Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования 15
1.1 Средства и методы диагностики усталости металлоконструкций машин 15
1.2 Характеристика датчиков деформаций интегрального типа и результаты их применения при диагностике усталости элементов машин 29
1.3 Постановка задач исследования 39
Глава 2. Экспериментальное определение характеристик усталостной прочности исследуемых сталей 43
2.1 Используемые при выполнении экспериментов образцы и оборудование 43
2.2 Методика обработки данных испытаний образцов на выносливость 51
2.3 Результаты и обработка данных усталостных испытаний образцов из материала Ст 3 59
2.4 Построение кривой усталости по результатам испытаний образцов из материала Сталь 20Ю 66
2.5 Построение кривой усталости по результатам испытаний образцов из материала Сталь 08Ю 71
Глава 3 Разработка методик определения напряжений по показаниям датчиков при известном числе циклов деформировния 77
3.1 Методика определения напряжений, основанная на использовании датчиков с переменной чувствительностью к амплитуде циклических деформаций 79
3.2 Измерение напряжений датчиками, реакция которых оценивается по относительной площади «темных пятен» 88
Глава 4 Диагностика усталости металлоконструкций мостовых кранов 102
4.1 Основные положения методики использования датчиков при оценке опасных мест и прогнозирования остаточного ресурса металлоконструкций мостовых кранов 102
4.2 Результаты прогнозирования по показаниям датчиков остаточного ресурса мест вероятного разрушения металлоконструкций мостовых кранов 106
Основные результаты работы 121
Список использованных источников 124
Приложение 136
- Характеристика датчиков деформаций интегрального типа и результаты их применения при диагностике усталости элементов машин
- Методика обработки данных испытаний образцов на выносливость
- Измерение напряжений датчиками, реакция которых оценивается по относительной площади «темных пятен»
- Результаты прогнозирования по показаниям датчиков остаточного ресурса мест вероятного разрушения металлоконструкций мостовых кранов
Введение к работе
Актуальность проблемы. В большинстве случаев детали машин подвергаются воздействию циклически меняющихся во времени нагрузок. Накапливающиеся при этом повреждения вызывают усталостное разрушение деталей и металлоконструкций машин. Предсказание усталостного разрушения изделий -задача для машиностроения весьма важная, так как оно чревато катастрофическими последствиями. Особого внимания заслуживают металлоконструкции мостовых кранов, нормативный срок службы которых истёк. Применение существующих методов расчёта их остаточного ресурса затруднено, так как не проводилось систематическое изучение спектров эксплуатационных нагрузок. Поэтому необходимы новые методы и технические средства, позволяющие определить число циклов до разрушения металлоконструкций кранов при нагру-жении случайными напряжениями близкими к пределу выносливости. Среди существующего множества способов экспериментального исследования накопления повреждений в металлоконструкциях машин наиболее перспективными являются способы, использующие датчики усталостных повреждений. Разработанные в Курганском государственном университете датчики деформаций интегрального типа (ДЛИТ) и методы, основанные на их применении, позволяют оценить напряженно-деформированное состояние и усталость различных изделий машиностроения. Однако ранее разработанные методики использования ДДИТ не позволяют решать задачи диагностики усталости металлоконструкций машин, работающих за пределом установленного ресурса. Более того, в условиях работы мостовых кранов известные процедуры регистрации информации с ДЦИТ не реализуются.
Актуальность выбранного направления исследований подтверждается тем, что работа выполнялась по заданию Курганского инженерного центра технической диагностики и экспертизы объектов Госгортехнадзора в рамках договора, при поддержке гранта Минобразования РФ № 6.1.470/31.Г.
Цель работы. Диагностика усталости металлоконструкций машин датчиками деформаций интегрального типа.
Для достижения цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
проведены усталостные испытания образцов и на основе обработки полученных экспериментальных данных установлены параметры полуэмпирических моделей кривых усталости с границами доверительных интервалов;
выполнен комплекс экспериментальных работ по калибровке ДДИТ по критерию относительной площади "темных пятен" и получены регрессионные зависимости результатов калибровки;
разработана методика расшифровки показаний ДДИТ с переменной чувствительностью при измерении амплитуды циклических напряжений;
разработана методика определения эквивалентных по повреждающему воздействию напряжений и эквивалентного числа циклов нагружения исследуемых мест металлоконструкций кранов на основе .использования ДДИТ с пе-
I w>cнациональная!
