14552 (Технологічне забезпечення відновлення дисків сошників зернових сівалок), страница 7

Диск на сошнику закріплюється під кутом атаки, який лежить у двох площинах: у фронтальній площині кут атаки α становить близько 20⁰, а у вертикальній β - близько 25⁰.

Основними зусиллями, які чинять опір руху диска в умовах абразивного середовища, є - F, N та Q. Зокрема, дія навантаження F зосереджена на робочу крайку диска, і відповідно зварний шов працює як на стиск, так і на разтяг. Внаслідок дії ґрунту по складових навантаження N та Q в диску діють додаткові зусилля згинання. Таким, чином узагальнено можна стверджувати, що під час експлуатації диск перебуває під дією знакозмінних згинальних сил, які можуть бути причиною його руйнування.

Під час згинання та розтягу зразка з м'яким прошарком (зварний шов) в той момент, коли середні напруження досягають границі текучості металу прошарку, в ньому виникає пластична деформація 64,136. Однак розвитку такої деформації чинить опір сусідній більш міцніший метал, який ще продовжує працювати пружно. Такий ефект призводить до виникнення на контактних поверхнях дотичних напружень. В результаті цей прошарок в приконтактній області набуває об'ємного напруженого стану на деяку глибину.

Рис.2.5 Силова схема дії робочого навантаження на диск сошника:α=20⁰, β=25⁰ - кути атаки відповідно у фронтальній і вертикальній площинах, F, N, Q - зусилля, які діють на диск під час руху у ґрунті

Тому вплив цього стану на властивості м'якого прошарку та його контактне зміцнення залежить від розмірів самого прошарку, товщина якого повинна бути меншою за товщину основного металу. Коли їх відношення (b - ширина м'якого прошарку, h=2,5мм. товщина матеріалу диска) (рис.2.3), тоді ефект контактного зміцнення проявляється істотніше.

На підставі проведеного моделювання геометричних розмірів зварного шва встановлено, що оптимальна ширина м'якого прошарку b=1,8. .2 мм. Відносна товщина прошарку при цьому , що теоретично може забезпечити необхідну схильність з'єднання до контактного зміцнення, яке підвищить стійкість диска до втомного руйнування під час експлуатації в ґрунті.

2.2 Структурні перетворення при зварюванні сталі 65Г

Під час рівномірного нагрівання металу відбувається його вільне розширення без утворення напружень. Якщо ж нагрівання нерівномірне, що має місце при зварюванні, то менш нагріті ділянки тіла перешкоджають вільному розширенню більш нагрітих, і в результаті, виникають температурні напруження. Такі напруження існують в металі на усіх стадіях термічного циклу.

Внаслідок нерівномірного нагрівання металу та зміни його об'єму через температурне розширення під час зварювання, а також в результаті фазових і структурних перетворень, призводять до виникнення пружних і пластичних деформацій. Під впливом пластичних деформацій при високих температурах у зварному з'єднанні після повного охолодження залишаються власні напруження або так звані залишкові напруження.

Поряд з тепловими напруженнями при зварюванні сталі 65Г виникають структурні напруження, що зумовлені перетвореннями із зміною структури в тих зонах основного металу, які в процесі зварювання були нагріті вище критичної температури A_C3. При охолодженні від цієї температури в результаті переходу аустеніту в мартенсит, у діапазоні температур початку (для сталі 65Г М_П=270⁰С) та кінця (М_К=-5⁰С) мартенситного перетворення, відбувається збільшення об'єму металу 138.

Розширенню об'ємів новоутвореної структури мартенситу перешкоджають ділянки зварного з'єднання, у яких структурні перетворення не відбулись. Тому в об'ємах із структурою мартенситу виникають залишкові напруження стиску, а у примежових ділянках - напруження розтягу, які зумовлюють додаткове зростання пластичних деформацій.

Схематично вигляд дилатометричної кривої для сталі 65Г зображено на рис.2.6

Рис.2.6 Дилатолометрична крива сталі 65Г при охолодженні

Величина та характер розподілу залишкових напружень, які виникають у зварному з'єднанні сталі 65Г, є головними чинниками, відповідальними за технологічну та експлуатаційну міцність. Природа виникнення цих напружень залежить від багатьох факторів, і одним з основних є хімічний склад основного металу і, зокрема, вміст вуглецю.

В порівнянні з іншими структурними складовими 47, мартенсит, який утворився при зварюванні сталі 65Г, має високу твердість, крихкість та підвищений питомий об'єм. Для порівняння, структурні складові аустеніт та перліт мають питомий об'єм відповідно 0,1275×10^-3 та 0,1286×10^-3 м³/кг, а для мартенситу він рівний 0,1310×10^-3 м³/кг 48.

Отже, структурні перетворення аустеніту в мартенсит при зварюванні сталі 65Г зумовлюють різку зміну об'єму у біляшовній зоні, і розтягувальні напруження, що виникають на стадії охолодження металу, переходять у стискальні, які після завершення структурного перетворення можуть знову перейти в розтягувальні 44,46.

