Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Датчики деформаций интегрального типа (ДДИТ). способы калибровки, методы оценки характера распределения циклических напряжений 14
1.1. Характеристика средств и методов измерения напряжений и накопленных усталостных повреждений 14
1.2. Характеристика датчиков деформаций, способы калибровки и математическое описание тарировочных зависимостей 24
1.3. Методики измерения напряжений, использующие информацию с датчиков деформаций интегрального типа 45
1.4. Постановка проблемы исследования нагруженности и оценки усталости деталей машин с помощью ДДИТ 54
ГЛАВА 2. Использование датчиков деформаций интегрального типа для определения мест с интенсивным накоплением усталостных повреждений 57
2.1. Исследование длиннобазного автобуса КАВЗ-39769 59
2.2. Результаты оценки мест вероятного разрушения сварной рамы автобуса КАВЗ-32768 62
2.3. Определение мест разрушения балки переднего моста спортивного автомобиля КамАЗ 65
2.4. Анализ напряженно-деформированного состояния участков рамы спортивного грузового автомобиля при ее усталостных испытаниях 67
ГЛАВА 3. Методология экспериментальных исследований передач новикова датчиками деформаций интегрального типа 71
3.1. Задачи экспериментального исследования передач Новикова и их взаимосвязи 71
3.2. Прогнозирование изгибной выносливости зубьев колес Новикова по показаниям ДДИТ 76
3.3. Задача восстановления нагруженности зацепления передачи Новикова и оценка контактной выносливости 95
3.4. Оценка влияния упрочненного слоя на глубинную контактную прочность зубьев 101
3.5. Оценка влияния параметров упрочненного слоя на изгибную прочность зубьев 122
3.6. Обеспечение максимальной долговечности передачи путем отими-зации параметров упрочненного слоя зубьев шестерни и колеса 134
ГЛАВА 4. Экспериментально-расчетные методы прогно зирования по показанріям ддит долговечности деталей при регулярном их нагружении 139
4.1. Прогнозирование числа циклов до разрушения деталей на основе корреляционных связей с реакцией ДДИТ 139
4.2. Методы прогнозирования долговечности деталей по показаниям ДДИТ, использующие модели накопления повреждений 157
4.2.1. Расчетная модель и алгоритмы определения ее параметров 158
4.2.2. Установление взаимосвязи реакции ДДИТ с процессом накопления усталостных повреждений в материале образцов
при их испытаниях на выносливость 168
4.3. Реализация экспериментально-расчетных методов при оценке
долговечности несущих элементов тележки полувагона 181
ГЛАВА 5. Методы определения с помощью ддит напряжений и ресурса деталей и металлоконструкций при блочном и случайном режимах их нагружения 198
5.1. Методики восстановления напряжений и прогнозирования ресурса образцов и деталей при различных режимах нагружения 198
5.1.1. Методика восстановления по показаниям ДЛИТ напряжений, возни кающих на поверхности деталей при блочном режиме нагружения 201
5.1.2. Прогнозирование ресурса образцов при блочном режиме нагружения с использованием ДДИТ 208
5.1.3. Оценка с помощью ДДИТ ресурса деталей, подвергающихся в условиях эксплуатации воздействию случайного спектра нагрузок... 215
5.2. Методика идентификации условий нагружения деталей при нерегулярном их нагружении по показаниям ДДИТ, зафиксированных с помощью цифровой видеотехники 220
5.3. Диагностика остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин по показаниям ДДИТ 223
5.3.1. Анализ технического состояния крана № 1 223
5.3.2. Анализ технического состояния крана № 2 225
5.3.3. Анализ технического состояния крана № 3 226
5.3.4. Анализ технического состояния крана № 4 228
5.3.5. Анализ технического состояния крана № 5 229
5.3.6. Анализ технического состояния крана № 6 231
Основные результаты работы 236
Библиографический список
- Характеристика датчиков деформаций, способы калибровки и математическое описание тарировочных зависимостей
- Результаты оценки мест вероятного разрушения сварной рамы автобуса КАВЗ-32768
- Прогнозирование изгибной выносливости зубьев колес Новикова по показаниям ДДИТ
- Методы прогнозирования долговечности деталей по показаниям ДДИТ, использующие модели накопления повреждений
Введение к работе
