конструкций машин и их элементов.

Рассмотрим программу испытаний на малоцикловую усталость крыла тяжелого пассажирского самолета. Один программный блок нагружения был эквивалентен одному типовому полету, нагрузки которого определились как средние из четырех типовых профилей трехчасового полета. Один программный блок при усталостных испытаниях крыла в системе всего планера выполнялся за 8,5 мин, моделируя трехчасовой полет (рис. 1). Он состоял из 36 циклов, которые соответствовали наземным циклам (заправка и руление по полосе), взлету, набору высоты с выпущенной механизацией, подъему до высоты крейсерского полета, длительному крейсерскому режиму с учетом типовой болтанки, маневренным предпосадочным режимам и посадке. Таким образом, крыло нагружали циклами с различной асимметрией и изменением знака нагрузки.

Техническая реализация этой программы проводилась при испытании на усталость всего планера самолета «Боинг-747» с помощью электрогидравлической многоканальной системы нагружения (86 каналов), управляемой от цифрового программного устройства с ЭВМ. Стенд для испытания на усталость находился под открытым небом в условиях некоторого подобия реальной окружающей среды. Крыло испытали на усталость на двукратный срок службы; было выполнено 20 000 эквивалентных полетов, после чего на основные силовые элементы крыла с наиболее высоким уровнем напряжений были нанесены искусственные надрезы и испытания продолжены по типовому спектру на живучесть.

Сложные блочные циклограммы нагружения панелей и образцов обычно упрощают, если известны доминирующие нагрузки, вносящие основное повреждение в конструкцию. Так, при испытании на усталость панелей и стыков герметического фюзеляжа воспроизводят только пульсирующую нагрузку, которую выполняют на усталостных испытательных машинах при невысоких частотах нагружения, поскольку для соединений с герметиком или синтетическим клеем скорость нагружения существенно влияет на долговечность.

Рис. 1 Программный блок вертикальных нагрузок на крыло самолета «Боинг-747» при испытании на усталость: А – заправка топливом;

Б – руление по полосе; В – взлет; Г – набор высоты; Д – крейсерский режим; Е–Ж – снижение, выдерживание; З – заход на посадку; И – посадка

Испытания на усталость образцов материалов для определения пределов усталости и построения кривых проводят при мало- и многоцикловом нагружении. Выбор НДС и тип образца должны соответствовать типу нагружения и НДС реальной конструкции.

Кривые усталости, полученные на образцах материалов, являются эталонными, на них отдельными точками наносят результаты испытания полунатурных панелей и образцов, натурных валов, осей и т.д.

В других случаях блочного программного или случайного нагружения эталонную кривую усталости используют для расчета долговечности детали, проведенного на основании гипотез суммирования усталостных повреждений, после чего результат расчета сравнивают с данными усталостного испытания объекта по сложной программе.

Программы многоцикловых усталостных испытаний наиболее характерны для деталей и агрегатов транспортных и технологических машин, работающих при сравнительно низких напряжениях, но высокой повторяемости (цикличности) нагрузок. Реальные спектры нагрузок, зарегистрированные на агрегате при эксплуатации прототипа, скорректированные для новой машины, или расчётные, полученные на математических моделях, моделируют в программе испытаний типовыми спектрами нагружений (табл. 1). Так, при испытании деталей автомобиля нагрузки от двигателя, взаимодействия с неровностями дороги и функциональные нагрузки от операций с полезными грузами создают в целом сложное воздействие на машину, которое моделируют для различных деталей почти всеми типами программного нагружения. Пружины клапанов двигателя, имеющие постоянный ход, испытывают при регулярном периодическом нагружении; детали трансмиссии вала от двигателя до сцепления нагружают характерным блочным спектром; цапфы подвески колес, испытывающие случайное нагружение от неровности дороги, функциональные и тормозные нагрузки, могут быть испытаны при квазистационарном случайном нагружении.

Таблица 1.

Такие объекты, как подкрановые балки, сварные фермы железнодорожных мостов и ретрансляционных мачт испытывают нагрузки, близкие к бигармоническим, когда на циклическую (периодическую) нагрузку наложены гармоники малых амплитуд, но достаточно высоких частот. Расчет и испытание сварных конструкций мостов ферменного типа проводят на двухчастотное или полигармоническое (стационарное случайное) нагружение.

В задачах оптимизации конструкции на основе усталостных испытаний, которые проводят обычно при регулярных периодических спектрах чаще всего на резонансных машинах при симметричном цикле, важным методическим условием достоверности результатов является их рассеяние. Нормальный закон рассеяния, характерный для свойств материала одной партии, дает разброс 1:2 до 1:3 по долговечности. Но для детали штампованного рулевого рычага автомобиля на разброс результатов влияет технология: изнашивание штампа, появление заусенцев, изменение твердости и структуры поверхностного слоя, дающие разброс 1:5,5 в диапазоне 10–90 % вероятности Р значений по долговечности, при общем разбросе в партии из 130 испытанных рычагов – 1:50 (рис. 2).

Рис. 2 Разброс долговечности N штампованного рулевого рычага автомобиля при многоцикловой усталости (m = 6 – тангенс угла наклона)

При каждом цикле оптимизации детали и ее последующем испытании необходимо следить, чтобы разброс результатов следующей итерации не превышал рассеяния результатов предыдущего испытания.

При разработке любых экспериментальных программ необходим полный состав документации: вводная часть программы, дающая описание проблемы и основание для экспериментальной работы, а также ряд обязательных разделов – описание и параметры объекта испытаний; общие и конкретные цели испытаний; объем, порядок (организация) испытаний; условия проведения; перечень необходимой документации для всего цикла работ; конкретное испытательное оборудование, включая перечень приборов, и энергетические потребности; разработка или проверка метрологического обеспечения машин, приборов и систем; материально-техническое обеспечение испытаний; форма отчетности; санитарно-гигиенические требования по технике безопас­ности.

Методические вопросы усталостных испытаний отражены в ГОСТах.

Ответьте на вопросы (письменно)

1. Перечислите объекты экспериментальных исследований и решаемые при этом задачи на различных этапах создания машины.

2. Охарактеризуйте модели, используемые при определении аэродинамических нагрузок на профиль крыла и исследовании панельного флаттера соответственно.

3. На каких испытаниях получают количественные оценки для обоснования реальной долговечности и прочности конструкции?

4. Перечислите типовые образцы,(узлы и т.д.) и соответствующие исследования объектов механических систем для экспериментального определения характеристик антифрикционных, фрикционных пар трения для анализа смазок.

5. Охарактеризуйте кинематические и динамические модели механизмов и задачи, решаемые с их использованием.

6. Перечислите натурные узлы подвижных соединений и соответствующие характеристики, определяемые на специальных стендах.

7. Перечислитенатурныеэнергоагрегаты и энергомашины и охарактеризуйте соответствующие виды испытаний и оборудование.

8. Перечислите эксплуатационные режимы, представленные в программном блоке испытаний на малоцикловую усталость крыла.

9. Опишите испытания на усталость панелей и стыков герметического фюзеляжа.

10. Охарактеризуйте долговечность N штампованного рулевого рычага автомобиля по данным рис.2.