного нагружения и из сталей 0Х12НДЛ и 20ГСЛ — при постоянном минимальном напряжении 1 кгс/мм2.
Ряс. 20. Диаграммы зависимости предельных амплитуд и предельных долговечностей низкочастотного нагружения при их сочетании: а — амплитуд [26]; б — размахов.
Предельная амплитуда образцов из стали 0Х12НДЛ для асимметричного цикла нагружения при среднем напряжении 20 кгс/мм2 на базе 106 циклов с частотой 400 цикл/мин была равна 4,5 кгс/мм2, а образцов из стали 45 в этих же условиях 5 кгс/мм2. Предел выносливости образцов из стали ОХ 12НДЛ в условиях постоянного минимального напряжения 1 кгс/мм2 получился равным 15 кгс/мм2, предельная амплитуда 7 кгс/мм2, а предел выносливости образцов из стали 20ГСЛ получился равным 16 кгс/мм2. Предельная амплитуда цикла, соответствующая пределу выносливости, составила 7,5 кгс/мм2.
База испытания для образцов, находящихся под воздействием только высокочастотной нагрузки, и при одновременном действии на образец двух нагрузок выбиралась равной числу циклов высокочастотного напряжения. Изменение малоцикловой предельной амплитуды с наложением высокочастотной нагрузки в условиях постоянного среднего напряжения низкочастотного нагружения носит линейный характер (см. рис. 28, а).
На рис. 28, б показана зависимость между размахами низкочастотного и высокочастотного напряжения для испытания при постоянном минимальном напряжении цикла. Несмотря на то, что условия экспериментов отличались от условий, при которых получены данные рис. 28,а, изменение малоциклового предела выносливости с наложением высокочастотной нагрузки носит также линейный характер.
В условиях одновременного действия двух нагрузок различных частот снижение низкочастотной долговечности при амплитуде высокочастотной нагрузки, равной 2,5% от σmaxn, составляет 25%, при амплитуде, равной 5% от σmахn, —50%, а при амплитуде 10% от σmaxn — 80% [64].
Долговечность образцов без наложения высокочастотной нагрузки принималась за 100%.
Из рис. 29, б видно, что экспериментальные точки ложатся на прямую до амплитуд высокочастотной нагрузки, равных σа = 7% от σmах.
При дальнейшем увеличении амплитуды высокочастотного нагружения линейная зависимость между амплитудами одночастотного и двухчастотного нагружения нарушается.
Испытания на выносливость стали с содержанием 0,23% углерода при одновременном действии двух нагрузок с частотой 50 и 2000 цикл/мин при симметричном цикле нагружения с амплитудами низкочастотного нагружения, равными 0; 10 и 20 кгс/мм2, показали, что высокочастотная предельная амплитуда цикла на базе 107 циклов составляет 29; 20,5 и 12 кгс/мм2 соответственно.
Как видно из рис. 29, а, изменение высокочастотной предельной амплитуды с наложением низкочастотной нагрузки носит линейный характер.
Эксперименты и результаты исследований подтверждают, что между амплитудами одночастотного и двухчастотного нагружения существует линейная зависимость (64, 109].
Хотя между амплитудами одночастотного и двухчастотного нагружения существует линейная зависимость, необходимо учитывать, что в зависимости от материала, соотношения частот и базы испытания низкочастотного нагружения угол наклона а между прямыми и осью абсцисс будет различным.