ременной чувствительностью и фиксации их реакции с помощью цифровой фотометрии;
— разработана методика прогнозирования остаточного ресурса металло
конструкций машин, реализованная при диагностике технического состояния
кранов в производственных условиях.
Объект исследования..Процесс диагностирования усталости металлоконструкций машин датчиками деформаций интегрального типа.
Предмет исследования. Закономерности выявления усталости металлоконструкций машин датчиками деформации интегрального типа.
Методы исследовании. При описании кривых усталости использована нелинейная модель накопления усталостных повреждений Гатса. Построение регрессионных зависимостей калибровки ДДИТ выполнено на основе метода наименьших квадратов и методов статистической обработки экспериментальных данных. Решение трансцендентных уравнений разработанных методик определения эквивалентных напряжений и эквивалентного числа циклов натру-жения осуществлено с помощью системы компьютерной математики MATHCAD.
Новизна положений выносимых на защиту диссертации:
методика построения кривых усталости с границами доверительных интервалов по данным усталостных испытаний образцов;
способ тарирования ДДИТ с помощью цифровой фотометрии и регрессионная зависимость, связывающая относительную площадь "темных пятен" на поверхности датчика с амплитудой напряжения и числом циклов деформирования;
математические зависимости, позволяющие реализовать процесс измерения напряжений для фиксированного числа циклов нагружения датчиками деформаций интегрального типа, имеющими по своей длине переменную чувствительность к амплитуде циклических деформаций;
методика восстановления эквивалентного напряжения и эквивалентного числа циклов деформирования объекта по информации с ДДИТ, имеющих переменную чувствительность.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
в процессе испытаний образцов получены данные по усталостной прочности материалов - Ст 3, Сталь 20Ю, Сталь 08Ю и рассчитаны доверительные интервалы разрушения образцов при вариации уровня напряжений;
разработаны и реализовании в созданном программном обеспечении методики и алгоритмы решения задач обработки данных усталостных испытаний; определения параметров нелинейных регрессионных зависимостей, описывающих результаты тарирования ДДИТ; расчета эквивалентных напряжений и эквивалентного числа циклов нагружения;
получены данные прогнозирования остаточного ресурса исследуемых мест мостовых кранов, которые использованы при выработке рекомендаций по дальнейшей их эксплуатации.
Реализация работы. Реализация методики прогнозирования остаточного ресурса металлоконструкций мостовых кранов по информации с ДДИТ осуще-
ствлялась в процессе диагностики технического состояния шести кранов, эксплуатирующихся в течение длительного времени на ОАО "Курганмашзавод".
Апробация полученных в диссертации научных и практических результатов осуществлялась на следующих конференциях и семинарах: Международный научный семинар "Современные информационные технологии. Проблемы исследования, проектирования и производства зубчатых передач", Ижевск, 2001 г.; Международная научно-техническая конференция "Надежность машин и технических систем", Минск, 2001 г.; Научно-технической конференции аспирантов и соискателей Курганского государственного университета, Кур-ган,2001г.Д003г.; Международной научно - технической конференции, посвященной 50-летию ИжГТУ "Инновационные технологии в машиностроении и приборостроении", Ижевск, 2002 г.; Научно-техническая конференция сварщиков уральского региона "Сварка Урала - 2002", Курган, 2002 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.
Структура и объём работы. Диссертация изложена на 135 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырёх разделов, основных результатов работы, содержит два приложения, 40 рисунков, 20 таблиц и список литературы из 109 наименований.