Важнейшей задачей практически для всех отраслей машиностроения является улучшение качества, снижение металлоемкости, совершенствование конструкции и методов изготовления как серийно выпускаемых, так и новых образцов машин и механизмов. Решение данной задачи невозможно без всесторонних испытаний. Наиболее сложными и длительными являются испытания, связанные с оценкой нагруженности и ресурса элементов машин и конструкций в целом по критерию усталостного разрушения, что вызвано статистической природой показателей долговечности, разнообразием процессов накопления повреждений в деталях и конструкциях, влиянием большого количества конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. Весьма часто объекты таких испытаний, в соответствии с особенностями их работы и нагружения, требуют нестандартных решений. В последнее десятилетие остро встала проблема оценки работоспособности и остаточного ресурса объектов, длительное время находящихся в эксплуатации, а в ряде случаев отработавших нормативный срок службы. Сказанное в полной мере относится к системам транспорта нефти и газа, грузоподъемным машинам и механизмам, авиационной технике и др. Поэтому комплекс средств и методов, позволяющих экспериментально оценивать напряженно-деформированное состояние и процесс накопления усталостных повреждений в материале конструкции и ее отдельных деталях в условиях циклического нагружения, является важным направлением в науке и технике. Результаты диагностики работоспособности и накопленных в деталях усталостных повреждений, полученные именно в процессе натурных испытаний или эксплуатации, не только дают объективную информацию о работе деталей, но и являются основой для совершенствования как методов расчета их на выносливость, так и методов прогнозирования остаточного ресурса.
К настоящему времени как в нашей стране, так и за рубежом опубликовано большое количество работ, посвященных разработке, исследованию и внедрению различных средств и методов изучения напряженно-деформированного состояния в условиях циклического нагружения как отдельных деталей, так и металлоконструкций в целом в условиях стендовых и натурных испытаний. Существенный вклад в развитие данного научного направления внесли отечественные ученые В.В. Болотин, Е.К. Почтенный, С.А. Тимашев, В.И. Бойко, О.Л. Бандин, А.С. Гусев, А.П. Гусенков, Б.С. Касаткин, Э.Г. Керимов, В.П. Когаев, В.А. Копнов, Х.Б. Кордонский, Ю.Н. Коваль, Н.А. Махутов, СМ. Набойщиков, В.Н. Сызранцев, В.Т. Трощенко, Д.А. Троценко, О.А. Мамед-Заде и другие.
Анализ отечественной и зарубежной литературы по данной тематике свидетельствует, что наиболее перспективными неразрушающими методами оценки накопленных усталостных повреждений в материале детали или металлоконструкции являются методы, основанные на применении датчиков усталостного повреждения. В связи с этим решение проблемы, объединяющей вопросы разработки новых средств и принципов измерений, конструкции датчиков усталости и теоретических основ методов оценки нагруженности, накопленных повреждений и остаточного ресурса, представляется актуальной задачей, имеющей важное значение для ряда отраслей машиностроения.
Целью работы является обоснование и разработка методов оценки нагруженности и прогнозирования усталостной долговечности деталей и несущих систем машин в условиях эксплуатации на основе использования результатов оценки реакции датчиков деформаций интегрального типа по различным критериям.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи.
1. Создание банка способов тарирования датчиков деформаций интегрального типа (ДЦИТ) по различным критериям оценки их реакции и математическое описание результатов тарирования на основе регрессионных, полуэмпирических и аналитических моделей. 2. Определение по показаниям ДДИТ в металлоконструкциях мест с интенсивным накоплением усталостных повреждений в условиях регулярного нагружения машин при их эксплуатационных испытаниях.
3. Разработка (на примере комплексного исследования работоспособности передач Новикова по различным прочностным критериям) методологии использования ДДИТ для восстановления нагруженности и прогнозирования ресурса деталей сложной геометрической формы, подвергающихся в процессе работы циклическому деформированию.
4. Установление корреляционных связей внутренней реакции ДДИТ с усталостным разрушением образцов деталей, разработка методов прогнозирования ресурса деталей и металлоконструкций машин в условиях регулярного нагружения.
5. Определение взаимосвязей реакции на поверхности ДДИТ с накопленными усталостными повреждениями, описание связей на основе полуэмпирических моделей накопления повреждений и разработка методологии прогнозирования по показаниям ДДИТ остаточного ресурса несущих систем и деталей машин для условий нерегулярного нагружения и известного периода эксплуатации изделий до начала диагностики.
