Поверхностное напряжение и усталость

2. Поверхностное напряжение и усталость.

Для подсчета предельного поверхностного напряжения был подсчитан эпюр распределения температур для всех трёх типов валков, полученный путем анализа конечных элементов за период обычного вращения. Подсчитанные уровни изменения напряжения можно считать выразительными отображениями относительного повреждения для каждого из 3-х основных типов тянущих валков.

Особенно важен показатель напряжения. Минусовый показатель определяется сжимающим напряжением. Это можно наглядно представить, рассматривая валок, где средняя температура 100˚F, а температура поверхности - 1000˚F. При данных условиях, холодное ядро валка предохраняет поверхность от радиального расширения и поэтому, поверхность работает на сжатие. Обратный эффект наблюдается у валка, средняя температура которого выше температуры поверхности. Поверхность работает на растяжение, напряжение имеет положительный характер. Напряжения, действующие на поверхность валка, при каждом обороте меняются, и создают полный цикл напряжения.

Сталь марки 8620 имеет предел текучести S_y, приблизительно 130 тысяч фунтов на квадратный дюйм. Анализ характеристики усталостной прочности для марки стали 8620 показывает, что усталостное разрушение произойдёт за 1 млн. циклов с напряжением при изгибе приблизительно 81 тысячу фунтов на квадратный дюйм. Данная информация является исходным пунктом в создание модифицированной диаграммы Гудмана.

Типичная диаграмма Гудмана была создала для трёх типов валков (рис.4).

Три внешних вершины треугольника соответствуют пределу текучести S_y для марки стали 8620. Напряжение при изгибе соответствует усталостному разрушению за 1 млн. циклов, 81 тысяча фунтов на квадратный дюйм была нанесена на ординату и спроектирована на отрицательную линию среднего напряжения. Переменное и средние напряжение затем было нанесено для 3-х основных типов валков в точках 1 и 2. Точка 1 представляет начало отливки, тогда как точка 2 – конец, когда было достигнуто тепловое равновесие. Верхние опорные валка с осевым отверстием и сплошные 4-х составные верхние опорные валки, сделанные из стали марки 8620, никогда не достигали зоны низкой повреждения. Только сплошные валки вступают в зону низкого повреждения, достигая теплового равновесия.

 Исходя из данных условий, можно прийти к следующим заключениям:

- в идеале, уровень напряжения должен оставаться в пределах Гудманской зоны низкого повреждения при отливке.

 - только сплошные валки достигают низкой зоны повреждения при достижении теплового равновесия.

 - поверхностное напряжение четырёхсоставных верхних опорных валков и верхних опорных валков с осевым отверстием, с оборотной водой, которая охлаждает центр крена, остаётся в зоне сжатия. Среднее напряжение остается высоким.

Если бы валки изготовляли из сплава, который имеет предел текучести выше стали марки 8620, то диаграмма Гудмана имела бы более обширную зону низкого повреждения и могла бы уменьшить повреждение при каждом цикле, продлив срок службы валка.

2.1 Температура подпятника. Для того, чтобы определить играет ли температура главную роль в разрушение в результате потери прочности при смятии, и, соответственно, в разрушении перевалков валков, была организована специальная программа. Данная программа измеряла температуру упорной колодки и гнезда подшипника. Был смоделирован термоэлемент для того, чтобы заменить торцевую крышку болта на типичный валок, диаметром 17,5 мм. Термоэлемент был создан подпружиненным с целью обеспечения контакта между верхним термоэлементом и концом болтового отверстия.

Температура измерялась приблизительно на расстоянии 13/4 дюйма от наружной поверхности подушки валка и приблизительно на расстоянии 2-х дюймов от наружной поверхности обоймы подшипника. Для получения температурных данных был использован пирометр полного излучения, направленный на наружную поверхность подушек валков. Заключительная скомпонованная информация показана на табл.1

Табл. 1 Отношение между расположением тянущих валков и температурой подпятника.

Температура подпятника, ˚F

Среднее значение

Максимальное

Сечение валка После 7 плавок После 14 плавок значение

после 14 плавок

 Криволинейное

 Сечение (44-45)

Верхний валок 138 172 220

Нижний валок 136 163  220

 Прямое сечение

(56-71)

Верхний валок 114 158 200

Нижний валок 128 180 205

 Прямое сечение

 (72-84)

Верхний валок 126 216 240

Нижний валок 147 300 380

 

 Заданное вытягивание заготовки в разной степени влияет на ширину плиты. Нижние валки, находящиеся в отрезке от 72 до 84 (рис.5) , являются самыми горячими. Причина этого - недостаточная система охлаждения водяными брызгами нижних валков. (Валки охлаждались внешним путем, приблизительно 20 галлонов воды в минуту).

Область уплотнения подшипника представляет самый большой интерес. Температура на внешней обойме подшипника превышает 300˚F, тогда как возле уплотнения подшипника была зафиксирована температура в 350-400˚F, которая позднее была проверена методом конечных элементов. Уплотнение подшипника имеет более высокую температуру, которая доходит до 225˚F. Поэтому, достигнув температуры 350˚F и больше, уплотнение подшипника разрушается и подпятник подвергается водному загрязнению.