Характеристика датчиков деформаций интегрального типа и результаты их применения при диагностике усталости элементов машин
В 70-х годах прошлого века японский ученый Х.Окубо [48] разработал оригинальный способ определения амплитуды циклических напряжений (деформаций) с использованием гальванического меднения поверхности исследуемой детали. В СССР первоначально способ подвергся исследованиям в работах Д.Л.Троценко [88] и Мамед-Заде Орхан-Ашрав ог-лы [41]. В дальнейшем работы по развитию этого направления экспериментальных исследований выполнялись под научным руководством В.Н. Сызранцева [72] его учениками А.Ю. Розенбергом, Л.Ю. Удовикиным, А.В. Добрынько, А.И. Маленковым, С.Г. Тютриным, C.JI. Голофастом, К.В. Сызранцевой и последователями [56,65 и др.]. В результате проведенных обширных комплексных экспериментальных и теоретических исследований гальванических покрытий созданы не только новые, более чувствительные к амплитуде циклических деформаций, средства измерения напряжений, но и средства диагностики накопленных усталостных повреждений, названные датчиками деформаций интегрального типа (ДДИТ) [72,73]. Эти датчики относятся к индикаторам, изменяющим свои физические параметры с ростом степени усталостного повреждения.
Датчики деформаций интегрального типа изготавливаются из металлической фольги (медной, алюминиевой, никелевой, серебряной), толщиной 10...40 мкм, по специальной технологии, включающей термомеханические операции. Процесс изготовления датчиков заключается в следующем. Вначале получают саму фольгу. Наибольшее распространение получили датчики, изготавливаемые из медной и алюминиевой фольги. Медную фольгу получают методом гальванического осаждения [65,73]. Процесс изготовления датчиков из алюминиевой фольги предусматривает ее термическую обработку с последующей механической, обеспечивающей необходимое качество поверхности датчика. Результатом соответстующих технологических операций является получение металлических пленок с заданными упругопластическими характеристиками. В материале таких пленок даже при малых по величине циклических деформациях происходят необратимые смещения слоев зерен, благоприятно ориентированных для движения дислокаций. При увеличении числа циклов деформирования или амплитуды деформаций дислокации "выходят" наружу, образуя видимый внешний эффект - дислокационные линии и полосы скольже-ний, воспринимаемые при осмотре под микроскопом с прямым освещением как «темные пятна». Исследование механизма возникновения «темных пятен» на поверхности металлических пленок из различных материалов при их циклическом деформировании с исчерпывающей полнотой выполнено в работах [65,72,73,95].
Как показывают исследования [65,73], свойства металлической фольги во всех направлениях одинаковые, поэтому ДДИТ представляют собой требуемые по конфигурации кусочки (полоски, кружки и т. д.), вырезаемые из фольги, изготовленной по вышеописанной технологии.
При установке ДДИТ на металлоконструкцию ее поверхность очищают от ржавчины, грязи и обезжиривают ацетоном. Датчики закрепляются на объект исследования посредством клея на цианокрилатной основе. После установки датчик принимает форму поверхности элемента конструкции (галтель вала, впадины зуба). В качестве реакции ДДИТ на уровень деформаций при циклическом нагружении используют не только внешний эффект («темные пятна» на поверхности), но и внутренний эффект - изменение структуры материала датчика [65,73]. Так, анализ микротвердости датчика [49] показал, что по мере возрастания амплитуды деформаций при фиксированном числе циклов нагружения или при увеличении числа циклов при постоянной амплитуде деформирования материал датчика вначале упрочняется, а затем разупрочняется.
Перед началом стадии разупрочнения на поверхности датчика возникают первые «темные пятна». Процесс разупрочнения характеризуется увеличением числа «темных пятен» и разрыхлением структуры материала датчика.
Отчетливо наблюдать структурные изменения, происходящие в датчике и предшествующие появлению внешнего эффекта, а также количественно оценивать структурные изменения позволяет метод химического травления [65,73]. Травление датчиков из медной гальванической фольги осуществляют последовательно двумя реагентами: водным раствором аммиака и соляно - кислым раствором хлорного железа. Тарировочные зависимости, связывающие число циклов деформирования и амплитуду напряжения, построенные по критерию возникновения первых зерен измененной структуры датчика, а также напряжения и относительную площадь измененной структуры при фиксированном числе циклов нагружения датчика используются при решении задач оценки распределения напряжений в деталях машин [65,72,73]. Установлено [65,73,95], что ориентация зерен измененной структуры датчика определяется видом напряженно-деформированного состояния исследуемой детали. Так, при построении тарировочных зависимостей в условиях чистого изгиба образца, зерна измененной структуры датчика располагаются примерно под углом 45 к продольной оси образца, а при циклическом закручивании образца — подуглом 90. Ориентация «темных пятен» качественно подобна ориентации зерен измененной структуры.
