Metody symulowania obciążeń eksploatacyjnych w badaniach zmęczeniowych

ZESZYTY N A U K O W E POLI TE C HN IK I ŚL Ą SK I E J

Seria: M E C HaN IK A z. 5o N r kol. 437

_________ 1976

J óz ef PRZYBYLSKI, M a r e k DYKIER, J er z y TARA Instytut T r a n s p o r t u i Komu ni ka c ji

M E T O D Y S YM U LO W A N I A O B C I ĄŻ EŃ E K S P L O A T A C Y J N Y C H W B A D A N I A C H Z M Ę C Z E N I O W Y C H

S t r e s z c z e n i e . D ł ug o tr wa łe i k o s z t ow ne z mę czeniowe b a d a n i a e k s p l o ­ a tacyjne m o ż n a za st ą pi ć p r ze z bada ni a lab or a to ry jn e w y k o n y w a n e w e ­ dług prog ra mu schodkowego. W a r t y ku le po dano s p osób op ra c o w a n i a pro­

g ra mu s c ho d ko we go dla po je d y n c z e g o i z ł ożonego p rz ypadku obciążenia.

1. W stęp

O bc ią ż e n i a eksplo at ac y jn e u r z ą d z e ń m e c h a n i c z n y c h m a j ą w w i ę k s z o ś c i p r z y p a d k ó w c h a r a k t e r losowy. Z te go wzgl ęd u określe ni e trw a ło śc i zmęczeniowej i c h e l e m e n t ó w na drodze analitycznej jest trudne, a uzy sk an o w y n i k i są m a ­ ło dokładne. J e dy ni e s tosując bad an ia z m ęc z en io we ek sp lo at a cy jn e lub s t a ­ n ow is ko w e m o ż n a u z y sk a ć wyniki w y s t a r c z a j ą c e d la ce ló w pra kt yc z ny ch . B i o ­ rąc je dn a kż e pod uwagę d ł u g o t r w a ł ość i koszt badań e k s p l o a t a c y j n y c h , s t o ­ suje się obe cn ie w w i ę k s z o ś c i p r z y p a d k ó w z mę czeniowe b a d an i a l a b o r a t o r y j ­ ne. Ch a ra kt er y zu je je moż l iw oś ć p ra c y bez przerwy, bez w z g l ę d u n a w a r un ki a t m o sf e ry cz ne i porę roku. P o n ad to m o g ą być one r e al i zo wa ne w e d ł u g ściśle określonego, u pr z e d n i o u s t a l o n e g o programu, w s k u t e k c zego uz ys ka ne wy niki są w z n a c z n y m stopniu po równywalne.

R oz po w s z e c h n i o n e są n a s t ę p u j ą c e m e t o d y z m ę c z e n i o w y c h b ad a ń laboratoryj nych:

a) b a d a n i a p r z y stałej w a r t o ś c i a m p l i t u d y obciążeń,

b) bada ni a p r z y o d t w ar za ni u pr z eb ie gu o b c i ą ż e ń eksploat ac yj ny c h, o a m p l i ­ t u d a c h z m i e n i a j ą c y c h się losowo,

c) b a d an ia * w k t ó r y c h r z e c z y w i s t y p r z e b ie g o b c i ą ż e ń e k s p l o a t a c y j n y c h za- stęp uj e się obci ąż en i am i p r o gr am ow a ny mi .

W yniki uzjskar.e w pr z yp ad ku b a d a ń p r z y stałej amplit ud z ie są mało d o ­ kładne i ma j ą jedyn i e c h a r a k t e r o r ientacyjny. B a da ni a z o d t w a r z a n i e m prze­

biegu o b c i ą ż e ń e k s p l o a t a c y j n y c h daj ą d okładne wyniki, jednakże w y m a g a j ą s k o m p l i k o w a n y c h i k o s z t o w n y c h u r z ą d z e ń s t e r u j ą c y c h p u l s a t o r m a s z y n y w y ­ trzy ma ł oś ci ow e j. Bi orąc p owyższe p o d uwagę, do n aj częściej s p o t y k a n y c h n a leży trzecia metoda, w której do s te ro w a n i a m a s z y n y w y t r z y m a ło śc i ow ej sto su je się tz,v, p r o g r a m schodkowy. Charak t er yz uj e się on tym, że a m p l i t u d a o b c i ą ż e ń jest stała jedyn i e podc za s ściśle określonej l iczby c y k l i , b y n a ­ stępnie po jej w yk o n a n i u prz yb ra ć inną, znowu s ta ł ą w a r t o ś ć , o d p o w i a d a j ą c ą

2 0

J . P r z y b y l s k i , M , D . y k i e r , J . T a r a

ko l ej ne mu etapowi programu. Tego rodzaju p r o g ra m pozwala na znaczne u p r o ­ szczenie u r z ą d z e ń s t er uj ą c y c h pulsatora.Uzyskane wyniki są wys ta r cz aj ąc o do­

kładne, poni ew aż ch ar ak te r procesu kumulacji usz ko dz e ń zmęc z en io wy c h nie w y m a ga p e ł ne go o dt wa rz a ni a przebiegu o b c i ą ż e ń eksp lo a ta cy jn y ch podczas ba­

dań. W y s t a r c z a j ą c ą dokład no ść uzyskuje się nawet pr.y założeniu, źe w a r ­ tość średniego n a p r ę ż e n i a eksp lo at a cy jn eg o jest stała (G = const). Jest to w p r a w d z i e u pr oszczeniem, jednakże bez w i ę k sz eg o znaczenia praktycznego po nieważ na p o w s t a w a n i e i rozwój u s z k o d z e ń zmęczeni ow yc h ma przede wszysir- k i m w p ł y w r o z p i ę t o ś ć w i d m a naprężeń.

