Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задач исследования
1.1. Условия работы несущих систем 13
1.2. Методы и средства измерения деформаций и напряжений на поверхностях деталей машин 16
1.3. Математические модели кривых выносливости
1.3.1. Модели с линейным характером описания кривых выносливости , 28
1.3.2. Модели с нелинейным характером описания кривых выносливости. 30
1.4. Постановка задач исследования 33
2. Методическое обеспечение способов оценки накопленных повреждений и прогнозирования ресурса деталей машин с помощью ДДИТ . .37
2.1. Математическое обеспечение построения кривых выносливости на основе кинетической теории механической усталости 38
2.2. Математическое обеспечение построения тарировочных кривых для ДДИТ на основе кинетической теории механической усталости 49
2.3. Математическое обеспечение оценки напряжений и поврежденности конструкций, работающих при случайном спектре нагрузок. 51
2.3.1. Оценка напряжений и числа циклов нагружения конструкций, работающих при случайном спектре нагрузок с помощью ДДИТ по первым «темным пятнам» 52
2.3.2. Оценка напряжений и числа циклов нагружения конструкций, работающих при случайном спектре нагрузок с помощью ДДИТ по отраженному с поверхности сигналу. 54
3. Описание экспериментального оборудования и методики проведения эксперимента 57
3.1. Описание экспериментальной установки для проведения усталостных испытаний 58
3.2. Описание испытуемых образцов и методики проведения эксперимента 65
3.3. Методика обработки экспериментальных данных. 75
4. Результаты экспериментальных исследований усталостных свойств различных сталей 78
4.1. Результаты усталостных испытаний с тарировкой ДДИТ по первым «темным пятнам»
4.1.1. Сталь 09Г2 79
4.1.2. Сталь 20 86
4.1.3. Сталь 08Х. 91
4.1.4. Сталь 20Ю .96
4.1.5. Сталь 08Ю 100
4.1.6. Сталь 20кп 103
4.1.7. Алюминиевый сплав марки АМгЗ 107
4.2. Тарировка датчиков деформаций интегрального типа в ходе усталостных испытаний по отраженному сигналу 111
5. Разработка алгоритма применения ддит для оценки усталостных повреждений деталей машин и реализация методики
5.1. Разработка алгоритма и примеры применения методики оценки усталостных повреждений деталей машин с помощью ДДИТ
5.1.1. Описание алгоритма применения разработанной методики. 117
5.1.2. Оценка уровня усталостных повреждений и ресурса по первым «темным пятнам» 118
5.1.3. Оценка уровня усталостных повреждений и ресурса по отраженному сигналу 121
5.2. Апробирование разработанной методики 5.2.1. Исследование распределения напряжений и деформаций в несущей системе автомобиля УАЗ-2765 122
5.2.2. Оценка характера распределения и уровня напряжений в несущей системе полуприцепа модели 8973 124
Основные результаты работы 127
Библиографический список
- Методы и средства измерения деформаций и напряжений на поверхностях деталей машин
- Математическое обеспечение построения тарировочных кривых для ДДИТ на основе кинетической теории механической усталости
- Описание испытуемых образцов и методики проведения эксперимента
- Тарировка датчиков деформаций интегрального типа в ходе усталостных испытаний по отраженному сигналу
Введение к работе
Одной из главных задач отечественного машиностроения является улучшение качества выпускаемых машин, повышение их технического уровня, производительности, надежности и долговечности. В связи с ростом энергонасыщенности современных машин резко возросли требования к надежной работе узлов и деталей машин. Повышение качества и увеличение эксплуатационной надежности машин являются актуальными задачами технического прогресса промышленности с точки зрения экономической эффективности и конкурентоспособности отечественных образцов техники.
Разработка новой техники включает в себя ряд этапов: проектирование, изготовление кспериментальных-образцов,-KOHCTpyKTOp"CKOLTeXHO л огическа доработка конструкции, запуск в производство и последующая эксплуатация.
Первый этап в настоящее время достаточно широко автоматизирован. Проектирование новых конструкций на современных машиностроительных предприятиях, как правило, выполняется с применением ЭВМ и пакетов программ систем автоматизированного проектирования (САПР).