Методика обработки данных испытаний образцов на выносливость
Задача обработки результатов усталостных испытаний традиционно решается в рамках линейного регрессионного анализа [32,71]. Однако получаемые при этом зависимости, не имеющие физического наполнения, для прогнозирования остаточного ресурса деталей, работающих в условиях случайного спектра изменения нагрузок, могут использоваться только при целом ряде допущений, требующих обязательной экспериментальной про верки. Информативность и достоверность обработки данных усталостных испытаний может быть существенно расширена при использовании методов, содержащих в своей основе полуэмпирические модели накопления усталостных повреждений [32,50,60]. Несмотря на то, что к настоящему времени таких моделей предложено достаточно много, описание единой моделью данных испытаний образцов на выносливость и результатов тариро вания ДДИТ - необходимое условие для решения задач диагностики оста точного ресурса - удалось лишь на основе нелинейной модели накопления усталостных повреждений Гатса [74]. Ниже представлено математическое обеспечение обработки результатов испытаний образцов на выносливость, являющееся развитием методики, созданной в работе [74]. Основное внимание здесь уделено разработке алгоритмов выбора оптимальных параметров полуэмпирических зависимостей на основе имеющейся экспериментальной информации. Листинг программы, реализующей разработанную методику, представлен в приложении Л.
В основу метода обработки данных усталостных испытаний положена гипотеза Гатса, в соответствии с которой циклические деформации приводят к накоплению повреждений в материале, поэтому прочность материала по мере его усталости снижается. В математической форме гипотеза Гатса описывается зависимостью отрицательного приращения несущей способности материала с каждым циклом нагружения (dan/dn) от некоторой функции повреждённости: где К - коэффициент пропорциональности; П(а) - функция повреждённо-сти.
В работе [32] для сталей выражение кривой выносливости, в результате решения дифференциального уравнения (2.6), получено в следующей форме: где iV- число циклов нагружения; aR0 - предел выносливости материала в исходном состоянии, МПа; оц- аналог предела прочности материала, МПа; К— коэффициент пропорциональности.
Определение значений неизвестных параметров (сг , ави К) уравнения (2.7) на основе имеющейся совокупности величин напряжения и чисел циклов нагружения образцов до их усталостного разрушения представляет собой задачу нелинейного программирования. Использование здесь традиционно применяемого метода наименьших квадратов, учитывая вид функции (2.7), связано с решением систем нелинейных уравнений, что само по себе является задачей нетривиальной. Более того, в работе [74] указывается, что формальное решение задачи может приводить к получению значений искомых параметров (aR0, ТВУІ К) с потерей их физического наполнения. В связи с вышеизложенным, используя идеи, изложенные в работе [74], рассмотрим алгоритм получения таких начальных значений параметров аКо, оц и К и границ их изменения, при которых удается решить задачу оптимизации без потери физического смысла параметров aR0, ави К. Известно [32,71], что кривые усталости для сталей в полулогарифмических координатах (a, IgjV) в области многоцикловой усталости с достаточной для практических расчетов точностью можно аппроксимировать прямой линией
Измерение напряжений датчиками, реакция которых оценивается по относительной площади «темных пятен»
Для восстановления эквивалентных напряжений и эквивалентного числа циклов нагружения по показаниям ДДИТ необходимо использовать два критерия оценки их реакции и, естественно, два способа тарирования датчиков. Один такой способ рассмотрен в пункте 3.1. Другой способ тарирования излагается ниже. Напомним, что основными требованиями к способу являются возможность фиксации реакции на любом этапе испытаний и реализуемость способа в условиях эксплуатации исследуемых объектов (мостовых кранов).