2. Pro gr am sc ho d ko wy dla obcią że ni a pojedynczego

W przypadku, g d y w w a r u n k a c h e k s p lo at ac y jn yc h r oz pa t r y w a n y element jest podd an y d zi a łaniu jednego, zmienia ją ce g o się losowo obciążenia, pods t aw ą do o p r a c o w a n i a p r o gr a mu schodkowego jest zapis przebiegu o bc i ąż e ń , u z y s k a ­ ny p r z y użyciu j e dn e go z k a na łó w r ej e st r a t o r a magnetycznego. N a s t ęp n ie ,n a po d st aw ie w y n i k ó w klas y fi ka cj i wi el kości a m p li tu d wg przyj ęt eg o k r y t e r iu m np. zl ic z an ia s z c z y tó w (maksimów i minimów) w danej klasie, przekro cz e ni a klas itp. [

1

] uzy s ku je się h i s t o g r a m (rys. 1), W przypadku, gdy u r z ą d z e ­ nie, w skład któ re go wcho dz i r o z p a t r y w a n y element, pracuje w r ó żn y ch w a ­ r u n k a c h eksploat a cy jn yc h , to dla każdego z n i c h sporządza się oddzielny

(T 1 ,0

a max

0 , 8

0 . 6 S

8 ^{0 , 4}

a.

0 , 2

0

N,

V ’ \ ^—

-- "

\V \

\ \ \ \

\ \

1 10

1 , 2 , 3 - h i W.

102 103 10i 105

Liczba cykli

Rys. 1. Sposób w yz na c z a n i a histog r am u w yp adkowego

h istogramy (tla r ó ż ny ch w a r u n k ó w eksploatacyjnych, 4 - h i s t og ra m ypadkowy, 5 - h is to g r a m w y p a dk ow y sprawdzony do 10“ cykli

M e t o d y s y m u l o w a n i a o b c i ą ż e ń e k s p l o a t a c y j n y c h w . 2 1

zapis pr z ebiegu obciążeń, uz ys ku ją c w efekcie k il ka o d p o w ia da j ąc yc h i m hi­

s t o g r am ów (rys. 1). Różni ą się one m i ęd z y sobą l i c zb ą z d ar z eń i w ar to ś ci a­

mi a m p l i t u d obciążeń. W a s tę p ną c z y n n o ś c i ą jest złożenie h i s t o g r a m ó w w h i ­ stog r am w ypadkowy, s p r ow ad zo n y do umownej liczby cykli równej 10^.Uwzg lę d ­ n i a się w ten sposób przez ekstrapo l ac ję te zdarzenia, które nie zostały uwid oc zn i on e w p o s z c z e g ó l n y c h h i s t o g r a m a c h z powodu ogr an ic zo n eg o czasu zapisu. Czas w y k o n a n i a pr ó by m o ż n a znacznie skrócić pomijając w pro gr am i e małe amplitudy, tzn. takie, które są m n i ej sz e niż 1055 maksymalnej amplitu­

dy, zmierzonej w w a r u n k a c h e k s p l o a t a c y j n y c h

W-

W t y m celu n a le ż y z mody­

f iko w ać h i s t o g r a m w y p a d k o w y w taki sposób, a b y p o z i o m am p li tu d n a p r ę że ń

■ilSi

^{= 0,1} o dp ow ia d ał liczbie cykli wynoszącej 10^ (rys.

2).

G a m a x

'C

<b

•N

dr w.

£

C

£ 0

1

Suma cykli

Rys. 2. Sposób apr ok sy ma c ji z m od yf ikowanego histog ra mu w y p a d k o w e g o przy pomocy pro gr a mu schodkowego

P rog r am schodkowy, b ę i ą o y a p r o k s y m a c j ą krzywej histogramu, składa

s i ę

najczęściej z 6 do 8 scho dk ów (rys. 3). Całkowity p r o g r a m w i n i e n być tak orracowany, aby pr ób a w y m a g a ł a co najmniej 10-krotnego p o wt ór z en ia p e ł n e ­ go cyklu j.aboiatoryjnego. Stąd też ten ostatni zawiera zwykle 5 x 10^ cy­

kli o b c i ą ż e ń [

2

^,

3

]. Próbę r oz po c z y n a się p r z y średnej wa rt oś ci poziomu na p rę żę ń .-.Łł - .. = o,;, stosując ta ką l i czbę cykli, jak a jest p r z e wi dz ia n a

