Введение к работе
Актуальность проблемы. Известно, что оценка долговечности деталей машин по наработке (километры пробега, мото-часы, приведенное время), которая используется в настоящее время, связана с нагрузочными режимами, вызывающими усталостные повреждения. При этом не учитываются процессы генерирования, перемещения и накопления внутренних дефектов в твердом теле и другие факторы, существенно влияющими на его ресурс. К числу основных не учитываемых факторов относятся пусковые нагрузочные и скоростные режимы, зависящие от мощности двигателя. Для машин, работающих в широком диапазоне нагрузок и скоростей, существенна также длительность работа на резонансных режимах, влияющих на долговечность деталей.
Рекомендуемый оценка долговечности деталей при эксплуатации машин основывается на величине энергозатрат для их деформирования до отказа, так как коэффициент корреляции между энергозатратами и отказами деталей на 24% выше, чем между временем работы машины и отказами. Энергия (тепловая или механическая) вызывает накопление усталостных повреждений. Каждый режим нагружения-разгружения характеризуется переменными процессами, которые описываются замкнутыми кривыми петли гистерезиса. Образующаяся при этом петля гистерезиса выражает накопление энергии в материале и, в зависимости от длительности действия, изменяет свою площадь, которая характеризует затраченную энергию. Существующая технология не гарантирует отсутствие в изделиях тех или иных дефектов, снижающих качество продукции. Отметим, что проблема выбора критерия долговечности весьма сложна. Для ее оптимального решения необходимы сложные расчеты, натурные испытания изделий с различными дефектами. При этом следует учитывать реальные возможности средств неразрушающего контроля, которые имеются на предприятиях.
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является совершенствование прогнозирование долговечности деталей машин на основе анализа изменения площадей петель гистерезиса. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-
Анализ вероятностно-статистических характеристик накопления повреждений деталей машин при нерегулярном нагружении.
-
Уточнение влияния различных концентраторов напряжений на развитие усталостных трещин в материале при циклическом нагружении.
-
Определение начала появления микротрещин и скорости их роста в зависимости от количества циклов при регулярном и не регулярном режиме нагружения.
-
Составление математической модели оптимального выбора материала при проектировании деталей с концентраторами напряжений.
-
Разработка рекомендаций по повышению долговечности деталей машин на стадии изготовления технологическими методами и методики его прогнозирования.
Научная новизна.
1. Впервые проведено комплексное исследование критерия оптимальности при выборе материала отношение стоимости изготовления к долговечности, сформирована система ограничений по механическим и энергетическим его свойствам на стадии проектирования.
2. Разработана математическая модель долговечности деталей машин, включающая физические процессы при нерегулярном нагружении с учетом концентраторов напряжений.
3. Расширен энергетический метод определения долговечности деталей по изменению площади петли гистерезиса при нерегулярном циклическом нагружении.
4. Предложен способ повышения ресурса деталей на стадии изготовления путем технологического воздействием после проведения циклического нагружения детали до точки перелома кривой энергозатрат и разработана методика её прогнозирования.
Практическая ценность. Данные по оптимальному выбору материала с учетом ограничений по механическим и энергетическим его свойствам на стадии проектирования используется НПФ «Элекс» в г. Ульяновск, разработанные пакеты программ расчета площади петли гистерезиса и энергозатрат деталей при нерегулярном нагружении используется в опытно конструкторской практике ОАО «Ульяновский авторемонтный завод», ОАО «РЕДУКТОР» в г. Барыш Ульяновской области. Предложенный способ повышения ресурса деталей на стадии изготовления путем технологического воздействия после проведения циклического нагружения детали до точки перелома кривой энергозатрат используется в ЗАО «Ремсельмаш». Результаты работы могут использоваться при разработке конструктивных и технологических мер повышения эксплуатационной надежности элементов конструкции машин на стадии изготовления, при создании промышленных и лабораторных установок, позволяющие проводить ресурсные испытания деталей и лабораторных образцов при нерегулярном режиме нагружении.
Достоверность результатов обеспечивается:
применением в процессе вывода расчетных зависимостей фундаментальных физических и математических понятий и методов;
корректными измерениями с использованием высокоточных приборов;
практическим подтверждением результатов исследований;
основные положения диссертации проверены экспериментально.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывалось и обсуждалось на следующих конференциях:
Международных: Международ. НТК «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов», г. Могилев, 2004 г.; Международ. НТК «Повышение эффективности проектирования, испытан. и эксплуатации двигателей, автомобилей, вездеходных, специальных строительных и дорожных машин», 1994 г., . Н. Новгород, НГТУ, Международн. НТК «Молодая наука – новому тысячелетию», 1996 г., КамПИ г. Набережные Челны; Международ. НТК «Точность и надежность технологических и транспортных систем», г.Пенза, 1999 г.; Международ. НТК, 1999 г., г. Москва, МАМИ; IХ Международ. НТК «Современные тенденции развития транспортного машиностроения и материалов», г. Пенза, 2004 г.; 2 Международ. конференция «Автомобили и техносфера», г. Казань, 2001 г.; 1 Международ. конференция, Центр Академии транспорта, УлГТУ , 1999 г.; Международ. НТК, Академия транспорта РФ, «Точность технологических и транспортных систем», 1998, г. Пенза;
Российских: НТК, г. С.Петербург, 1996 г.; НТК «Динамика и прочность исполнительных механизмов», г. Астрахань, 2002 г.; Республиканская НТК, «Проблемы качества и надежности машин», 1994 г., г. Могилев; Всероссийская НТК «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», г. Тольятти, 2004 г.
Результаты неоднократно докладывались на конференциях Ульяновского государственного технического университета: 29-я конференция, УлГТУ, 1995 г.; 28-я конференция, УлГТУ и другие.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 34 работы, включая два патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 166 страниц машинописного текста, в том числе 19 таблиц, 49 рисунков, список литературы и приложения. Список литературы включает сто наименований. В приложении представлены 4 акта о внедрении результатов диссертационной работы.