Ранее, в работах [36,77], для экспериментального исследования деталей с использованием ДДИТ было предложено их реакцию оценивать по величине изменения отраженного от поверхности датчика потока инфракрасного излучения, фиксируемого с помощью специальных устройств, -одноканальных и многоканальных оптоэлектронных световодных преобразователей (ОСП). В то же время использование ОСП в процессе получения данных тарирования ДДИТ [77] свидетельствует, что качество получаемой с помощью ОСП информации в значительной степени зависит от квалификации исследователя и его опыта работы с ОСП. При контроле состояния поверхности ДДИТ с помощью ОСП исследователь фиксирует показания устройства, не имея информации о внешнем эффекте («темные пятна») на датчике. В результате любые частицы пыли, некачественная промывка поверхности датчика перед измерением, ориентация щупа устройства и другие факторы приводят к неконтролируемому разбросу получаемых экспериментальных данных. Несмотря на то, что точность измерений можно повысить путем многократных замеров показаний ОСП и применить методы статистической обработки результатов измерений, отстраниться от перечисленных выше факторов, влияющих на количественную оценку реакции ДДИТ, крайне сложно и пока не представляется возможным.
Обеспечить процесс регистрации реакции ДДИТ в требуемый по условиям проведения экспериментов промежуток времени позволяют и другие способы оценки реакции датчиков. Так, в работах [24,65] рассмотрен способ тарирования ДДИТ, изготовленных из медной гальванической фольги, по величине относительной площади измененной структуры датчика, выявляемой путем травления меди раствором Града. Однако недостаточная чувствительность этих датчиков существенно ограничивает область их использования в практике экспериментальных исследований. Чувствительность датчиков, изготовленных на основе алюминиевой фольги, по числу циклов нагружения до реакции в виде первых «темных пятен» выше медных ДДИТ на два порядка и более. В то же время зафиксировать структурные изменения на алюминиевых ДДИТ не удалось. То есть для датчиков изготавливаемых из алюминиевой фольги и обладающих наибольшей чувствительностью к амплитуде циклических деформаций регистрация реакции в любой момент времени остаётся проблемой нерешенной. В 60-х годах, разрабатывая методики измерения циклических напряжений с использованием медных гальванических осадков, Х.Окубо [48] предложил использовать эталонные фотографии, на которых зафиксирована различная степень реакции гальванического осадка. Современные достижения в цифровой фотографии позволяют этот способ по существу качественной оценки не только усовершенствовать, но дать ему количественное наполнение.
В ходе решения целого ряда практических задач необходимо на датчиках фиксировать не только момент появления реакции в виде первых «темных пятен», но и кинетику их "роста", которую можно оценить по от носительной площади, занимаемой «темными пятнами» на исследуемом участке поверхности датчика. Для реализации отмеченного способа применения ДДИТ при определении амплитуды циклического напряжения для датчика требуется иметь тарировочную зависимость, связывающую ам плитуду напряжения, число циклов деформирования и относительную площадь «темных пятен» на поверхности датчика. Получение данных для построения этой тарировочной зависимости может осуществляться в процессе циклического деформирования (консольным изгибом) плоского образца (рисунок 2.2), вдоль рабочей части которого наклеен датчик. В соответствии со схемой нагружения, в каждом сечении образца действуют известные из условий испытаний образца напряжения.
На рисунках 3.3...3.6 представлены фотографии реакции на датчике в сечениях образца (фиксированный уровень амплитуды напряжений) при последовательно увеличивающихся циклах нагружения. Результаты получены в ходе тарировочных испытаний плоского образца из стали 3 с алюминиевым датчиком на стенде, описанном в пункте 2.2. Фотографии получены цифровым фотоаппаратом через микроскоп, имеющий прямое освещение. Для расчета относительной площади «темных пятен» на основе цифровых фотографий использована программа для ЭВМ, разработанная А.А.Гавриловым [73]. Фрагменты работы этой программы иллюстрирует рисунок 3.7. Установленные в процессе тарирования ДДИТ на образцах из Ст 3 значения относительной площади «темных пятен» ( $/), числа циклов деформирования образца (NJ) и действующие в исследуемых его местах напряжения (с&) отражены в таблице 3.2.
