焊接件旋转弯曲疲劳极限性能研究.pdf

第34卷第2期 2 0 1 4年4月 黑龙江冶金 Heilongjiang Metallurgy Vo1．34 No．2 April 2 0 1 4 焊接件旋转弯曲疲劳极限性能研究 董俊 (哈尔滨东安发动机(集团)有限公司，哈尔滨150066) 摘要：采用悬臂弯曲加载方式，通过升降法试验，根据焊接接头试样在室温条件下所承受的交变应力与寿命 之间的关系来预测机件的疲劳寿命。 关键词：疲劳极限；升降法；破坏；越出 Research on Rotating Fatigue Strength of Welding Parts Dong Jun (Harbin Dong An Engine(Group)Co．Ltd．，Harbin 150066 China) Abstract：Using cantilever bending load method，the relationship can confirm welding part，s fatigue strength between the life and alternating stress that welding sample can be stand under alternating StreSS． KeyWords：fatigue strength；rise and fall method；break；pass 工程上有许多机件在服役过程中，既使交变 应力低于材料的屈服强度，经过较长时间工作也 会发生断裂，所以研究材料在交变载荷作用下，金 属所承受的交变应力与寿命之间的关系来预测机 件的疲劳寿命是十分重要的。本文为确定焊接件 的旋转弯曲疲劳极限，采用光滑圆柱试样，在室温 环境下，分别对8根试样进行了3个应力级别的 试验研究，并对试验数据进行了分析。 1试验原理及试样 1．1试验原理 试验时，试样被夹紧，并随主轴一起旋转，负 荷通过卡箍、拉杆等机件作用在试样的两端，因为 负荷方向不变，试样在旋转状态下受弯曲应力，每 一点的应力都是随试样旋转而做相同速度的反复 变化。在试样的工作面的全长受到均匀分布的纯 弯曲力矩的作用，循环应力和纯弯曲力矩如图1、 图2。 图2中ABCD为试样支撑点到力作用点的距 离a即为力臂。BC表示试样工作长度L，试样在 CD长度内受等弯矩的作用，作用在试样上的力为 I 一个应力循环 ． ． 、＼＼ 入～ 一 图1循环应力 Q。由纯弯曲应力计算公式：盯=M／W，其中M= Qa／2；w=1Td3／32所以 =16Qa／~rd 式中：M一试样危险截面弯曲力矩，kd·mm； w一圆柱形试样的抗弯截面系数，mm ；d一试样危 险截面的直径，mm；Q一施加在试样上的总负荷， kgf。 1．2试样 试样类型为光滑圆形长试样，制备试样时不 收稿日期：2014一O1—09 作者简介：董俊(1978一)女，哈尔滨东安发动机(集团)有限公司质量技术员，工程师。 l2 第2期 董俊：焊接件旋转弯曲疲劳极限性能研究 图2和纯弯曲力矩 应因加工而改变试样的疲劳性能。因为在交变载 荷作用下，金属的不均匀滑移主要集中在金属表 面，疲劳裂纹也常常产生在表面，所以试样的表面 状态对疲劳极限影响很大，表面的划痕、磨裂等微 小而锋利的缺口一样引起应力集中，使疲劳极限 降低。表面光洁程度越高，材料的疲劳极限越高， 材料的疲劳极限越高，表面光洁程度对疲劳极限 影响越显著。因此在制备试样时应严格按车削粗 加工、车削精加工、磨削精加工及表面抛光等工艺 加工试样。旋转弯曲疲劳试样如图3。 1．3升降法试验… 由于疲劳数据在低应力水平存在较大的分散 图3旋转变曲疲劳光滑园柱试样 性，用常规的成组试验法很难测出疲劳极限，所以 采用升降法试验来进行试验。 测定焊接件在长寿命区指定寿命(NO=10 ) 下的疲劳极限。本次试验有效试样数量为8根； 光滑试样的应力级差选择在预计疲劳极限的5％ 以内，选为5MPa；升降的应力水平为3级。 本次试验首先选用220MPa作为预计加载应 力，随后试样的加载应力取决于前一根试样的试 验结果。如果试样在到达指定疲劳寿命之前发生 断裂则称作“破坏”(用×标记试验点)，如到达指 定疲劳寿命未发生断裂则称作“越出”(用。