Процесс же конструкторско-технологической доводки экспериментальных образцов новой автомобильной техники остается практически неизменным с середины прошлого века. Экспериментальные исследования, связанные с доработкой изделий отличаются достаточно высокой продолжительностью и трудоемкостью. Полномасштабные экспериментальные исследования зачастую растягиваются на годы, что в условиях ограниченного времени, отводимого на запуск продукции в производство, приводит к снижению конкурентоспособности. Сокращение же объема экспериментальных исследований, как правило, негативно сказывается на качестве вновь выпускаемой продукции, которая может не в полной мере соответствовать прочностным и усталостным характеристикам, заложенным на этапе проектирования. Таким образом, создание средств и методов экспериментального исследования нагруженности и ресурса деталей машин и несущих конструкций, которые с минимальными затратами времени и средств позволяют определять места вероятного разрушения, оценить их напряженно-деформированное состояние и предсказать сроки разрушения является для современного автомобилестроения весьма актуальной проблемой. Одним из эффективных направлений решения поставленной проблемы является использование нетрадиционных средств измерения напряжений и деформаций, возникающих на поверхностях деталей при их циклическом нагружении. К таким средствам относятся разработанные в середине 80-х годов и совершенствующиеся под руководством В.Н.Сызранцева датчики деформаций интегрального типа (ДДИТ-).
Опыт практического применения методов оценки нагруженности и ресурса с помощью ДДИТ в процессе конструкторско-технологической доработки деталей транспортных машин свидетельствует, что эти новые средства экспериментального исследования и методы их использования обладают широкой универсальностью и большими потенциальными возможностями. Расширяя арсенал технических средств измерения, ДДИТ особенно эффективны при создании систем диагностики работоспособности и усталости деталей, как в реальных условиях эксплуатации транспортных машин, так и в ходе их стендовых и натурных испытаний.
Точность основных справочных данных по параметрам усталости, а также кривых выносливости построенных по стандартным методикам (т.н. кривые Вёллера) не может удовлетворять исследователей при точных расчетах на усталость. Их погрешность, особенно в области многоцикловой усталости, слишком велика, и достигает порой десятков процентов. Поэтому для более точных расчетов нужны новые нестандартные математические модели описания кривых выносливости, а не та методика, соответствующая ГОСТам, которая опирается на математический аппарат почти двух вековой давности. Среди множества современных математических моделей, описывающих кривую выносливости нелинейной зависимостью в полулогарифмических координатах мной была выбрана кинетическая теория механической усталости Е.К.Почтенного. Из всех рассмотренных уравнений кривых выносливости лишь здесь в самой математической модели изначально заложен такой параметр, как поврежденность материала, что позволяет строить, как кривые выносливости испытуемого материала, так и тарировочные кривые датчиков деформаций интегрального типа для этого материала по однотипным уравнениям. К тому же она позволяет существенно сократить время построения кривой выносливости, так как буквально по 10 15 экспериментальным точкам можно построить вполне приемлемую с точки зрения современных требований точ-ности-кривую усталости.
Цель выполнения настоящей работы заключается в разработке методов экспериментального исследования распределения напряжений на поверхности несущих конструкций и оценки ресурса новых образцов автомобильной техники при их конструкторско-технологической доработке.
Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие задачи:
1. На основе кинетической теории механической усталости разработана уточненная методика описания результатов испытаний образцов на выносливость.
2. Выполнен комплекс испытаний образцов из сталей, получивших распространение в автомобилестроении (09Г2, 20, 08Х, 20Ю, 08Ю, 20кп и алюминиевого сплава АМгЗ), на выносливость и осуществлена обработка результатов по предлагаемой методике.
3. На образцах из исследуемых сталей проведен эксперимент по построению тарировочных зависимостей для датчиков деформаций интегрального типа по моменту возникновения на них внешней реакции и осуществлена обработка результатов. Реализован новый способ регистрации реакции ДДИТ по отраженному с его поверхности сигналу, зафиксированному с помощью оптоэлектронного световод ного преобразователя (ОСП), в процессе усталостных испытаний построены тарировочные зависимости для ДДИТ и выполнено их математическое описание.
Разработаны расчетно-экспериментальные методы определения по показаниям ДДИТ эквивалентных напряжений и чисел циклов деформирования исследуемых конструкций (рам и несущих кузовов автомобилей) при нерегулярном их нагружении.
Реализация разработанных методов в процессе конструкторско-технологической отработки образцов автомобильной техники.
Научная новизна работы состоит в следующем: Уточнена методика обработки результатов усталостных испытаний образцов Е.К.Почтенного в части определения границ рассеивания экспериментальных данных.
На основе кинетической теории механической усталости предложено новое математическое описание результатов тарирования ДДИТ по моменту возникновения на них внешней реакции.