2 2 J . P r z y b y l s k i , M . D y k i e r , J . T a r s

dla d a n eg o s c h od ka programu. N as t ępnie przechodzi się do ko lejnego s c ho d­

ka o w i ę k s z y m p o z io m ie n a p r ę ż e ń itd., aż do o s i ąg n ię ci a w artości --- - 6 am ax

= 1,0. D a l s z a część programu składa się z kolej no po sobie n as t ęp u j ą c y c h schodków, p o cz ąt k o w o o a mp li tu d ac h malejąc.ychT a n a stępnie o w z r a s t a j ą ­ cych. P r ó b a k o ń c z y się po w y st ąp i en iu u s zk od z e n i a badanego elementu, lub po w y k o n a n i u określonej p ro gr a m e m liczby cykli.

R y s . 3 . P e ł n y c y k l l a b o r a t o r y j n y p ro g r a m u sc hodkow ego d l a o b c i ą ż e n i a p o -

j edynczego

Czas p r o g r a m o w a n i a b a d a ń zmęc ze n io wy ch m o żn a znacznie skrócić stosując i c h i n t e n s yf i ka cj ę, p o l e g a j ą c ą na zwię k sz en iu w tym samym stopniu p o z i o ­ m ó w n a p r ę ż e ń d la p os z c z e g ó l n y c h sch od k ów programu. Przyjmując dla p r z y ­ kładu, że w s p ó ł c z y n n i k intens yf ik a cj i am pl i tu dy n a p r ęż eń w ynosi 1,4, co oznacza, że a m p l i tu dy na pr ę ż e ń zostały podc za s p ró by zi ntensyfikrwane o 40%, czas p o t r z e b n y na realiz ac ję bad an i a ulegnie 10-krotnemu skróceniu [

4

^].

O b c ią ż e n ie P ? O b c ią ż e n ie

M e t o d y s y m u l o w a n i a o b c i ą ż e ń e k s p l o a t a c y j n y c h w . . 2 3

Rys. 4. Sposób z l i c za ni a w a r to śc i s z c z y t ó w o b c i ą ż e ń P., i P„ z zacho w an ie m zależności w cz.asie

•sj<n cn ^ Co N;^ KjUjłsi/iOłsj9) ViU)

3. Prog r am sc ho dkowy dla o b c ią że ni a zwielokro tn io n eg o

2 4 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ J . P r z y b y l s k i . M . D y k i e r . J . T a r a

W wielu s p o ty ka ny c h w p raktyce przypadkach, el e me nt y u r z ą d z e ń są poddar ne jednocz e sn em u działaniu kilku o b c i ą ż e ń o r ó ż n y m c h a r a k t e r z e . Przykładem może być rama samochodu, której podłu żn ic e są zginane w d w óc h p ł a s z c z y z ­ n a c h (poziomej i pionowej), ą ponadto są skręcane. P r og ra m ba da ń w inien się wów cz a s składać z tylu o d d zi el ny c h p r o g r a m ó w schodkowych, ile jest sił d z i a ła ją cy c h w w a r u n k a c h ek s pl o a t a c y j n y c h na r o zp at r y w a n y e l ement.Aby u zy­

skać w y s t a r c z a j ą c ą dla ce l ów p r a k t y c z n y c h d okładność wyników, winne być zachowana zależność w czasie m i ę d z y p os zczególnymi p rogramami.Oczywiście, z al eżność ta musi być już za chowana pod cz a s zapisu napr ęż e ń eks pl oa t ac yj ­ n y c h n a taśmie magnetycznej, co uz yskuje się st osując w i e l o k an ał ow y reje­

s tra t or magnetyczny.

W idmo n a p r ę ż e ń zarejestrowane n a j e dn ym z k a na łó w przyjmuje się jako główne i n a jego p od stawie o pracowuje się p r o gr a m schodkowy. Następnie, w

1,0 0.5

0

i i ^{H d M S}

Suma cykli

Rys. . H i s t o g r a m y n a p r ę ż e ń dla obciąż en ia Pp w funkcji poszczególnyo schodków programu dla o bciążenia głó wn eg o 1'1

M e t o d y s y m u l o w a n i a o b c i ą ż e ń e k s p l o a t a c y j n y c h w . . 2 5

R y s . 6 . P r o g r a m y schodkow e d l a o b c i ą ż e ń P . i P j z z a c h o w a n ie m w z a je m n e j z a l e ż n o ś c i w c z a s i e

f u n k c j i p o s z c z e g ó l n y c h sch o d k ó w p ro g r a m u g łó w n e g o z l i c z a s i ę n p . s z c z y t y

n a p r ę ż e ń w y s t ę p u j ą c e w r ó ż n y c h k l a s a c h d l a widma z a r e j e s t r o w a n e g o n a i n ­

nym k a n a l e . S p o só b z l i c z a n i a s z c z y t ó w n a p r ę ż e ń d l a o b c i ą ż e n i a Fg w f u n k ­

c j i r ó ż n y c h poziomów n a p r ę ż e ń d l a o b c i ą ż e n i a g ł ó w n e g o P^ p o k a z a n y j e s t

n a r y s . 4 . W w y n ik u z l i c z a n i a u z y s k u j e s i ę t y l e o d d z i e l n y c h h i s t o g r a m ó w ,

2 6 J . P r z y b y l s k i , M . D y k i e r , J . T P r a

ap r ok s y m o w a n y c h na st ępnie liniami schodkowymi, ile s c h o d kó w zawierał p r o ­ g r a m g ł ó w n y (rys. 5).