标记 试验点)。根据上一根试样的试验结果(越出或破 坏)决定下一根试样的试验应力水平(降低或升 高)，若上一根试样在达到规定的循环次数以前破 坏，则下一根试样的试验应力降低一个级差；反 之，上一根试样越出则下一根试样的试验应力增 加一个级差，直到完成全部试验。表1为试验数 据，图4为各试样在循环应力作用下的升降图。 根据升降图，最后一个有效数据点的为越出 。时，它的下一个数据恰好回到第一个有效数据 表1疲劳试验数据 ∞ 譬 215 b 2lO ．， 一 2 4 6 8 试验序号 图4升降图 (下转第17页) l3 第2期 朱宁，等：数字化蓄热式步进梁加热炉在棒材生产中的应用与分析 装，又要杜绝冒火现象的出现。 蓄热式烧嘴采用双流股蓄热式烧嘴形式，强 化炉温的均匀性。既考虑低热值燃气的燃烧混合 问题，保证煤气的完全燃尽，又实现炉膛温度的均 匀性。 燃烧喷口是燃烧系统的关键部位，设计上选 择最优的气体出口速度以及混合喷射角度。既确 保燃气在炉内充分燃尽，不会在对面的蓄热体内 继续燃烧而对其造成损坏，同时又合理促成低氧 燃烧的实现，避免出现局部的高温过热。既强化 炉温的均匀性，减少NOX等有害气体的生成，又 减小高温下脱碳情况的发生。 3．5蓄热体 蓄热体采用陶瓷蜂窝体。高温段材质为高纯 铝质材料，保证有较高的耐火度和良好的抗渣性， 低温段材质为堇青石，堇青石的特点是在低于 1 000~C的工况下具有较好的抗腐蚀和耐急冷急热 性。蜂窝体的前端增加高铝质挡砖，增加蜂窝体 的堆放稳定性，减少高温炉膛对蜂窝体的辐射。 3．6换向系统 空气一烟气换向系统采用全分散换向方式。 换向阀门全部为气动，以洁净的压缩空气作为动 力源，气源压力不低于0．4MPa。全炉60个蓄热 式烧嘴，共采用3O台用于空一烟气换向的三通换 向阀，30只煤气快速切断阀。每套烧嘴使用1套 换向系统，不致于像集中式换向那样要将出现问 题的那一段全部停下来，保证操作的连续性和生 产稳定性。换向阀可以与燃烧喷口之间就近布 置，缩短了换向阀与喷口之间的换向盲区，最大限 度减少了交叉污染带来的不安全因素。采用时序 换向方式，每套换向装置换向时对炉压的影响大 为减小，精确控制了各部分炉温、炉压，提高了炉 子的控制性能和钢坯加热质量。 4 结语 步进式加热炉自2009年投产至今，运行稳 定、效果良好，采用数字化蓄热式燃烧方式达到了 大幅节能的效果，同时减少污染物排放。经济效 益和环保效益显著。 (上接第13页) 点，此升降图可闭合。将相邻应力级的各数据点 配成对子。配对时，从第一次出现相反结果的两 个数据点为有效数据点，即图中第二点和第三点。 图中有效数据点共8个，恰好配成4对，如表2所 示，ni，为第1个和第i+1相邻两极问的对子数。 表2升降法配对子 根据统计学观点，疲劳极限定义为：“指定循 环基数N0下的疲劳强度估计量”这样，当应力叮i 遵循正态分布时，取子样平均值作为母体中值估 计量，疲劳极限O-。应等于以ni，为权的or。i加权平 均值。 1 n ：， ∑ (1O“D -27 O'Di ) 己 ， i=1 将表2中数据带人公式(1)则得疲劳极限 D=(217．5 X 1+212．5 X 3)／4=213．75 MPa 子栏棕准善 ．S～／ 二 一，) 子样标准差为．L=／ L 二 =2．5 ^√ n —l 变异系数 J Cv=S／o“ =2．5／213．75=0．0117 由表3可知：当观测值为3时C =0．021就可 以满足置信度 ：95％的要求，本次试验值为 0．0117，小于0．021，满足要求。 表3若取置信度-,／=95％，相对误差8=±5％ 最少观测值个数 变异系数Cv范围 最少观测值个数n 小于0．021 0．020l～0．O314 O．0314～0．0403 3 4 5 2 结语 焊接件的疲劳极限为213．75MPa，来预测机 件的疲劳寿命，作为设计参考数据无论从基础理 论还是实际应用都具有重大意义。 参考文献 [1]金属室温旋转弯曲疲劳试验方法HB5142—1996[S]． [2]苏彬等．疲劳与断裂2000[M]．气象出版社，2000． 17