Предложен и реализован новый способ регистрации реакции ДДИТ с помощью оптоэлектронного световодного преобразователя (ОСП), получены математические зависимости, описывающие результаты тарировочных испытаний.
Для нерегулярного режима нагружения несущей конструкции автомобиля решена задача определения эквивалентных напряжений и чисел циклов деформирования с использованием ДДИТ отличающихся чувствительностью и различным способом фиксирования их реакции. Практическая ценность диссертации:
1. Для апробации предлагаемой методики был спроектирован и изготовлен уникальный экспериментальный стенд повышенной мощности для испытаний на выносливость, как образцов, так и элементов несущих конструкций транспортных машин.
2. Для исследуемых сталей, получивших наибольшее распространение при изготовлении несущих систем автомобильной техники, с вероятностными границами получены усталостные характеристики (для сталей 20Ю и 08Ю - впервые).
3. Разработано методическое и программное обеспечение для обработки результатов, как усталостных испытаний образцов, так и данных тарирования ДЦИТ.
4. Проведена реализация предложенной методики на ЗАО «УралАЗспецтех-ника». В результате удалось существенно уменьшить толщину применяемого листового проката, используемого при изготовлении рамы прицепа модели 8973- Благодаря чему удалось снизить его массу на 15%.
5. Результаты работы внедряются в учебный процесс Машиностроительного факультета филиала Южно-Уральского государственного университета в г. Миассе.
Предложенные в работе методы использовались при определении усталостных характеристик некоторых марок легированных сталей на предприятии ОАО «Техоснастка», при оценке напряженно-деформированного состояния перспективных образцов техники на предприятии ЗАО «УралАЗспецтех-ника». Результаты работы вводятся в расчетную практику ОАО «Автомобильный завод «УРАЛ» и внедряются в учебный процесс Машиностроительного факультета филиала Южно-Уральского государственного университета в г. Миассе. По теме диссертации опубликовано 15 работ. Ее основные положения и результаты докладывались и обсуждались: на I фестивале-конкурсе научно-исследовательского, технического и прикладного творчества молодежи и студентов (г. Курган, 1997 г.), шестом международном симпозиуме «Теория реальных передач зацеплением» (г. Курган, 1997 г.), на международном научном семинаре «Современные информационные технологии. Проблемы исследования, проектирования и производства зубчатых передач» (г. Ижевск, 2001 г.), на XXI Российской школе по проблемам науки и технологий в секции «Прикладные исследования» (г. Миасс, 2001г.), на Международной научно-технической конференции «Надежность машин и технических систем» (г. Минск, 2001), на XXII Российской школе по проблемам науки и технологий в секции «Прикладные исследования» (г. Миасс, 2002 г.), на ХХШ Российской школе по проблемам науки и технологий в секции «Результаты диссертационных исследований» (г. Миасс, 2003 г.).
Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста, выводов, списка использованных источников, включающего 132 наименования и приложения.
В первой главе рассмотрены условия работы и современные требования, предъявляемые к несущим конструкциям. Приведен детальный анализ существующих методов и средств измерения деформаций и напряжений на поверхностях деталей несущих конструкций, а также оценки накопленной ими поврежденности. Здесь же выполнен подробный обзор существующих математических моделей описания кривых выносливости. Выявлены ограничения и определены условия реализации предлагаемых методик в ходе стендовых и эксплуатационных испытаний деталей и несущих систем транспортных машин. На основе проведенного анализа сформулированы задачи исследований.
Во второй главе предложено математическое и методическое обеспечение оценки накопленных повреждений и прогнозирования ресурса несущих систем с помощью ДДИТ на основе кинетической теории механической уста лости Е.К.Почтенного. Согласно этой теории уравнение кривой выносливости является трехпараметрическим. Причем его вид не позволяет для определения параметров воспользоваться методом линейного регрессионного анализа. В работе подробно рассмотрена методика получения значений искомых параметров уравнения усталости на основе имеющейся совокупности экспериментальных данных испытаний деталей (или образцов) до разрушения где п - число испытанных деталей. Были предложены некоторые методические приемы решения задач определения параметров уравнения, однако, подробная методика не была изложена. К тому же в конце 60-х годов прошлого века компьютерная техника была еще достаточно слаба, поэтому предлагаемый математический аппарат определения параметров не был ориентирован на применение ЭВМ. Для более точного и быстрого определения параметров данная методика в настоящей работе была адоптирована к реализации на ЭВМ. Одним из наиболее значимых недостатков семейства кривых выносливости различной вероятности не разрушения, построенных по кинетической теории является равномерное рассеяние свойств материала на всех уровнях напряжений и чисел циклов деформирования. Для лучшего согласования построенных кривых выносливости с экспериментальными данными усталостных испытаний, уравнение кривой выносливости предложено уточнить, таким образом, чтобы по мере уменьшения уровня действующих напряжений кривые выносливости различной вероятности неразрушения расходились друг от друга. Реализация методики построения семейства кривых выносливости также ориентирована на применение компьютерной техники.