Результаты прогнозирования по показаниям датчиков остаточного ресурса мест вероятного разрушения металлоконструкций мостовых кранов
Реализация изложенной в пункте 4.1 диссертации методики прогнозирования остаточного ресурса металлоконструкций мостовых кранов по информации с ДДИТ осуществлялась в процессе диагностики технического состояния шести кранов, эксплуатирующихся в течение длительного времени на ОАО «Курганмашзавод». Работы выполнялись по заданию Курганского инженерного центра технической диагностики и экспертизы объектов Госгортехнадзора (ООО «Фирма Техцентр») в рамках договора.
Исследуемые мостовые краны расположены в литейном цехе и кузнечно-прессовом цехе ОАО «Курганмашзавод». Эксплуатация подъемно-транспортного оборудования в указанных цехах характеризуется высокой интенсивностью и нагруженностью. Выбор узлов и элементов на металлоконструкции кранов для диагностики их усталостной прочности с помощью ДДИТ осуществлялся исходя из статистики поломок, зафиксированных за несколько последних лет ремонтной службой завода, а также отраженной в технической литературе информации по отказам при эксплуатации кранов данного типа.
При выполнении комплекса экспериментальных исследований использовались изготовленные из алюминиевой фольги в виде прямоугольных полосок датчики, имеющие в продольном направлении переменную чувствительность в соответствии с законом, представленным на рисунке 3.2. Для упрощения операции регистрации реакции ДДИТ в процессе их деформирования вместе с конструкцией, граница первых «темных пятен» перед установкой датчиков помечалась на их поверхности поперечной риской. На каждом кране с помощью клея Циакрин-ЭО было закреплено от восьми до одиннадцати ДДИТ. В месте наклейки датчиков поверхность элемента конструкции очищалась от грязи, снимался слой краски, и выполнялась зачистка поверхности с помощью наждачной бумаги. Поскольку продолжительность работы ДДИТ на конструкции составляет несколько месяцев, для их сохранения и исключения возможности загрязнения поверхности датчиков была предусмотрена специальная их защита от внешнего воздействия.
Для оценки технического состояния кранов при работе их с ДДИТ необходимо, следуя методике, рассмотренной в пункте 4.1, контролировать на датчиках динамику изменения относительной площади «темных пятен» и величину перемещения границы первых «темных пятен» по длине датчика. Эти операции на каждом кране выполнялись с периодичностью 1,5...2 месяца с помощью переносного оптического устройства, содержащего элементы микроскопа с прямым освещением и цифровой фотоаппарат. Полученные снимки реакции ДДИТ обрабатывались по специальной программе на ЭВМ [83]. Количественные оценки реакции датчиков как по величине смещения границы первых «темных пятен», так и по относительной площади «темных пятен», зафиксированные на заключительном этапе исследований для каждого из шести мостовых кранов, представлены ниже. Анализ технического состояния крана ЛЫ. Кран К-048-П. Год выпуска -1962. Грузоподъёмность -15/3 т.
Наработка крана до установки датчиков: NH =69120 часов. Наработка крана с ДДИТ: N, = 1440 часов. Места установки датчиков на кране и присвоенные датчикам номера показаны на рисунке 4.1. В таблице 4.1 для каждого датчика (первый столбец), номер которого соответствует обозначениям на рисунке 4.1, представлены данные после обработки реакции на ДДИТ (второй и третий столбцы) и результаты расчета (последующие столбцы). Цель расчетов - определить среди исследуемых мест металлоконструкции наиболее нагруженные, и оценить в тысячах циклов и часах работы крана остаточный ресурс работы.
Указанные расчеты на основе зависимостей, полученных в пункте 4.1, выполнялись в следующей последовательности. При известных из экспериментальных исследований для каждого датчика величинах Sj и xj в результате решения системы уравнений (4.2) определяются значения Ne и те. Далее по формуле Ке= Nel Nt рассчитывается величина коэффициента Ке и по зависимости (4.3) устанавливается эквивалентное число циклов нагру-жения Nv за весь период работы крана. Полученные расчетные данные заносятся в четвертый и пятый столбцы таблицы 4.1.
