Почему рама самосвала трескается у края шва через несколько лет, хотя ни разу не была перегружена? Выбирай сварной узел, дорогу и загрузку, смотри на кривые усталости и запускай ускоренную работу, чтобы узнать, когда появится трещина и как ее отсрочить.
Когда деталь много раз нагружают и разгружают, в ней растет усталостная трещина, даже если каждый раз напряжение намного ниже предела прочности. Сварной узел устает быстрее цельной детали: край шва это резкий переход, там поток силы сгущается, в металле остаточные напряжения растяжения, а у самой поверхности мелкие подрезы и шлак. Поэтому сварные узлы считают не по марке стали, а по категории детали FAT: она говорит, какой размах напряжений узел выдержит два миллиона раз. Общая теория усталости разобрана в механике, в теме «Усталость и концентраторы напряжений».
Чтобы оценить ресурс узла, надо знать три вещи: какой размах напряжений дает нагрузка, сколько таких циклов в год и сколько их выдержит узел по своей категории. Числа берутся из опыта.
Сколько циклов выдержит узел?
Кривая усталости сварного узла в логарифмах прямая с наклоном 3: размах вдвое больше, циклов в 8 раз меньше. При двух миллионах циклов размах равен FAT.
Какой размах дает дорога?
При ударе колеса напряжение скачет вверх и вниз от среднего на долю kд. От рейса к рейсу кузов то полон, то пуст: это редкий, но большой цикл.
Сколько лет до трещины?
Каждый цикл съедает свою долю жизни узла. Доли складываются, и когда сумма за все годы доходит до единицы, появляется трещина.
У гладкого образца предел выносливости растет вместе с прочностью стали. У сварного узла нет: кривые IIW одни и те же для Ст3 и для высокопрочной стали. Причина в том, что у края шва уже есть готовые маленькие трещинки, подрезы и шлак глубиной в десятые доли миллиметра. Стадии зарождения трещины почти нет, сразу идет рост, а скорость роста трещины у всех сталей почти одинакова.
Вторая причина: остаточные напряжения у шва растяжения до предела текучести. Поэтому для шва все равно, растягивают его или сжимают: каждый цикл работает так, будто идет от растяжения. Отсюда и правило: считать размах, а не максимум.
Значит, продлить жизнь узла можно геометрией и обработкой: сделать переход плавным, сточить край шва фрезой, проковать его ударами, чтобы в поверхности появилось сжатие, а сам узел перенести туда, где размах меньше.
Типичные места: концы приварных накладок, кронштейны подвески, крепление поперечин и упоры кузова. Их осматривают на каждом ТО и записывают длину трещин, чтобы видеть скорость роста.
Если просто заварить трещину, она вернется в том же месте. Правильно: засверлить концы, вырубить, заварить с полным проваром, сточить усиление заподлицо и не ставить накладку поперек силы.
Грейдер на карьерной дороге продлевает жизнь рамам: размах от ям падает, а повреждение падает как его куб. Это дешевле, чем варить рамы.
Система взвешивания на самосвале нужна не только для учета тонн. Перегруз 20 % сокращает ресурс рамы почти вдвое.
У экскаватора сотни тысяч циклов копания в год. Поэтому заводы зачищают швы стрелы и делают плавные переходы, а в ремонте важно не испортить это лишней накладкой.
После заварки трещины в раме край шва обрабатывают пневматическим ударным инструментом или ультразвуковой проковкой. Металл у поверхности сжимается, и трещине труднее начаться.
Кривые усталости взяты по рекомендациям IIW для номинальных напряжений: наклон 3 до 10⁷ циклов и 22 после излома, с вероятностью разрушения около 2,3 %. Категории узлов даны примерно, по типовым случаям каталога IIW. Нагрузка сведена к двум постоянным размахам: рабочий цикл (рейс самосвала 12 000 в год, цикл копания 720 000 в год) и удары (2,9 млн и 1 млн в год); реальный спектр нагрузок шире. Повреждение суммируется по правилу Майнера. Обработка края шва увеличивает FAT в 1,3 раза для зачистки и в 1,6 раза для высокочастотной проковки; на деле прирост зависит от стали и качества обработки, а для трещины по корню шва не действует. Влияние толщины, среднего напряжения и коррозии не учтено.