6. Проведение экспериментальных исследований по проверке разработанных методов оценки с использованием ДДИТ нагруженности и прогнозирования ресурса несущих систем и различных элементов машин как в условиях лабораторных, так и эксплуатационных испытаний.
Настоящая диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и 2 приложений.
В первой главе проведен анализ известных средств и методов экспериментального измерения напряжений и деформаций, возникающих на поверхностях деталей при их циклическом нагружении, и неразрушающих методов диагностики усталостных повреждений, отмечены их преимущества и недостатки. Рассмотрены новые средства исследования циклических деформаций и напряжений, возникающих на поверхностях деталей машин при циклическом нагружении — датчики деформаций интегрального типа Приведены способы калибровки датчиков по различным критериям оценки их реакции, математические модели, описывающие результаты тарирования и методы измерения напряжений, основанные на информации, получаемой с помощью ДДИТ.
Во второй главе работы представлены методы определения с помощью ДДИТ мест с интенсивным накоплением усталостных повреждений в несущих системах и элементах ходовой части транспортной техники. На примерах исследования кузова экспериментального длиннобазного автобуса КАВЗ-39769, сварной рамы автобуса КАВЗ-32768, балки переднего моста спортивного автомобиля КамАЗ показаны результаты установления опасных с позиций усталостной прочности мест в металлоконструкциях транспортных машин на основе реакции, возникающей на датчиках как в процессе стендовых, так и эксплуатационных испытаний. В заключение главы рассмотрена задача определения напряжений в установленных с помощью ДДИТ местах вероятного разрушения несущей системы автомобиля КамАЗ-49250 в процессе ее испытания на долговечность, методика расшифровки показаний ДДИТ, применяемое для тарировки и регистрации реакции датчиков оборудование.
В третьей главе на примере индивидуальной оценки работоспособности по различным критериям выхода из строя передач Вильдгабера — Новикова рассмотрена основанная на обработки реакции с датчиков деформаций интегрального типа методология восстановления нагруженности и прогнозирования ресурса деталей сложной геометрической формы, подвергающихся в процессе работы циклическому деформированию. Представлены основные задачи диагностики работоспособности конкретной передачи, решение которых на основе разработанных методов позволяет получить фактические значения параметров, характеризующих критерии выхода передачи из строя. Рассмотрены методы получения и обработки информации с нового типа ДДИТ - датчиков с управляемой чувствительностью, на основе которых восстанавливается индивидуальная нагруженность передачи в процессе ее кратковременного испытания под нагрузкой. На основе данных о фактической нагруженности зубьев исследуемой передачи, получаемых с помощью ДДИТ, разработана методика корректировки допускаемых напряжений изгиба зубьев в зависимости от закона распределения твердости по глубине упрочненного слоя. Приведена методика определения оптимальных параметров упрочненного слоя, позволяющая для конкретных условий эксплуатации передачи технологическими методами исключить возможность отслаивания твердого слоя поверхности зубьев и обеспечить максимальную долговечность передачи.
В четвертой главе приведены экспериментально-расчетные методы прогнозирования с помощью ДДИТ долговечности деталей в условиях регулярного их нагружения, основанные на установлении корреляционных зависимостей между реакцией датчика и числом циклов нагружения образца или детали до разрушения и методы, использующие модели накопления повреждений. Рассмотрена методика получения корреляционных связей, основанная на установлении зависимости между изменением внутреннего эффекта (микротвердости) ДДИТ и числом циклов нагружения детали до разрушения. На базе данной методики разработана модель прогнозирования долговечности деталей, основанная на сопоставлении результатов тарирования ДДИТ и данных усталостных испытаний деталей с ДДИТ при одной и той же реакции датчиков с учетом особенностей накопления усталостных повреждений. Для расширения области применения ДДИТ при решении задач прогнозирования долговечности деталей разработан ряд методов, основанных на взаимосвязи реакции датчика с накоплением усталостных повреждений в материале детали, расчетной моделью для которых принята нелинейная гипотеза накопления усталостных повреждений Гатса. В заключение главы приведены примеры реализации разработанных методов на АО «Уралвагонзавод» при прогнозировании мест и сроков вероятного разрушения основных несущих элементов тележки вагона - корпуса автосцепки, боковой рамы полувагона и над-рессорной балки. В пятой главе работы рассмотрены методы восстановления напряжений и прогнозирования ресурса деталей и металлоконструкций машин при блочном и случайном режимах их нагружения, в том числе для изделий, длительное время находящихся в эксплуатации. Приведен алгоритм определения эквивалентных напряжений при блочном режиме нагружения детали с ДДИТ, основанный на обработке информации с датчика. Рассмотрены методы применения нового типа ДДИТ с переменой чувствительностью, позволяющие исследовать нагруженность и накопление усталостных повреждений конструкций и деталей в условиях, когда число циклов деформирования конструкции неизвестно, а амплитуда напряжения является величиной случайной. Приведена методология диагностики остаточного ресурса металлоконструкций машин на основе информации, получаемой с помощью ДДИТ переменной чувствительности и результаты диагностики технического состояния с позиций накопленных усталостных повреждений мостовых кранов ОАО «Курганмашзавод», длительное время находящихся в эксплуатации.