Таким чином, на відносно неширокій ділянці зварного з'єднання має місце значний перерозподіл величини та характеру залишкових напружень, для визначення яких доцільно застосовувати непрямі методи оцінки. Небезпека таких напружень та складність їх визначення підвищується у випадку утворення криволінійного зварного з'єднання, зокрема, колового, що має місце при відновленні робочої поверхні за зовнішнім діаметром диска сошника зернової сівалки електродуговим способом зварювання.

Особливістю колового з'єднання є наявність замкнутого шва. В такому випадку деформації поперечного скорочення колового шва не можуть бути компенсовані незначним переміщенням зварювальних деталей, і вони зазвичай переважають поздовжні деформації. В результаті, усадка при утворенні такого колового з'єднання супроводжується виникненням додаткових напружень першого роду, які в залежності від геометричних розмірів деталі є неосесиметричними. Сукупна дія залишкових напружень першого та другого роду, що виникають при утворенні колового з'єднання у відремонтованому диску, мають визначальний вплив на ресурс його роботи. У зв'язку з цим є необхідним аналіз напруженого стану зварного з’єднання сталі 65Г з коловим швом. Великий інтерес представляє застосування методів математичного моделювання для визначення розподілу та концентрації напружень в конструкціях, які при зварюванні з’єднуються такими швами. Важливість таких розрахунків диктується ще й тим, що залишкові зварювальні напруження, які носять місцевий характер, досягають межі плинності матеріалу і переважно є значно більшими, за діючі в конструкції робочі напруження [130]. Однак математичні моделі дають змогу розрахувати поле деформацій і напружень тільки в окремих простих випадках. Неруйнівні фізичні методи також не дають можливості визначити повну картину розподілу напружень, а руйнівні, через їх високу вартість, важко зреалізувати.

Оскільки на даний час відсутній прямий метод визначення напружень в коловому з'єднанні аустенітним швом при зварюванні сталі 65Г, для його визначення в роботі запропоновано експериментально-розрахунковий метод, який адаптований до фізико-механічних властивостей та конструктивних елементів відремонтованого диска сошника зернової сівалки.

Метод базується на розв’язуванні обернених задач механіки деформованих тіл із власними напруженнями та використанні доступної експериментальної інформації [100,108].

Суть даного неруйнівного експериментально-розрахункового методу визначення залишкових напружень полягає в наступному. Для конкретної сукупності технологічних умов процесу формування колового зєднання поле вільних пластичних деформацій, несумісність яких зумовлюють залишкові напруження, із врахуванням апріорних уявлень про його розподіл, описується функцією е⁰, яка належить деякому компакту і містить певну кількість довільних параметрів. Функція е⁰ підставляється в рівняння із власними напруженнями і будується розв’язок цих рівнянь. Із використанням відповідних формул записуються вирази для визначення залишкових напружень у довільній точці диска. При цьому в дані вирази входять деякі невідомі параметри, які характеризують функцію е⁰. Щоб їх знайти, необхідно для частини компонентів тензора напружень і інтегральних характеристик, що отримані експериментально, та для відповідних виразів теоретично визначених напружень побудувати функціонал, мінімізація якого забезпечує мінімальне відхилення відповідних теоретичних обчислень від експериментально отриманих значень напружень. Після знаходження параметрів поля записують деформації е⁰ і визначають усі компоненти тензора залишкових напружень, зокрема, і ті, які не змогли отримати експериментальним шляхом. Тобто, розглядається обернена задача із власними напруженнями.

В роботі застосовано експериментально-розрахунковий метод, адаптований до визначення компонентів напруженого стану у зварних з’єднаннях коловим швом сталей, схильних до аустеніто-мартенситних перетворень, тобто сталі 65Г. Розроблена математична модель, що враховує особливості формування поля пластичних деформацій в сталях даного типу та конструктивні схеми виконання з’єднань.

2.3 Дослідження залишкових напружень в зварному з’єднанні виконаному коловим швом

Математична модель методу визначення величини та характеру розподілу залишкових напружень в зварному з’єднанні коловим швом з врахуванням краєвих умов, базується на використанні рівнянь механіки деформівних тіл з власними напруженнями, а також інформації, отриманої за допомогою одного з експериментальних методів, зокрема методу магнітопружної тензометрії 56,150.

Розглянемо випадок накладання зварного шва на круглу тонкостінну деталь, з метою отримання стикового зварного з'єднання 41. Вважаючи, що напружений стан в коловому зварному шві відновлюваного диска є плоский, попередньо приймаємо умову осьової симетрії, і головними напрямками у випадку формування колового шва будуть радіальний та коловий. Відповідно тензор напружень буде мати дві відмінні від нуля компоненти та , а тензор деформацій - дві незалежних компоненти та . Тоді, записавши умову рівноваги [52,53]:

, (2.1)

та враховуючи геометричні співвідношення

; ; ; (2.2)

Де, - координата в радіальному напрямку; - радіальне переміщення, згідно з методом умовних пластичних деформацій [53] отримаємо

, (2.3)

Де , - умовні пластичні деформації; - коефіцієнт Пуасона; Е - модуль Юнга.

Значення умовних пластичних деформацій і після побудови відповідних розв’язків визначаються із умов узгодження між розрахунковими значеннями компонентів і відповідними величинами, знайденими на основі експериментальних даних. Із виразів для визначення пластичних деформацій (2.3) та враховуючи геометричні співвідношення (2.2) отримаємо 52:

,

(2.4)