Кроме того, во второй главе предложена методика оценки на основе кинетической теории с помощью ДДИТ накопленной поврежденности и ресурса деталей машин, подвергающихся в процессе эксплуатации воздействию случайного спектра нагрузок. Полагая, что случайный процесс нагружения деталей транспортных машин является стационарным, вводятся понятия эквива лентного по повреждающему действию напряжения ( и числа циклов нагру-жения NE. Разработано математическое и методическое обеспечение предлагаемой методики с использованием тарировочных данных ДЛИТ как по первым «темным пятнам», так и по отраженному с поверхности сигналу, зафиксированному с помощью оптоэлектронных световодных преобразователей.
В третьей главе обоснована необходимость для построения кривой выносливости и тарировочных зависимостей ДЦИТ современных средств механических испытаний конструкций, их деталей и материалов. Перечислены требования, предъявляемые к экспериментальному оборудованию, подробно описана конструкция спроектированной экспериментальной установки для проведения усталостных испытаний. Применение электронных датчиков позволяет автоматизировать процесс испытаний и реализовать режим программного нагружения без остановки испытательной машины для измерения величины амплитуды. Поскольку несущие конструкции подавляющего большинства транспортных машин изготавливают из проката, то испытаниям на усталость подвергаются плоские образцы. Приведены основные требования и дано описание испытуемых образцов, а также методики проведения эксперимента. Подробно изложена методика обработки экспериментальных данных усталостных испытаний и процесс тарирования ДДИТ по различным критериям.
В четвертой главе приведены результаты усталостных испытаний плоских образцов, изготовленных из листового проката семи различных марок конструкционных материалов, применяемых на современных машиностроительных предприятиях при изготовлении несущих систем транспортных машин. По каждому материалу приведены данные усталостных испытаний, а также результаты обработки этих данных по предлагаемой методике. Построены кривые различной вероятности не разрушения, а также тарировочные кривые ДДИТ по первым «темным пятнам». Кроме того, для некоторых материалов построены тарировочные кривые датчиков деформаций интегрального типа по отраженному с поверхности сигналу, зафиксированному с помощью оптоэлектронных световодных преобразователей.
В пятой главе разработаны алгоритмы применения предлагаемой методики экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния и оценки ресурса деталей транспортных машин. Предложено два способа такой экспериментальной оценки конструкций, работающих при случайном спектре нагрузок: по первым «темным пятнам» и по отраженному с поверхности ДДИТ сигналу, зафиксированному с помощью ОСП. Приведены примеры расчетов по предложенным алгоритмам.
На защиту выносятся:
1. Уточненная (в части определения границ рассеивания экспериментальных данных) методика обработки результатов усталостных испытаний образцов на основе кинетической теории механической усталости.
2. Математическое описание результатов тарирования ДЦИТ по моменту возникновения на них внешней реакции и методика оценки нагруженности несущих конструкций по этим показаниям ДДИТ.
3. Новый способ регистрации реакции ДДИТ с помощью оптоэлектронного световодного преобразователя (ОСП), а также методика оценки накопленной усталостной поврежденности и ресурса несущих конструкций автомобилей с помощью полученных математических зависимостей, описывающих результаты тарировочных испытаний ДЦИТ по отраженному с поверхности датчика сигналу, зафиксированному ОСП.
4. Методика определения эквивалентных напряжений и чисел циклов деформирования деталей машин, работающих в условиях нерегулярного режима нагружения, с использованием ДДИТ отличающихся чувствительностью и различным способом фиксирования их реакции.