В заключении изложены основные результаты работы.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Разработан новый подход для оценки технического состояния (по усталостной долговечности) элементов машин, закон нагружения которых в эксплуатационных условиях является случайным и аддитивным, включающий определение за период работы конструкции с ДДИТ в ее исследуемых местах эквивалентных характеристик закона, на основе которых, учитывая продолжительность работы изделия до начала диагностики, восстанавливается величина накопленной поврежденности, позволяющая при известных характеристиках усталости материала прогнозировать остаточный ресурс.
2. Разработан метод восстановления эквивалентных напряжений и эквивалентного числа циклов деформирования детали, подвергнутой в эксплуатации нерегулярному нагружению, использующий получаемые в эксперименте количественные характеристики реакции ДДИТ, имеющего переменную по длине чувствительность к амплитуде циклических деформаций. 3. Получены корреляционные зависимости внешней и внутренней реакции ДДИТ в условиях испытания деталей (образцов) с датчиками на выносливость при регулярном нагружении с процессом накопления усталостных повреждений в материале детали, математическое описание этих зависимостей выполнено на основе регрессионных и полуэмпирических моделей, для определения параметров которых с учетом их физического наполнения и случайного характера предложены специальные алгоритмы.
4. Разработана методология использования получаемой с помощью ДЦИТ экспериментальной информации по характеру распределения напряжений (деформаций) в основании и на торцах зубьев колес в процессе обкатки исследуемой зубчатой передачи под нагрузкой для восстановления нагруженно-сти контакта в зацеплении, диагностики работоспособности и прогнозирования ресурса работы зубчатых передач по различным прочностным критериям.
5. На основе регрессионных, полуэмпирических и аналитических моделей для способов тарирования ДДИТ, получивших наибольшее распространение в практике экспериментальных исследований, получены математические зависимости, описывающие регистрируемые изменения структуры (микротвердость, относительная площадь измененной структуры) и внешнего эффекта (первые темные пятна, изменение отраженного светового и инфракрасного потока, относительная площадь темных пятен) ДЦИТ при их циклическом деформировании на образцах с амплитудой и числом циклов нагружения образцов.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Применение новых средств экспериментального исследования — ДДИТ позволяет на ранних стадиях испытания или эксплуатации изделий установить величину и характер распределения циклических деформаций (напряжений) и определить места их концентрации на поверхности исследуемых деталей и металлоконструкций. Разработанные методы, в основе которых лежит информация, получаемая с помощью ДДИТ, позволяют оценить места и сроки вероятного разрушения деталей при их циклическом нагружении, а также осуществить прогнозирование остаточного ресурса конструкций, находящихся длительное время в эксплуатации. С использованием разработанных методов проведены комплексные исследования по оценке влияния погрешностей изготовления и монтажа на несущую способность передач Новикова с двумя линиями зацепления (исходный контур РГУ-5) и индивидуальная аттестация передач редуктора по результатам его обкаточных испытаний с ДДИТ на Ижевском ПО "Редуктор". На АО "Русич" (г.Курган) применение датчиков позволило сопоставить работоспособность центральной шестерни серийной и опытной конструкций планетарного редуктора тягача после его пробега в 1200 км. Применение разработанных методов для исследования нагруженно-сти зубчатых колес главной передачи и разгруженных полуосей спортивных автомобилей КАМАЗ после прохождения ими трассы Париж-Дакар (1994-1995гг.) позволило определить эквивалентный крутящий момент на ведущих колесах и эквивалентное число циклов их нагружения, характеризующие дорожные условия трассы. Установлены величины амплитуд напряжений в исследуемых местах рамы спортивного автомобиля КАМАЗ-49250 при ее усталостных испытаниях путем циклического закручивания на стенде MTS 966.11 в условиях НТЦ АО КАМАЗ (г.