La b or at or y jn y p r o g r a m w y k o n a w c z y symulu ją cy złożone ob c ią że ni a eksplo­

atacyjne oprac ow uj e się w taki sposób, aby każdy z ’ scho dk ó w pr ogramu dla o bc ią że n ia Pg w y k o n y w a n y był ró wn o c z e r m i e z o d p o w i e d n i m s c h o d ki em p r o ­ g ramu dla o bc ią że n ia g łównego P , . W p o d o b n y sposób p rz y gotowuje się p ro­

g r a m s ym ul u j ą c y obciążenie Pj, zarejestrowane n a i n n y m kanale rejes tr at o ­ ra m a g n e ty c zn eg o (rys. 6). Pomia ry o b c i ą ż e ń e k s p l o at ac y jn yc h w y k on uj e się tak, aby P ^ , Pj i P^ były w z a j e mn i e do siebie prostopadłe. W p o d o b n y spo­

sób ro zm ie s z c z a się pu ls at o ry stanow is ka badawczego, symul uj ą ce o b c ią ż e­

n ia eksploatacyjne.

M e t o d y s y m u l o w a n i a o b c i ą ż e ń e k a p l o a t a s y j n y c h w . . . 2 7

N a rys. 7 p r z e d s t a w i o n o s p o s ó b b a d a n i a r a m y (1), k t ó r a w w a r u n k a c h eks^

p l o a t a c y j n y c h jest p o d d a n a d z i a ł a n i u o b c i ą ż e ń p i o n o w y c h i p o z i o m y c h . «Tej p o d ł u ż n l c e s ą z g i n a n e w d w ó c h p ł a s z c z y z n a c h , a p o n a d t o s ą j e s z c z e s k r ę c a ­ ne. Z g i n a n i e w p ł a s z c z y ź n i e p i o n o w e j w y s t ą p i w ó w c z a s , g d y P 1 = P g , a w i ę c gd y o b c i ą ż e n i e r a m y j est s y m e t r y c z n e .

W

p r z y p a d k u j e d n a k , g d y o b c i ą ż e n i e jest n i e s y m e t r y c z n e , p o d ł u ż n i c e r a m y s ą z a r ó w n o z g i n a n e j a k i s k r ę c a n a . O b c i ą ż e n i a e k s p l o a t a c y j n e P^ i P 2 d z i a ł a j ą c e n a p o p r z e c z k ę p r z e d n i e j koń' cówki r a m y s ą s y m u l o w a n e p o d c z a s b a d a ń p r z e z s i ł y w y t w a r z a n e p r z e z p u l s a - t o r y (2) i (3), s t e r o w a n e p r z y p o m o c y d w ó c h n i e z a l e ż n y c h p r o g r a m ó w s c h o d ­ k o w y c h . O b y d w a p r o g r a m y są w z a s a d z i e i d e n t y c z n e , j e d n a k ż e d l a w y w o ł a n i a z ł o ż o n y c h n a p r ę ż e ń z g i n a j ą c o - s k r ę c a j ą c y c h b a d a n ej r a m y , m u s z ą b y ó w z g l ę ­ d e m s i e b i e p r z e s u n i ę t e w f a z i e . S t o s o w a n e w p r a k t y c e u k ł a d y s t e r u j ą c e urno*

ż l i w i a j ą p r z e s u w a n i e f a z w s p o s ó b c i ą g ł y w z a k r e s i e o d 0 d o 2 0 ° . O b c i ą ż e ­ ni e p o z i o m e r e a l i z u j e s i e p r z y p o m o c y p u l s a t o r a (4) s t e r o w a n e g o p r z y p o ­ m o c y p r o g r a m u s c h o d k o w e g o , z w i ą z a n e g o w c z a s i e z p r o g r a m e m p u l s a t o r a (2).

4. S t o s o w a n e p r o g r a m y b a d a ń

J a k w y n i k a z d o t y c h c z a s o w e j p r a k t y k i , n a j s z e r s z e r o z p o w s z e c h n i e n i e zner la z ł k l a s y c z n y p r o g r a m 8 - m i o s c h o d k o w y . J e d n a k ż e d ą ż n o ś ć do u z y s k a n i a c o ­ r a z l e p s z e g o p r z y b l i ż e n i a do l o s o w e g o p r z e b i e g u o b c i ą ż e ń e k s p l o a t a c y j n y c h jest p r z y c z y n ą w p r o w a d z e n i a c o r a z to n o w y c h p r o g r a m ó w b l o k o w y c h , o u p o ­ r z ą d k o w a n e j l u b lo s o w e j k o l e j n o ś c i p o s z c z e g ó l n y c h g r u p o b c i ą ż e ń (rys, 8).