Методы и средства измерения деформаций и напряжений на поверхностях деталей машин
Для решения прикладных задач, связанных с определением усталостных повреждений, деформаций, напряжений и характера их распределения по поверхностям деталей машин, применяются различные средства и методы их регистрации. Определение степени усталостного повреждения несущих систем на этапе конструкторской или технологической доработки позволяет определить их нагруженность и работоспособность, а во время эксплуатации - не допускать аварий и вовремя назначить сроки ремонта и замены поврежденных деталей. Для определения трещин и других дефектов в материале изделий, влияющих на их усталостную прочность, в машиностроении используют большой арсенал средств (рис. 1.1) неразрушающего контроля, к которым относятся: визуально-оптические; оптически активные покрытия; хрупкие лаковые покрытия; магнитные; токовихревые; акустические; контроль просвечиванием; гальванические покрытия и некоторые другие [24, 40, 41, 65, 75, 78, 87, 115, 116,117].
Самым простым и давно известным способом определения трещин на поверхности деталей является визуальное обследование контролируемых изделий (например, с помощью мела и керосина) [40, 75]. Данный метод требует тщательной подготовки исследуемой поверхности и позволяет фиксировать лишь уже выросшие трещины, а не их зарождение. А то, как отражается заполнение трещин проникающей жидкостью на их развитии пока не изучено.
Оптически чувствительные покрытия, нанесенные на поверхность исследуемой детали [40, 78, 117], деформируясь вместе с ней, становятся двоя-колучепреломляющими. Наблюдая их через отражающий полярископ, определяют картину распределения деформаций. Необходимость доступа для визуального наблюдения, а также наличие специальной весьма сложной аппаратуры существенно ограничивает его возможности.
Для определения характера распределения напряжений (деформаций) на исследуемой поверхности используют специальные хрупкие покрытия [78, 116, 117]. Этот метод позволяет судить о характере распределения напряжений и получать скорее качественную, нежели количественную оценку, поэтому чаще всего используется для решения задач, не требующих высокой точности.
В намагниченных металлических деталях в зоне их дефектов (трещин, раковин и др.) нарушается непрерывность магнитного поля. На использовании этого свойства основаны методы магнитной дефектоскопии [75, 116]. Самым простым и распространенным методом магнитного контроля является магните порошковый метод. Если деталь имеет какие-либо дефекты, то магнитное поле искажается, и ферромагнитные частицы, нанесенные на намагниченные участки детали располагаются по контуру дефекта. Данный метод дает также лишь качественную оценку повреждений исследуемой детали и необходим хороший доступ к поверхности детали для подготовки и осмотра,
В настоящее время разработаны специальные достаточно сложные приборы - магнитометры (катушка с обмоткой, датчик Холла), с помощью которых можно регистрировать искажение магнитного поля без порошка ферромагнитных частиц. Данный метод получил название — метод рассеяния потока. Самым существенным недостатком данного метода является относительная сложность изготовления магнитометров. Кроме того, связь между зарегистрированным изменением магнитного поля и повреждением деталей в реальных условиях устанавливают, обрабатывая результаты с помощью методов регрессионного анализа, для реализации которых нужен большой банк экспериментальных данных разрушения деталей.
Дефекты в материале детали (трещины, полости) вызывают изменение токов, наводимых индукционной катушкой. Это свойство электромагнитной индукции используется в методе вихревых токов [40, 75, 116], На чувствительность данного метода существенное влияние оказывает материал и параметры самой катушки, величина зазора между поверхностью исследуемой де тали и катушкой возбуждения, а также частота возбуждения. Основные проблемы при применении вихревых токов те же, что и у методов магнитной дефектоскопии, рассмотренные выше.
Старейшими из методов неразрушающей дефектоскопии являются методы радиографического контроля [75, 116]. С помощью них можно обнаружить дефекты как внутри, так и на поверхности детали. К недостаткам можно отнести необходимость применения сложного и дорогого оборудования, экологическую опасность процесса, а также необходимость демонтажа деталей для их исследования. Тем не менее, в производстве машин методы просвечивания получили определенное распространение.
Определенное распространение при определении усталостных трещин и других дефектов деталей получили акустические методы регистрации ультразвуковых (2-Ю4 ... 109 Гц) волн: эхо-импульсный, теневой (сквозное прозвучи-вание) и акустической эмиссии [40, 75, 116, 117]. Первый метод является односторонним, так как ультразвуковые волны посылаются и принимаются одним и тем же преобразователем, В теневом методе исследуемую деталь располагают между передатчиком и приемником волн. Последний метод базируется на том, что в материале детали под действием пластических деформаций меняется характеристика волнового (акустического) поля напряжений. Наблюдая эти изменения, можно судить о внутренних дефектах. Регистрируя рост усталостных трещин через определенные промежутки времени, можно судить об остаточном ресурсе исследуемой детали. К преимуществам рассматриваемых методов можно отнести возможность исследования детали без ее демонтажа, а также, что немаловажно, полную экологическую безопасность. К недостаткам можно отнести повышенные требования к шероховатости поверхности и существование незондируемых зон у сложных деталей.