Набережные Челны). На основе полученных результатов были внесены конструктивные изменения исследуемых деталей, обеспечившие повышение их несущей способности в жестких условиях эксплуатации. Разработанные методы реализованы на АО «Уралвагон-завод», что позволило осуществить прогнозирование мест и сроков вероятного разрушения основных несущих элементов тележки вагона - корпуса автосцепки, боковой рамы полувагона и надрессорной балки при их испытании на пульсаторе. При исследовании несущей способности сварных рам экспериментальных длиннобазных автобусов КАВЗ (АК "Курганский автобусный завод") на основе созданных методов по показаниям ДДИТ установлены места с интенсивным накоплением усталостных повреждений рам (подтвержденные в ходе дальнейших испытаний) после пробега первого автобуса в груженом состоянии через 270 км (70 км по дороге с асфальтовым покрытием и 200 км - по грунтовой дороге), а второго автобуса, - порожнего, через 1000 км. Методика прогнозирования остаточного ресурса металлоконструкций, основанная на информации с ДДИТ, реализована в процессе диагностики технического состояния ряда мостовых кранов, находящихся длительное время (свыше 30 лет) в эксплуатации на ОАО "Курганмашзавод".
По теме диссертационной работы опубликовано 35 работ и 8 депонированных отчетов о научно-исследовательских работах, в том числе 2 авторских свидетельства, 2 учебных пособия и 3 монографии.
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международном конгрессе "Зубчатые передачи-95"(София, 1995 г.); международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (Омск, 1995 г.); научно-техническом совете НТЦ АК "КамАЗ" (Н.Челны, 1996 г.); международной конференции "Теория и практика зубчатых передач" (Ижевск, 1996, 1998 г.); международном научно-техническом совещании «Диагностика и прочность автомобилей» (Москва, 1997 г.); национальной конференции с международным участием "Mechanics of Solids " (Свратка, Чехия, 1997, 1998, 2000 гг.); международной конференции "Теория и практика зубчатых передач" (Ижевск, 1998 г.); международном симпозиуме "Mechanics in Design MID-98" (Ноттингем, Англия, 1998 г.); 4-ом всемирном конгрессе "Gearing and Power Transmission" (Париж, Франция, 1999 г.); 5-ой международной конференции "Akademika dubnica-99" (Варшава, Польша, 1999 г.); национальной конференции с международным участием "ENGINEERING MECHANICS 2003" (Свратка, Чехия, 2003 г.); международной научно-технической конференции, посвященная 40-летию Тюменского государственного нефтегазового университета «Проблемы развития ТЭК Западной Сибири на современном этапе» (Тюмень, 2003 г.); научно-технической конференции с международным участием «Теория и практика зубчатых передач» (Ижевск, 2004 г.).
Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности» Тюменского государственного нефтегазового университета.
Характеристика датчиков деформаций, способы калибровки и математическое описание тарировочных зависимостей
Анализ экспериментальных средств и способов исследования распределения деформаций и накопленных усталостных повреждений в материале деталей и металлоконструкций показывает, что существуют два, принципиально различных, метода получения требуемой информации. Первый метод основан на использовании датчиков деформаций дифференциального типа, которые регистрируют уровень деформаций в исследуемых участках поверхности детали на каждом цикле ее нагружения (деформирования). Типичным представителем указанного типа датчиков являются электротензометры, широко применяемые в различных экспериментальных исследованиях [181]. Использование электротензометров в задачах оценки характера распределения циклических деформаций в течение определенной базы испытаний связано с накоплением результатов тензометрирования и последующей их обработкой. Реализация первого метода требует наличия контрольно-измерительного комплекса, регистрирующего и запоминающего информацию с электротензометров, обеспечивающего возможность снятия сигналов с датчиков в процессе проведения испытаний деталей, а при тензометрирова-нии деталей, циклическое нагружение которых происходит в различные моменты времени и относительного положения, — соответствующих коммутационных устройств и синхронизирующей аппаратуры. Указанные сложности проявляются в полной мере при экспериментальном исследовании таких широко распространенных деталей машин, как зубчатые колеса. Причем, если тензометрируемые колеса находятся в составе узла машины, доступ к которому ограничен, например, сателлиты планетарных передач, то практическая реализация рассматриваемого метода существенно затрудняется.
