Повышение безопасности конструктивных элементов энергетических установок при циклических нагрузках

Безопасность и живучесть конструктивных элементов энергетических установок зачастую определяется усталостной прочностью их элементов: лопаток турбин и вентиляторов, осей роторов, тяг, кронштейнов. Для надежной оценки усталостных свойств материалов этих элементов необходимо иметь экспериментальные данные по усталостным характеристикам каждого материала, из которого изготовлены эти детали.

В работе показана возможность нетрудоемкого экспериментального построения диаграмм предельных напряжений при усталости для материала и деталей при линейном напряженном состоянии, путем измерения тепловыделения в материале деталей при циклическом нагружении. Использование экспериментальных диаграмм предельных напряжений, вместо, применяемых обычно, аппроксимированных, существенно повышает надежность а, следовательно, и безопасность эксплуатации деталей конструкций при циклических нагрузках.

Сопротивление многих материалов усталостному повреждению зависит от асимметрии цикла нагружения. Поэтому в практике, для расчетов усталостной прочности каждого материала, работающего в условиях асимметричного цикла нагружения, необходимо иметь семейство диаграмм предельных напряжений при усталости Хея — в координатах. Причем каждая линия этого семейства соответствует своей долговечности. Здесь координаты — среднее и амплитудное значение напряжений цикла. Такие диаграммы, необходимо строить для каждой заданной комбинации таких фиксированных параметров как: вид деформации, частота циклов нагружения, температура при испытаниях, наличие или отсутствие коррозионной среды.

Построение таких диаграмм, даже при одном фиксированном комплексе вышеуказанных параметров, обычным классическим способом, крайне трудоемко. Например, чтобы построить для этих параметров семейство диаграмм предельных напряжений, необходимо получить, при этих параметрах нагружения, кривые Велера, примерно, для семи асимметрий цикла нагружения, т.е. испытать до разрушения более ста стандартных образцов. А это, примерно, 3-4 месяца непрерывной работы испытательной установки. Отметим, что при изменении хотя бы одного из этих фиксированных параметров, необходимо проводить новые трудоемкие усталостные испытания. Поэтому-то и пользуются разными аппроксимациями этих диаграмм, хотя понято, что это существенно снижает надежность и точность расчетов.

Еще Томсон (лорд Кельвин) установил, что при адиабатическом статическом растяжении или сжатии образца его температура изменяется. Если деформации упругие, то такое изменение происходит за счет изменения объема — это термоупругий эффект, который не связан с усталостным процессом. От этого эффекта температура образца за цикл нагружения не изменяется. Если при циклическом деформировании образца появляются микропластические или пластические деформации, то температура образца увеличивается, как при сжатии, так и при растяжении. При циклическом нагружении такое тепловыделение связано с процессом усталости. Если повысить уровень циклических напряжений при деформировании материала, то саморазогрев усиливается и процесс усталости идет интенсивнее. Поэтому, И.А.Одинг, В.С.Иванова, С.Е. Гуревич, В.Т.Трощенко, В.В.Федоров и другие, использовали тепловые критерии для оценки усталостной прочности материала.

Для того, чтобы при деформировании образца регистрировать изменение его температуры только от микропластических деформаций использовали тепловизоры, частота кадров которых меньше частоты циклического деформирования образца. Испытывали плоские, круглые, трубчатые образцы. Испытания образцов проводили на вибростендах, на испытательных машинах: ЭГМ- 25, американской MTS. Для измерения температурных полей использовали тепловизоры: шведский АGA-680, американский TermaCAM S60.

Порядок эксперимента был следующий: записывали термограмму поверхности образца, затем образец нагружали ступенчато увеличивающейся нагрузкой, при фиксированном коэффициенте асимметрии цикла. Длительность ступени — до стабилизации температуры (это 10-15 с). Если температура образца увеличилась, то записывали термограмму образца.

Оказалось, что каждый материал, при заданной комбинации параметров нагружения, имеет свое критическое напряжение, при превышении которого начинается практически линейное повышение температуры. Под критическим напряжением саморазогрева, для заданных условий на- гружения материала, будем понимать минимальное значение максимального напряжения цикла, при котором, из-за саморазогрева, температура материала повышается на заданную величину и стабилизируется. Если говорится о критическом напряжении начала саморазогрева, то это повышение температуры соответствует установленной чувствительности тепловизора.

В работе на образцах из 17-ти марок сплавов определены, для нескольких коэффициентов асимметрии цикла, критические напряжения, соответствующие разным температурам саморазогрева. Результаты тепловых испытаний — критические напряжения для каждого материала, представлялись в координатах диаграммы предельных напряжений при усталости Хея. Через точки соответствующие постоянному значению критического напряжения, например, начала саморазогрева в этих координатах, можно провести линию равной долговечности, соответствующую этому напряжению, так как предельные максимальные напряжения для образцов связаны с долговечностью кривой Велера. В работе доказано, что эта диаграмма представляют собой диаграмму предельных напряжен ее ий при усталости Хея, построенную тепловым методом, для долговечности, соответствующей критическому напряжению начала саморазогрева. Отметим, что семейство диаграмм предельных напряжений Хея, для разных долговечностей строится, примерно, за 15 минут, по результатам тепловых испытаний одного образца, который при этом практически не повреждается.

Таким же образом для каждого испытанного сплава было построено на этих диаграммах семейство линий равного повышения температуры для других температур. Для определения на этих диаграммах долговечности, соответствующей каждой линии равной температуры, достаточно построить для этого материала одну кривую Велера, при любом коэффициенте асимметрии цикла, например, при симметричном цикле или при пульсирующем цикле. Очевидно, что диаграммы Хея тепловым способом можно построить не только для материала, но и для любой детали, не повредив ее.

Использование диаграмм предельных напряжений при усталости, полученных в результате быстрого и нетрудоемкого эксперимента, отражающего реальные усталостные свойства материала, существенно повышает точность расчетов на усталость, а, следовательно, повышает безопасность и живучесть конструктивных элементов машин и энергетических установок, работающих при циклических нагрузках.

Дата публикации: 24.03.2012

Похожие записи:

• Повышение энергоэффективности металлургического оборудования за счет применения многофазных асинхронных электромеханических систем
• Плазменная электротехнология и оборудование для переработки углеродсодержащих техногенных отходов
• Локализация дефектов по интегральным сигналам акустической эмиссии
• Разработка автоматизированной системы неразрушающего контроля и диагностики металла с функцией определения остаточного ресурса
• Эксплуатационные повреждения и разрушение металла деталей горячего тракта газотурбинных установок
• Компьютерное моделирование процесса образования продуктов реакции при сжигании жидких топлив