Математическое обеспечение построения тарировочных кривых для ДДИТ на основе кинетической теории механической усталости
Датчики деформаций интегрального типа изготавливаются из металлической фольги со специальными заранее заданными свойствами [102, 103]. Затем они наклеиваются на исследуемую деталь. Процесс установки датчиков довольно прост и не требуют специальной подготовки. Датчики не подключаются к каким-либо измерительным приборам, они не требуют ни проводов, ни электричества. Благодаря чрезвычайной чувствительности ДДИТ к циклическим деформациям, их усталостная повреждаемость при переменном на-гружении вместе с исследуемой деталью, значительно выше, чем материала самой детали. Вследствие чего под действием циклических деформаций в датчиках происходят необратимые структурные изменения, в результате которых в материале датчика возникают зерна, увеличивающиеся в размерах с ростом числа циклов нагружения (внутренний эффект), а на поверхности появляются «темные пятна» (внешний эффект). Образование и рост зерен в материале датчика связан с микроскопическими сдвигами поверхностных слоев материала детали при ее циклическом деформировании [106]. «Темные пятна» представляют собой вышедшие на поверхность линии и полосы скольжения дислокаций и являются результатом накопления пластических деформаций в материале датчика [104, 113]. Наличие положительной корреляционной связи этих структурных изменений с напряжением и числом циклов деформирования исследуемых образцов [31, 54, 65, 68, 74, 100, 102, 103, 104, 106, ИЗ], дает основание говорить о больших перспективах ДДИТ.
Тарировку ДДИТ, соответственно также можно осуществлять по внешнему и внутреннему эффектам. Оценку внутреннего эффекта датчиков, изготовленных из медной фольги можно производить с помощью травления. Постепенно стравливая кислотой тончайшие слои датчика можно фиксировать структурные изменения, произошедшие в материале ДДИТ. К недостаткам этого метода можно отнести технологическую сложность и экологическую небезопасность данного процесса, а также непригодность датчика после подобной процедуры к дальнейшим измерениям. Поэтому в настоящее время интенсивно разрабатываются методики тарирования ДДИТ по внешнему эффекту. В качестве критериев тарировки рассматриваются «темные пятна» (точнее момент их появления или удельная интенсивность). При оценке внешнего эффекта датчики не повреждаются и пригодны для дальнейших замеров. Процесс снятия информации с ДДИТ по внешнему эффекту не трудоемок и осуществляется, как правило, с помощью приборов (например, переносного микроскопа, оптических преобразователей и т.п.).
В предыдущей главе уже упоминалось о том, что в материале датчиков деформаций интегрального типа действуют закономерности упруго-пластического деформирования [81]. Это дает нам возможность использовать при построении тарировочных зависимостей ДДИТ те же математические модели, что и для описания механических свойств материала детали.
Для построения тарировочной кривой по внешнему эффекту, например по первым «темным пятнам», необходимо иметь подборку значений чисел циклов нагружения и напряжений соответствующих сечениям до которых эти первые «пятна» распространились {a Ndi}. Производя обработку этих данных по математической модели Почтенного, описанной выше, получим тари-ровочную кривую выносливости ДДИТ для материала исследуемой конструкции. Эта кривая будет иметь такой же характер что кривая выносливости материала детали, так как они строятся на основе одной и той же зависимости (2.37), С помощью тарировочных кривых можно по информации, полученной с датчиков даже после непродолжительного нагружения конструкции или детали получить адекватную картину уровня действующих на ее поверхности напряжений, а также накопленной усталостной поврежденности. Более подробно методика построения, как тарировочных кривых датчиков, так и кривых выносливости различных материалов, а также примеры использования описываемой методики будут представлены ниже.
Оценка накопленной поврежденности и ресурса несущих конструкций, подвергающихся в процессе эксплуатации воздействию случайного спектра нагрузок, является весьма сложной задачей. Разберем более подробно методику ее решения. Для начала, предположим, что действительное нагружение исследуемой детали представляет собой случайный стационарный процесс, что соответствует, например, движению транспортного средства с постоянной скоростью по определенному дорожному покрытию. Наша задача состоит в том, чтобы соотнести результаты усталостных испытаний, полученные на стенде при циклически изменяющейся нагрузке постоянной амплитуды и ходовых испытаний несущей системы транспортного средства. Сложность задачи состоит в том, что в лабораторных условиях при испытаниях на выносливость нам известны как амплитуда деформирования, так и число циклов деформирования, а в ходе эксплуатационных испытаний амплитуда напряжений меняется случайным образом, а, кроме того, совершенно не известно число циклов нагружения.