Применение первого метода, основанного на использовании датчиков деформаций дифференциального типа позволяет установить характер изменения напряжений на исследуемом участке поверхности детали уже через весьма ограниченное число циклов ее деформирования, обычно составляющее несколько десятков, реже - несколько сотен циклов. Однако в результате эксперимента для каждого датчика будет получена выборка его показаний по числу циклов деформирования, и вопрос, какими показаниями пользоваться при построении эпюры распределения напряжений, остается открытым. Таким образом, применение первого метода ограничено констатацией факта распределения напряжений в отдельные промежутки испытаний, а его использование в задачах оценки деформированного состояния поверхности детали за длительный период ее эксплуатации вызывает затруднения как из-за объема исходной информации, так и вследствие того, что результаты ее обработки, в зависимости от принятой гипотезы накопления повреждений в материале детали, будут различными. В то же время распределение циклических напряжений на поверхности деталей, полученное именно в процессе их натурных испытаний, не только дает объективную информацию о работе деталей, но и является основой для совершенствования как методов расчета их на выносливость, так и методов прогнозирования ресурса.
Второй метод экспериментальной оценки характера распределения напряжений в деталях машин при циклическом нагружении основан на применении датчиков деформаций интегрального типа (ДЦИТ), обладающих способностью изменять свои выходные параметры в зависимости от интенсивности и длительности циклического деформирования. К датчикам деформаций интегрального типа относятся датчики усталостных повреждений [14... 18, 160, 161, 162] и датчики, изготавливаемые из металлической фольги, получаемой гальваническим путем или иным путем [30, 86, 87, 93, 107, 114, 119, 132, 158, 165, 187, 189, 190, 191]. Характерной особенностью ДЦИТ является их способность давать интегральную оценку действующим на поверхности детали напряжениям и деформациям. При этом датчики усталостных повреждений позволяют получить интегральную характеристику циклических деформаций лишь по времени, тогда как датчики из металлической фольги еще и по поверхности исследуемой детали. Следует отметить, что средства измерения в виде датчиков усталостных повреждений появились в связи с развитием методов экспериментальной оценки накопленных усталостных повреждений и прогнозирования остаточного ресурса деталей машин. Однако свойства датчиков в процессе циклического деформирования накапливать в себе информацию позволяют применять их и для регистрации уровня циклических деформаций [118, 162, 165, 188, 190, 191]. Таким образом, в зависимости от решаемых задач ДДИТ могут быть использованы как для оценки характера распределения напряжений (деформаций) на поверхности деталей машин, так и для прогнозирования ресурса их работы. Отличительным здесь является подход, принятый при построении тарировочных зависимостей для ДДИТ.
Датчики усталостных повреждений [160, 161, 162] по конструкции аналогичны электротензорезисторам [15, 16, 17]. Однако в отличие от последних материал датчиков усталостных повреждений подвергают специальной термической обработке. В результате тензорезисторы приобретают свойство в процессе работы вместе с исследуемой деталью при циклически переменных деформациях изменять оммическое сопротивление в пределах 0,5ч-6 Ом [15, 160, 161]. Несмотря на то, что между показаниями датчика и повреждением основного материала детали наблюдается корреляционная связь, непосредственная оценка уровня повреждений не всегда возможна [17]. Минимальная база датчиков, применяемых в настоящее время, составляет 5-ЯО мм [14, 160], что в случае оценки накопления усталостных повреждений в местах концентрации приводит к необходимости использования умножителей деформаций [160], снижающих точность измерений. Следует также отметить, что наличие перерывов в нагружении приводит к уменьшению электрического сопротивления, зависящего от длительности перерывов [15].