W s z y s t k i e r o z p a t r y w a n e p r o g r a m y c h a r a k t e r y z u j ą s i e s t a ł ą w a r t o ś c i ą ś r e d ­ n i e g o n a p r ę ż e n i a <am, co m a b e z p o ś r e d n i z w i ą z e k z w z g l ę d n ą proste&ąi s t o ­ s o w a n y c h u r z ą d z e ń s t e r u j ą c y c h .

P r o g r a m y o u p o r z ą d k o w a n e j k o l e j n o ś c i p o s z c z e g ó l n y c h g r u p o b c i ą ż e ń (poz.

1 do 4 n a r y s . 8) m o g ą b y ó r e a l i z o w a n e z a p o m o c ą n a j p r o s t s z y c h u r z ą d z e ń s t e r u j ą c y c h , g w a r a n t u j ą c y c h s t a ł ą w a r t o ś ć a m p l i t u d y o b c i ą ż e ń w z a k r e s i e ka ż d e j z g r u p t w o r z ą c y c h p r o g r a m . P r o g r a m y o l o s o w e j k o l e j n o ś c i g r u p o b ­ c i ą ż e ń (poz. 6 i 7 n a r ys. 8) o r a z p r o g r a m o l o s o w e j k o l e j n o ś c i c y k l i o b ­ c i ą ż e ń (poz. 8 n a r y s. 8) w y m a g a j ą d o i c h r e a l i z a c j i u r z ą d z e ń s t e r u j ą ­ c y c h z p r o g r a m e m z a p i s a n y m n a t a ś m i e m a g n e t y c z n e j l u b p e r f o r o w a n e j .

W y n i k i u z y s k i w a n e w p r z y p a d k u b a d a ń o r ó ż n y c h p r o g r a m a c h n i e s ą p o r ó w ­ n y w a l n e , n a w e t g d y z o s t a ł y o p r a c o w a n e n a p o d s t a w i e t e g o s a m e g o r o z k ł a d u c z ę s t o ś c i o b c i ą ż e ń . N a l e ż y j e d n a k ż e p o d k r e ś l i ć , źe n a p o r ó w n y w a l n o ś ć u z y ­ s k i w a n y c h w y n i k ó w m a j ą r ó w n i e ż w p ł y w i n n e c z y n n i k i , t a k i e j a k n p . m e t o d a k l a s y f i k a c j i o b c i ą ż e ń z a s t o s o w a n a d l a u z y s k a n i a w y k r e s u częstojścl o b c i ą ­ ż e n i a ś r e d n i e g o , w a r t o ś ć o b c i ą ż e ń s z c z y t o w y c h itp.

B a d a n i a p r o g r a m o w a n e p o z w a l a j ą n a o k r e ś l e n i e ze z n a c z n y m p r a w d o p o d o ­ b i e ń s t w e m t r w a ł o ś c i d l a p r z e b i e g ó w m a j ą c y c h c h a r a k t e r n o r m a l n e g o r o z k ł a d u c z ę s t o ś c i o b c i ą ż e ń . N a t o m i a s t w y n i k i u z y s k i w a n e d l a p r z e b i e g ó w o n o r m a l ­ n y m r o z k ł a d z i e l o g a r y t m i c z n y m , p r o w a d z ą do p r z e c e n i a n i a t r w a ł o ś c i , w p o ­ r ó w n a n i u z t r w a ł o ś c i ą w y s t ę p u j ą c ą w r z e c z y w i s t e j e k s p l o a t a c j i .

2 8 J . P r z y b y l s k i , M . B y k i e r , J . T a r a

- pojedynczy cykl laboratoryjny i- liczbacykli

M e t o d y s y m u l o w a n i a o b c i ą ż e ń e k s p l o a t a c y j n y c h w .

i* S e rw o hy dr au l ic zn e ur zą d z e n i a badawcze

2akres i j akość w y k o n y w a n y c h b a d a ń pr og ra m o w a n y c h z a le żą w znac z ny m s topniu od m oż li w o ś c i z a s t o so wa n yc h urządzeń, do k t ó r y c h n a l e ż ą przede w s z y s t k i m różn eg o rodza ju pulsatory, g ł ó wn ie s e r w o h y d r au li c zn e. .V o s t a t ­ n i c h l a t a c h mo żn a było zao bs e rw ow ać szybki rozwój p u l s a t o r ó w s e r w o h y d r a u - licznych, które przy w s p ó ł p r a c y z e l ek tr o ni cz ny m i u r z ą d z e n i a m i p o m i a r o w y ­ mi i regulac yj n ym i, p o z w a l a j ą na d okładne real iz o wa ni e z ło żo n y c h p r z e b i e ­ g ó w obciążeń.

P u l s a t o r y serw oh y dr au li c zn e zna j du ją zastosowanie przede w s z y s t k i m w zakresie n i s k i c h c z ę s to t li wo śc i zmian o b c ią ż eń (od 0 do 100 Hz) dużych s ko k ów roboczych, (od 250 mm) i zn ac z ny ch obciążeń.