Описание испытуемых образцов и методики проведения эксперимента
Каждый из приведенных выше типов испытательных машин обладает характерными достоинствами и недостатками. При разработке экспериментальной установки для испытаний на усталость образцов несущих систем и элементов транспортных средств необходимо учитывать ряд особенностей, связанных с условиями эксплуатации последних. Во-первых, машина должна обладать достаточной мощностью для испытания натурных деталей машин или их моделей. Так как несущие системы транспортных машин изготавливают чаще всего из различного проката, то установка должна быть ориентирована, прежде всего, на испытания плоских образцов. Кроме того, как уже упоминалось выше, для транспортных машин характерными являются нестационарные режимы нагружения. Испытания применительно к нестационарным условиям переменного нагружения сводятся к программированию амплитуд переменных напряжений в соответствии со спектром эксплуатационных нагрузок. При этом программа состоит из достаточного количества блоков для удовлетворения условий многократного чередования уровней напряжений.
Эти обстоятельства предъявляют к разрабатываемой испытательной машине следующие требования: 1. Возможность изменения амплитуд деформаций образца в процессе испытаний, без останова испытательной машины; 2. Возможность изменения коэффициента асимметрии цикла; 3. Достаточная мощность для испытания натурных деталей машин или их моделей.
С учетом всех приведенных выше требований была разработана и изготовлена описываемая экспериментальная установка [96, 97]. Тип испытательной машины — механический с кривошипно-шатунным способом возбуждения нагрузки. Основным элементом данной экспериментальной установки, обеспечивающим циклическое деформирование образца, является возбудитель динамических перемещений универсальной машины повышенной мощности для испытаний на усталость, созданной Институтом механики Академии наук УССР в 1976 г. Эта машина, конечно, имела ряд преимуществ, однако была слишком велика для лабораторных условий. Большую часть машины занимали механизмы, позволяющие реализовывать на ней «мягкий» режим нагружения. Поэтому было решено перейти к «жесткому» режиму возбуждения нагрузки, так как это позволяло значительно сократить габариты испытательной установки. Однако, переход к «жесткому» режиму нагружения повлек за собой ряд изменений возбудителя динамических перемещений. Так, на выходном эксцентриковом валу возбудителя стоял шариковый радиальный однорядный подшипник, ресурс которого был ограничен даже в условиях «мягкого» режима нагружения при наличии мощных передаточных механизмов. Было принято решение заменить этот подшипник двумя радиально-упорными роликовыми коническими подшипниками. Для этого пришлось заново изготовить достаточно сложный эксцентриковый вал I (рис. 3.1 ), так как прежний имел малые размеры на выходном консольном участке, что не позволяло разместить на нем вышеупомянутые подшипники. Новый вал имеет достаточные выходные
размеры для посадки двух однорядных конических роликоподшипников легкой серии № 7218. Выбор подшипников не случаен. Возможность регулировки конических подшипников в осевом направлении гарантирует отсутствие люфта. Достаточно большие размеры в радиальном направлении обеспечивают требуемую грузоподъемность, а сравнительно малые осевые размеры отвечают требованиям компактности. Все остальные узлы и детали стенда изготовлены самостоятельно, причем движущиеся части установки сделаны либо тонкостенными, либо изготовлены из легких сплавов. Это позволило ограничиться использованием одного мощного маховика 20 (рис. 3.1 ) в качестве уравновешивающего механизма.
Изменение амплитуды колебаний достигается поворотом эксцентрикового вала I ( рис. 3.1 ) относительно ротора 9, в котором отверстие под вал выполнено с эксцентриситетом 14 мм. Эксцентриситет вала также равен 14 мм. Таким образом, амплитуда перемещений может изменяться от 0 до 28 мм, причем непосредственно во время работы стенда. С вала нагрузка передается через шатун 11, направляющую штангу 12 и зажим составной конструкции на образец 18. Зажим состоит из головки 14, сухаря 15 и цилиндра 16. Такая конструкция зажима обеспечивает чистое нагружение образца. Изменение коэффициента асимметрии цикла достигается перемещением тисов 17 по Т-образным пазам станины.