Результаты оценки мест вероятного разрушения сварной рамы автобуса КАВЗ-32768
Для установки на грузопассажирском автобусе КАВЗ-32768 подвесок различных типов, конструкторами АК «Курганский автобусный завод» была разработана универсальная рама сварной конструкции. С целью оценки равнопрочности рамы было проведено ее исследование с помощью ДДИТ в процессе дорожных испытаний автобуса. Поскольку априори уровень напряжений, возникающих в раме при испытаниях, был неизвестен, для экспериментальных работ были изготовлены ДДИТ различной чувствительности, - из медной (Си) и алюминиевой (А1) фольги [133]. Эти датчики в виде полосок шириной « 5 мм и длиной « 20 мм были наклеены на различных участках рамы согласно схеме, представленной нарис. 2.3.
Испытания груженого автобуса (груз 2 т) с ДДИТ осуществлялись путем пробега его по трассе протяженностью 270 км, включающей грунтовую дорогу («70 км) и дорогу с асфальтовым покрытием (» 200км).
После пробега автобуса все датчики были осмотрены с помощью переносного оптического устройства. В результате установлено, что датчики 6А1 и 7А1 имели весьма насыщенный внешний эффект («темные пятна»). На поверхности датчиков 6Си и 7Си также возникли отдельные «темные пятна». Все эти датчики расположены вблизи сварного шва, в зоне термического влияния которого реакция на датчиках наибольшая. Первая реакция также обнаружена на датчике 2А1. Остальные датчики реакции не имели (Рис.2.4).
Полученные данные свидетельствуют, что равнопрочность конструкции рамы не обеспечена и на участках рамы в зоне расположения датчиков 6 и 7 высока опасность появления усталостных трещин. Это подтвердилось в процессе дальнейших испытаний автобуса. После его пробега примерно »18 тыс. км, в указанной зоне возникла усталостная трещина. Отметим, что в данном случае использование ДДИТ позволило осуществить диагностику мест усталостного разрушения рамы на начальном этапе эксплуатации автобуса, по существу в период его обкатки.
Объектом исследования на АО "КамАЗ" являлся спортивный большегрузный автомобиль, предназначенный для участия в международном авторалли Париж-Дакар. По согласованию с НТЦ АО "КамАЗ" на раму автомобиля, зубчатые колеса главной передачи заднего моста, балку переднего моста было наклеено около 200 ДДИТ различной чувствительности [90]. Поскольку возможность осмотра ДДИТ на предмет выявления на них реакции в процессе испытания автомобиля отсутствовала, цель эксперимента заключалась в определении с помощью ДДИТ мест с интенсивным накоплением усталостных повреждений, то есть эксперимент для последующих исследований (рассмотрены в работе [139]) был затравочным. Обратимся к рис. 2.5, на котором показана схема наклейки ДДИТ на балку переднего моста. После испытания автомобиля на трассе, сохранились датчики № 23, 26, 27, 29, 30. Все эти датчики были изготовлены из алюминиевой фольги по технологии работы [133]. После отмачивания ацетоном (наклейка ДДИТ осуществлялась с помощью клея "Циакрин ЭО") датчики с балки переднего моста были сняты. В результате анализа реакции на этих датчиках на микроскопе ММУ-3 установлено, что все они прореагировали. Однако насыщенность "темных пятен" на поверхности датчиков оказалась существенно различной. Наибольший эффект имели ДДИТ с № 29, 27, 23. Это свидетельствует о том, что в местах установки перечисленных датчиков процесс накопления усталостных повреждений характеризуется наибольшей интенсивностью. То есть среди исследуемых участков балки вероятность разрушения в местах установки датчиков с № 29, 27, 23 наибольшая. Сделанный вывод согласуется с результатами усталостных испытаний аналогичной балки на стенде в НТЦ АО "КамАЗ". Ее разрушение произошло через 681 тыс. циклов нагруже-ния (нагрузка 12 т) в зоне размещения датчика № 29.
Прогнозирование изгибной выносливости зубьев колес Новикова по показаниям ДДИТ
Методы прогнозирования долговечности деталей по показаниям ДДИТ, использующие модели накопления повреждений
При этом числе циклов (Ng) нагружения зуба на ДДИТ возникают первые «темные пятна».