Schemat p u l s a t o r a w r a z z u k ł a d e m z a s i l a j ą c y m i r e g u l a c y j n y m jest p r z e d ­ s ta wi o n y n a rys. 9. Do sterow a ni a c y l i n d r a d wu st r o n n e g o d z i a ł an ia (1) słu ży zawór s er wo h y d r a u l i c z n y (pr ze t wo rn ik e l e k t r o h yd ra ul i cz ny ). Zawór ten (2) u m o ż l i w i a zas il an i e cyl in dr a olejem, d o p r o w a d z a n y m pod c i ś n i e n i e m ro-

2 b oc zy m rzędu 2 00 do 300 k G / c m .

OSCYLOSKOP MAGNETOFON GENERATOR STEPOWANIE

2-STRUM. SYGNAŁU TAŚMA

STERUJĄCEGO PERFOROWANĄ

Rys. 9. Schemat u k ła du h y d r a u li c zn eg o

1 - c y l i n d e r roboczy, 2 - zawór s te rujący (przetwornik e l e k t r o h y d r a u l i c z ­ ny), 3 - p rz et w o r n i k p r ze su n i ę c i a

3 0 J . P r z y b y l s k i , M . D y k i e r , J . T a r a

Sygn ał e l e k t r y c z n y po ch o d z ą c y z p r ze tw o r n i k a pr ze s u n i ę c i a tłoka r o b o ­ czego (3) jest d o p r o w a d z a n y do w z m a c n i a c z a p om ia r o w e g o , s k ą d zostaje pr z e­

k a z a n y do w z m a c n i a c z a różnicowego, W w z m a c n i a c z u r ó ż n i c o w y m ma miejsce po­

r ów ny w a n i e sygn ał u z m ie rz on e go z s y g n a ł e m zadanym, po c ho d z ą c y c h z jednego z u r z ą d z e ń p ro gr a m u j ą c y c h . Sygnał w y j ś c i o w y z w z m a c n i a c z a różni c ow eg o jest s y g n a ł e m s t e r u j ą c y m z aw ó r s er wo h ydrauliczny. Zawór ten jest e l e m e nt e m pro­

porc j on al ny m , k t ó r eg o w y j ś c i e m jest n a t ę ż en ie przepływu oleju z as il a ją ce ­ go c y l i n d e r roboczy.

P o s z c z e g ó l n e o g n i w a r o z p at ry wa n eg o u r z ą d z e n i a b a d a wc ze go , a mianowicie!

cylinder, p r z e t w o r n i k p rz es u n i ę c i a tłoka, wzmacniac.z pomiar ow y, wz m ac ni ać z r ó ż n i c o w y i z aw ór se r wohydrauliczny, t w o r z ą z am kn i ęt y u k ł a d regulacyjny.

Sygn ał sterujący, w zależności od p rz yj ęt e go pr ogramu badań, jest do­

p r o w a d z a n y do w z m a c n i a c z a r ó ż ni co we g o w postaci elektryc zn eg o sygnału cią g ł e g o o o dp o wi e d n i o zmieniającej się amplitudzie. Sygnał t e n pochodzi z u r z ą d z e n i a p r o g r a m u j ą c e g o o taśmie m a gn etycznej lub perforowanej, z g e n e ­ r a t o r a funk c yj ne go , k o m p u t e r a itp.

6. P r z y k ł a d b a d a ń p r o g r am ow a ny ch

Z wr ot ni c e k o ł a pr z ed ni eg o sa mo chodu,jest j e dn ym z najbardziej o d p o w i e ­ d z i a l n y c h e l e m e n t ó w ppjazdu, m a j ą c y m d e cy du ją c y w p ł y w n a bezpie cz eń s tw o jazdy. Czo p z w r o t ni c y jest n a r a ż o n y p o d cz as eksploatacji n a działanie n a ­ p r ę ż e ń zginających, w y w o ł a n y c h obc i ąż en ia m i z mieniającymi się losowo.

B a d a n i a p r o g r a m o w a n e c zo pa zwrotnicy pr z ep r o w a d z i ó m oż na stosując ur z ą dzenie s pecjalne, pr z ed s t a w i o n e n a rys. 10. Obcią że ni a zwrotnicy są w y w o ­ ływa ne d z i a ł a n i e m p u l s a t o r a s e r w o h yd ra u li cz ne g o ( 1 ) . Ko ns trukcja stan ow i­

s ka u m o ż l i w i a r o z k ł a d o b c ią że ń w e le m encie badanym, zbl i żo ny do rozkładu o b c i ą ż e ń e k s p l o a t ac yj ny c h.

Dla w y z n a c z e n i a trw a ło śc i zmęczeniowej czopa zwrotnicy, jak równ ie ż dla p o r ó w n a n i a w y n i k ó w u z y s k i w a n y c h w pr z yp ad ku b a d a ń różnymi metodami, p r z e ­ p r o w a d z o n o [?] badania, stosując n a st ęp u ją ce programy!