Контроль амплитуды задаваемых перемещений осуществляется в статике (при остановленной машине) с помощью индикаторной головки часового типа с ценой деления 0,01 мм и специального оптоэлектронного датчика. В динамике (на работающей машине) амплитуда колебаний контролируется с помощью оптоэлектронного датчика перемещений, осциллографа и цифрового ампервольтомметра.
Тарировка датчиков деформаций интегрального типа в ходе усталостных испытаний по отраженному сигналу
По мере наработки на ДДИТ появлялась реакция в виде первых «темных пятен». С ростом числа циклов граница первых «темных пятен» продвигалась в направлении от опасного сечения испытуемых образцов, а их плотность в сечении близком к опасному увеличивалась.
Под действием циклического упруго-пластического деформирования внутри датчика в его кристаллической решетке происходит движение дислокаций, следствием чего является сдвиг отельных частей кристалла относительно других по плоскостям и в направлениях, предрасположенным к сдвигу [81, 100, 103, 106, 113]. В результате своего движения дислокации выходят на поверхность кристаллов, образуя линии скольжения. По мере циклического на-гружения линии скольжения увеличиваются и группируются вместе, переходя в полосы скольжения. Зарождение этих процессов начинается у поверхности детали, а с ростом числа циклов деформирования распространяются по всей толщине датчика и достигают его поверхности. В местах выхода линий и полос скольжения на поверхность датчика образуются «темные пятна». Таким образом, процессы, происходящие при циклическом деформировании ДДИТ, являются результатом накопления пластических деформаций в материале датчика.
По данным, полученным с датчиков деформаций интегрального типа можно построить кривую выносливости (тарировочную) для ДДИТ по границе первых «темных пятен». Эта граница, как отмечалось выше, по мере наработки датчика на образце продвигается в направлении от опасного сечения. Зная геометрические размеры образца, а также амплитуду задаваемых перемещений (деформаций) несложно определить напряжение, как в опасном сечении образца, так и в любом другом сечении, соответствующем границе первых «темных пятен». Эпюра распределения нормальных напряжений изгиба по длине образца представлена на рисунке 3.6. Из этого рисунка видно, что напряжение на расстоянии х от опасного сечения можно легко определить по простейшей формуле: _ а (/ - х) а / , (3.4) где сг- напряжение в опасном сечении, а / - длина плеча приложения силы.
Регулярно производился осмотр ДДИТ, в ходе которого фиксировалась граница первых «темных пятен». В результате мы получаем экспериментальную выборку {(7di,Ndi}, / =1,л, где Ой(-- напряжение, соответствующее границе первых «темных пятен», определяемое по формуле (3.4), Ndi - число циклов нагружения испытуемого образца до осмотра помещенного на нем датчика на предмет появления «темных пятен», п - количество осмотров.
С помощью датчиков деформаций интегрального типа можно получать значительно больше информации, нежели тарировка по границе первых «темных пятен» [99, 100, 101, 103]. Одним из новых и наиболее перспективных способов регистрации внешней реакции ДДИТ является фиксирование изменения потока инфракрасного излучения, отраженного от поверхности ДДИТ с использованием оптоэлектронных световодных преобразователей (ОСП). Данный способ позволяет исключить субъективный фактор при оценке реакции датчика, а также увеличить ее информативность. Принцип этого метода основан на регистрации отраженного с поверхности ДДИТ сигнала. Как уже отмечалось выше, по мере наработки плотность «темных пятен» повышается, и, соответственно отражательная способность датчика снижается. Для реализации описываемого способа в Курганском государственном университете разработаны специальные одноканальные и многоканальные устройства [47, 99, 100, 101, 103], содержащие в своей основе оптоэлектронные световодные преобразователи. Такой прибор [47] включает в себя источник и приемник инфракрасного излучения, а также электронный блок, позволяющий производить обработку полученных данных и выводить информацию в цифровом виде. Функциональная схема подобного одноканального прибора представлена на рис. 3.7. Измерение отражательной способности поверхности ДЦИТ(поз. 1, рис. 3.7) производится с помощью одноканального щупа (поз. 2), соединенного оптическим световодом (поз. 3) с блоком преобразователей (поз. 4). ИК-излучение источника (поз. 5), запитанного от генератора (поз. 6) отражаясь от поверхности ДДИТ по сетоводу поступает на фотоприемник (поз. 7). Полученный сигнал умножается усилителем (поз, 8) и компаратор (поз. 9) с помощью индикатора (поз. 10) производит регистрацию коэффициента отражения поверхности датчика в условных единицах.