Для определения величины максимальных напряжений jF, возникающих в основании зубьев колес исследуемой передачи при обкаточном режиме ее нагружения, достаточно воспользоваться тарировочной зависимостью для используемых в эксперименте ДДИТ, в которую необходимо подставить значение Ng, установленное по формуле (3.7). В результате получим напряжение jg , которое и будет равным искомому а? при Т2 = const.
Несмотря на то, что рассмотренная методика использования ДДИТ для определения максимальных напряжений jF получила широкое распространение при диагностике работоспособности передач, ее реализация связана с необходимостью неоднократных прерываний процесса испытания передач для оценки состояния датчиков. Поскольку в каждой конкретной передаче величина максимального напряжения в основании зуба зависит от множества случайных факторов, «выход» на ситуацию, отраженную на рис. 3.3, возможен не всегда. Например, допускается лишь однократный демонтаж передачи для диагностики. Недостатки вышеизложенной методики определения эпюры распределения напряжений в основании зубьев по показаниям ДДИТ предопределили поиск новых вариантов решения задачи, базирующихся на по следних достижениях в области теории и практики использования ДДИТ. Рассмотрим две новые методики решения задачи.
Первая методика основана на регистрации кинетики развития реакции на ДДИТ, оцениваемой по относительной площади, занимаемой «темными пятнами» на исследуемом участке поверхности датчика. Для этого строится тарировочная зависимость, связывающая амплитуду напряжения, число циклов деформирования и относительную площадь «темных пятен» на поверхности датчика (подразд.1.3). Математическая обработка результатов тарирования ДДИТ по рассмотренному критерию [26] позволяет получить следующую зависимость: aA + (B.N-C)- (3-8) где а - амплитуда напряжения, МПа; 8 — относительная площадь «темных пятен» на поверхности датчика, %; N — число циклов деформирования, А, В и С-константы.
Процедура определения с помощью ДДИТ и зависимости (3.8) точек эпюры распределения напряжений заключается в следующем. Во впадинах исследуемых колес закрепляют датчики по всей длине основания зубьев. Далее передачу подвергают испытанию в течение известного промежутка времени. После этого, используя цифровую фототехнику, регистрируют реакцию на датчиках в фиксированных по их длине xt участках поверхности. Обработка информации для каждого участка датчика, определяемого продольной координатой xit позволяет получить значения относительной площади «темных пятен» Si, подставляя которые в зависимость (3.8) при известном из эксперимента числе циклов нагружения N устанавливают величины напряжений а , для каждого Х{. Совокупность значений а, и х{ представляет собой полученные экспериментальным путем точки эпюры распределения напряжений в основании зубьев колес исследуемой передачи. Различные алгоритмы получения функциональной зависимости т= a (х) на основе совокупности значений сг, и х{ подробно рассмотрены в работах [23, 26, 118, 132, 133, 150, 165].
Вторая методика получения с помощью ДДИТ экспериментальных точек эпюры распределения напряжений в основании зубьев базируется на способе, защищенном патентом РФ [197], и заключается в следующем. В основании зубьев помещают два датчика, отличающихся чувствительностью к амплитуде циклических деформаций по числу циклов до появления реакции на датчиках в виде первых «темных пятен» и осуществляют испытание колес в составе редуктора или трансмиссии машины до тех пор, пока на более чувствительном датчике не возникнет реакция. Координаты границ реакции переносят на менее чувствительный датчик, который с колеса снимают и помещают на тарировочный образец, выполненный из материала исследуемого колеса в виде балки равного сопротивления. Тарировочный образец в лабораторных условиях подвергают циклическому деформированию при известной амплитуде напряжений. Процесс деформирования периодически прерывают, фиксируя при этом число циклов нагружения и положение границы реакции на датчике. Число циклов нагружения снятого с колеса датчика, при котором границы реакции на нем совпадают с границами реакции на более чувствительном датчике, совместно с известной амплитудой деформирования тарировочного образца, используют для определения эквивалентного напряжения и эквивалентного числа циклов нагружения колеса с датчиками, а также восстановления эпюры распределения напряжений в пределах всей длины датчика. Описанный способ определения характера распределения напряжений в основании зубьев колес позволяет сократить сроки испытаний передач с датчиками и обеспечивает возможность диагностики работоспособности передач при эксплуатации машин, в том числе при нерегулярном спектре изменения нагрузки. В зависимости от условий испытания исследуемой передачи разработано несколько вариантов операций по реализации способа.