1. K o n w e n c j o n a l n y p r o g r a m 8-mio e c h o d k o w y t 2. P r o g r a m s c h o d k o w y zmodyfikowany.

3. P r o g r a m s k ł a d a j ą c y się z od dz i e l n y c h g r u p o b c i ą ż e ń zm i en ny ch o stałej w danej g r u p i e amplitudzie, u s y t u o w a n y c h s ym e trycznie w stosunku do Sm, o 1 l o s o w y m r o z m i e s z c z e n i u p o s z c z e g ó l n y c h g r u p w czasie (poz, b n a rys.8).

4. P r o g r a m o budo wi e podobnej do poprzedniego, lecz o ro zm ie s zc ze ni u po­

s z c z e g ó l n y c h g r u p w czasie ła ńcucha w e d ł u g M a r k ow a (poz. 7 n a r y s . 8).

Rys. 10. S ta no w is ko do b a d a ń zm ęc z e n i o w y c h zwrotnic:

1 - pulsator, 2 - badan a zwrotnica

B u d o w a pr ogramu 8-mio sc hodkowego o p a r t a była n a podziale roz k ła du n o r ­ m a l n eg o n a p r ę ż e ń ek sp loatacyjnych, p r ze ds t a w i o n e g o w t a b l ic y 1. Pr zyjęto*

3

że p o j e d y n c z y cykl l a b o r a t o r y j n y s k łada się z 4 x 10 cykli obciążeń, co g wa ra n tu je w i e l o k r o t n e jego powtórzenie, aż do s p o w od ow a ni a u sz k od z e n i a ba danego elementu. Próbę r o z p o c z y n a się zawsze pr zy średniej war to śc i a m ­ p l i t ud y naprężeń, odpowiadającej p i ąt em u schodkowi pr o gramu. M a to n a c e ­ lu zmni e js ze ni e efektu u m o c n i e n i a meteriału. Stosując p i erwszy p r o gr am zbadano 25 zwrotnic, p r z e d st a wi aj ąc uzys ka ne wynik i w postaci w y kr es u zmę­

czenio we go (rys. 11).

W ed łu g pr og ra mu zmody fi ko w an eg o zbadano d a l s zy ch 25 zwrotnic. Zastoso­

w a n a m od yf i k a c j a p o l e g a ł a na reali z ac ji jedynie pięciu s c h od k ów (od pi e r­

w sz eg o do piątego), z kl as yc z n e g o prog ra m u 8-mio schodkowego. Pomijając t rz y os ta tn ie schodki, stanow ią ce cz ęś ć programu z aw ie ra j ąc ą znaczną licz­

bę cykli o m a ł y c h a m p l i t u d a c h (tablica 1), u z y s k a n o znaczne p r z y s p i e s z e ­ nie w y k o n y w a n y c h badań.

A m p li tu d a n a p rę ż e ń 6 sk u te cz ne ~ c m 2]

3 2 J . P r z y b y l s k i ,

M.

D y k l e r , J . T ą r a

T a b l ic a 1

Podział rozk ła d u n or m al ne go n a p r ę ż e ń o liczbie cykli N = 4.10^ n a 8 sc ho dk ó w

Stop i eń P oz io m 6ni ó a m a x

L ic z ba cykli dla jedn eg o schodka

Suma cykli

1 1,000 1 1

2 0,937 4 5

3 0,812 40 45

4 0,687 92 137

5 0,562 360 497

6 0,437 732 1229

7 0,270 1740 2969

8 0,120 1031 4000

gdzie: 6 j - a m p l it ud a b i eż ąc a - a m p l i tu da m a ks ym a l n a

^amax

L i c z b a c y k li

Rys. 11. P r z yk ła d wykresu p r z ed st a wi aj ąc e go w y n i ki badań

M e t o d y s y m u l o w a n i a o b c i ą ż e ń e s k p l o a t a c y j n y c h w . . 3 3

B a d a n i a r e a l i z o w a n e w e d ł u g p o z o s t a ł y c h d w ó c h programów, m iały głównie na cel u określ e ni e w p ł y wu l osowego r o z m i e s z c z e n i a p o s z c z e g ó l n y c h g r u p o b ­ c iążeń n a t r w a ło ś ó zm ęc zeniową. W s z y st ki e badania, n i e z a l e ż n i e od s to so ­ w a n e g o programu, b y ł y r ea l iz ow an e prz y n ie zmiennej c z ę s t o t li wo śc i pracy pulsatora, w yn os z ąc ej 15 Hz. Zwrotnice był y w y k o n a n e ze stali SAE5130.

N a rys. 11 p r z e d s t a w i o n o w y n i ki b a d a ń w y k o n a n y c h w e d ł u g pierwszego, t r z e c ie go i c zw ar t e g o pr og ramu. N a i c h pod st aw i e m o ż n a z a o b s e rw ow a ć, iż ro­

dzaj p rz yj ę t e g o pr og ra m u miał jedy n ie n i e z n a c z n y w p ł y w n a uzy sk an e wyni ki badań. Lini am i k re s k o w y m i na w y k r e s i e zaznac zo no g r an i ce obszaru o d p o w i a ­ dającego 9 5 % p r a w d o p o d o b i e ń s t w u u s z k o d z e n i a czopa, od ni es i o n e m u do w y n i ­ k ó w b a d a ń u z y s k a n y c h w p rz ypadku p i e r w s z e g o programu. Z 'wykresu w yn i ka ,ż e w y t r z y m a ł o ś ć zm ęc z e n i o w a b adanego elementu o k r e śl on a p r z y zastosowaniu t rz ec ie g o i c z v » r te go programu, l e ż y równi e ż w e w n ą t r z pr zy j ęt eg o obszaru p r a w d o p o d o b ie ńs tw a . W e w n ą tr z tego obs za ru m i e sz c zą się też w y ni ki u z y s k a ­ ne dla dr ug i eg o prog r am u [7]. co jed na kż e nie zostało u w i d o c z n i o n e n a wy.

