Основы проектирования и расчета судового валопровода, страница 14

После указанных вычислений устанавливаются циклы изменения нормальных и касательных напряжений по соотношению между амплитудой и средним значением. Если  >  ( > ), то                                                 цикл – знакопеременный. В противном случае напряжения меняются по знакопостоянному циклу.

Вторая задача касается количественной оценки факторов, оказывающих наибольшее влияние на выносливость валов. Основные трудности решения этой задачи, связанные с необходимостью создания машин для испытаний, проведением самих испытаний и статистической обработкой результатов длительных экспериментов, вынуждают до сих пор заимствовать данные об усталостном поведении различных конструкций из справочной литературы. Ясно, что в условиях недостаточной информации обо всех конструктивных, технологических и эксплуатационных факторах приходится завышать значение запаса прочности.

Достаточно полные сведения о коэффициентах, составляющих основу расчетных формул для определения коэффициента запаса прочности на выносливость, можно взять в справочной литературе, например, [30]. Здесь приведены лишь отдельные рекомендации, касающиеся усталостной прочности валопроводов.

Предел выносливости при симметричном цикле устанавливают по результатам испытаний лабораторных образцов. При отсутствии таких испытаний значения  и  можно принимать в зависимости от предела прочности . Для сталей

;   .

Следует иметь в виду, что сопротивление усталости валов резко снижается при работе в коррозионной среде. Данный факт учитывается коэффициентом , зависимость которого от предела прочности стали приведена на рис. 5.17. Эффективным способом повышения предела выносливости является поверхностное упрочнение. В частности, при обкатке поверхности вала роликами  увеличивается в 1,2¸1,4 раза на воздухе и в 1,5¸1,8 раза в морской воде. Опытные данные показывают, что с ростом уровня концентрации напряжений эффект упрочнения возрастает, а с увеличением размеров валов – уменьшается. Однако нарушение технологии обработки может вызвать даже снижение прочности.

Масштабные факторы  и  учитывают снижение предела выносливости при увеличении диаметра вала. Основные причины проявления масштабного эффекта связаны с особенностями металлургического и технологического процессов. Обобщение результатов испытаний стальных валов различных диаметров позволило получить эмпирические зависимости. Для нормальных напряжений  подсчитывают по формуле (5.15), аналогичный вид имеет зависимость для :

.

Перераспределение напряжений в местах резкого изменения геометрии вала характеризуется коэффициентами концентрации напряжений. При циклическом нагружении снижение предела выносливости определяется эффективными коэффициентами концентрации напряжений  и , соответственно, по нормальным и касательным напряжениям. Для гребного вала типичные концентраторы напряжений – прессовые соединения и галтели.

Рис. 5.17. Зависимость коэффициента коррозии от предела прочности:                                                                                      1 – в пресной воде; 2 – в морской воде

Прессовые соединения гребного винта с валом и облицовки с валом имеют фактическую площадь контакта всего около 30¸40%. Соответственно давление от натяга распределяется по посадочной поверхности неравномерно. Давление на пятне контакта превышает среднее расчетное значение в 5¸7,5 раза и является достаточным для зарождения усталостных трещин. По мере увеличения контактных давлений концентрация напряжений растет. На рис. 5.18 приведены значения  и  для посадки типа Н7/s6 и Н7/к6.

Галтель (место сопряжения вала с фланцем) является ярко выраженным концентратором напряжений, особенно при малых радиусах закругления . С точки зрения эскизного проектирования коэффициенты концентрации для галтельных переходов удобно задавать в функции одного параметра, например, отношения  (рис. 5.19).