L i c z b a cykli Ng p r z y jakiej element ule gn i e us z ko d z e n i u w w a r u n k a c h e k s p l o a t a c y j n y c h w y n i e s i e

gdzie!

N, - l i cz b a cykli, p r z y której element u l e g a znisz cz en iu w b ad an ia c h progra mo wa n yc h,

k - w y k ł a d n i k potęgowy.

Dla e l e m e n t ó w m a s z y n w y k o n a n y c h ze stall k - 6,5 - 7,0, średnio k = 6,8

7. Wnioski

B a r d zo p r ac o ch ło nn e i w y m a g a j ą c e dł ugiego czasu bada n ia ek s pl oa ta c yj ne m oż na za stąpić l a b o r at or y jn ym i b ad aniami progr a mo wa ny m i. Uz ys k an e wynik i są w y s t a r c z a j ą c o dokładne, poni e wa ż c h a r a k t e r procesu k um u la cj i u s z k o dz eń z m ę c z e n i o w y c h n ie w y m a g a pełne g o o d t w a r z a n i a w a r u n k ó w e k s p l o a t ac yj n yc h p o d c za s badań. Cz ę stotliwość, z j ak ą się re al i zu je badania, nie ma w i ę k ­ szego znaczenia, gdyż w y t r z y m a ł o ś ć z m ęc ze n io wa metali, w zak re si e c z ę s t o ­ tl i wo śc i o d 5 do 2 0 0 Hz, zmi en ia się jedynie niez na c zn ie .

B a d an i a p r o g r a m o w a n e u m o ż l i w i a j ą o d tw ar za n ie prawidłowej l ok alizacji pęknięcia. Ponadto, p o z w a l a j ą one na ilo ś ci ow e p or ów n y w a n i e tr w ałości zmę­

czeniowej r ó ż n y c h r o z w i ą z a ń k o n s t r u k c y j n y c h i r ó żn yc h ma t eriałów. Są więc szcz eg ó ln ie p r z y d a tn e d la o p t y ma li z ac ji konst ru kc j i w s t a d i u m rozwoju.

kresie .

3 4 J . P r z y b y l s k i , M . D y k i e r , J . T a r a

L ITERATURA

[1] T. Kasa - The E n gi neers Digest, 3, 1962, 79»

[2] E. G a s s n e r - Konstruktion, 3, 1954, 97.

[

3

] G. Bollani - ATA (A S S O CI AC IO N E T E C N I C A DE L L A U T O M O B I L E ) ,11,1969,561.

[

4

^] J. Przyby l sk i - P rzegląd Mechaniczny, 4, 1973, 134.

[

5

^] G» Jaco by - Rheinstahl Technik, 1, 1972, 20.

[6] G. J a c ob y - Zeitschrift f ü r F lugwisaesehaften, 18, 1970, 253.

[

7

] J.D. Tedford, B. C ro s sl an d - Pr o ce e d i n g s The I ns ti t u t i o n of M e c h a n i ­ cal Engineers, 24, 187, 1973, 295.

M E T O Æ H CHMyjliiPOBAHHfl 3KCHJiyAT AU0OHHHX HAFPy30K B yCTAJIOCTHHX HCCJIEÄOBAHHHX

P e 3 u m e

n p o ^ O M H T e a b H H e h ^ o p o r o o i o / m z e s K o n j i y a i a n a o H H H e y c i a j t o o T H H e a c c a e A O B a - K H Ä 110X H O 3 a u e a H T b CTeH,£,0BH142 J t a ö O p a T O p H U U H BCCJieAO B a H H K l i E n p O B e a e H H U M H DO o i y n e H E a T o ä n p o r p a x x e . B o T a T t e E 3 A o x e H c n o c o ö c o o i a B i e H H Ä c T y n e H L v a r o i t n p o 1 r p a M M H e A K H H E H O r o m e c j l o e h o t o o-ay^as a a r p y s K H .

THE METH OD S OP SI MU LA T I N G T HE P I E L D LOADS 'IN T H E F A T I G U E INVEST I GA TI ON S

S u m m a r y

Expensive a nd d e la te d f i el d fatigue test c a n be s u b a i i u t e d by lab o ra to 1 ry test ba se d on the step p r o gr am m methods. In thi s article there is p r e ­ sented the m e t h o d f or p re pa r in g t he step p r o g r a m m f o r the case of single or m u l t i p l e loadi n g modes of elements.