Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса по теме и постановка задачи исследования 18
1.1. Анализ и изыскание путей развития системы эксплуатации авиационной техники по техническому состоянию...,. 18
1.2. Анализ разработок в области совершенствования системы обеспечения надежности болтовых и заклепочных соединений планера ЛА 25
1.3. Определение задач, решаемых на этапах конструкторской и технологической разработок болтовых и заклепочных соединений... 33
1.4. Определение задач, решаемых в исследованиях физико-механических характеристик материалов конструкции заклепочных и болтовых соединений 39
Основные выводы главы 1 44
Глава 2. Теоретические исследования напряжений и деформаций заклепочных и болтовых соединений планера ЛА как причины усталости конструкционного материала 52
2.1. Анализ работ в области исследования напряжений и деформаций заклепочных и болтовых соединений планера ЛА как причины усталости конструкционного материала 52
2.2. Определение деформаций и напряжений в заклепочных и болтовых соединениях самолетных конструкций .; 55
2.3. Влияние величины натяга на напряжения заклепочного соединения.. 61
2.4. Расчет напряжений и анализ влияния на их значения параметров болтового и заклепочного соединений 64
Основные выводы главы 2 88
Глава 3. Разработка методики контроля качества заклепочных и болтовых соединений 90
3.1. Анализ методов оценки технического состояния авиационных деталей с целью выбора пригодного для контроля качества заклепочных и болтовых соединений 90
3.2. Анализ характеристик методов неразрушающего контроля и параметров ультразвуковых дефектоскопов с целью рационального выбора для контроля качества заклепочных и болтовых соединений 97
3.3. Выбор аппаратуры и средств измерения 111
3.4. Разработка методики проведения контроля качества ультразвуковым эхо-методом 125
Основные выводы главы 3 , 128
Глава 4. Экспериментальная проверка адекватности методики проведения контроля качества заклепочных и болтовых соединений ультразвуковым.методом 130
4.1. Экспериментальные исследования ультразвукового метода выявления трещин в резьбовой части болтовых соединений 130
4.2. Экспериментальная оценка величины натяга заклепочных соединений 145
4.3. Исследование заклепочных и болтовых соединений на усталость 165
Основные выводы главы 4 172
Общие выводы и результаты работы 174
Заключение 177
Библиографический список использованной литературы 179
Приложения 190
- Анализ разработок в области совершенствования системы обеспечения надежности болтовых и заклепочных соединений планера ЛА
- Определение деформаций и напряжений в заклепочных и болтовых соединениях самолетных конструкций
- Анализ характеристик методов неразрушающего контроля и параметров ультразвуковых дефектоскопов с целью рационального выбора для контроля качества заклепочных и болтовых соединений
- Экспериментальная оценка величины натяга заклепочных соединений
Введение к работе
В процессе эксплуатации летательных аппаратов (ЛА) техническое состояние их деталей , узлов и агрегатов изменяется в результате необратимых процессов, связанных с воздействием повреждающих факторов. Следствием этого является возникновение отказов.
В основе процесса поддержания ЛА в исправном, а, в некоторых случаях, в работоспособном состоянии посредством ремонта, лежит один из показателей качества - ремонтопригодность.
В настоящее время прогрессивной тенденцией является переход на эксплуатацию и ремонт авиационной техники (AT) по фактическому техническому состоянию, когда ремонт осуществляется при наработке, отвечающей некоторому предельному состоянию AT, при котором требуется устранение неисправностей. Для этого создаются центры технического обслуживания и ремонта (ТО и Р).
Обеспечить равнопрочность наиболее массовых типовых конструктивных элементов планера ЛА не удается в силу стохастичности воздействующих на элементы конструкции повреждающих факторов. При ТО и Р по состоянию AT фактическая неравнопрочность компенсируется путем развития методов и средств неразрушающего контроля, позволяющих достоверно оценивать безопасность использования AT по назначению и прогнозировать изменение качества на период до следующего диагностирования.
Одной из нерешенных проблем сдерживающих переход AT на экспуатацию по состоянию является отсутствие достоверных методов физического контроля массовых элементов конструкции, таких как заклепочные и болтовые соединения.
Опыт авиационного конструкторского проектирования, технологии и производства при планово-предупредительном ремонте позволял гарантировать исправность болтовых и заклепочных соединений со значительным запасом прочности на очередной ресурс. Направлявшаяся в капитальный ремонт AT
подвергалась полной разборке. Заклепки, являющиеся деталями обязательной замены, не требовали контроля состояния. Болты и другие элементы резьбового крепежа заменялись на детали первой категории по результатам органолептического контроля, то есть квалиметрически не обоснованно.
В настоящее время осуществлен научно-технический прорыв в области методов, средств и приборов контроля технической исправности изделий машиностроения. Но физические методы неразрушающего контроля, давая квалиметрически точные результаты, по трудоемкости процесса контроля значительно превышают органолептические методы дефектации.
Массовость и многономенклатурность болтовых и заклепочных соединений делает задачу их стопроцентного контроля физическими методами неразрушающего контроля не решаемой из-за необоснованно высокой суммарной трудоемкости работ.
Элементы конструкции планера ЛА в разной степени подвержены эксплуатационным повреждениям, но свыше чем в 80% случаев усталостные трещины возникают в местах соединений деталей заклепками и болтами, которые являются районами повышенных усталостных нагрузок и местами их сосредоточения. Для принятия решения о способе ремонта повреждений необходимо оценить степень ухудшения функциональных свойств элемента Л А и планера в целом с учетом возможности развития повреждения. В настоящее время оценка производится, как правило, на качественном уровне, поскольку средств и методов количественной оценки до настоящего времени практически не разработано.
Предпосылкой перспективного технологического проектирования процессов ТО и Р является полное выявление утрачиваемых в процессе эксплуатации функциональных свойств изделия, как внешних, так и внутренних. Для повышения эффективности и оптимизации технологических процессов восстановления элементов конструкции планера их проектирование осуществляется в автоматизированном режиме, что позволяет осуществить постепенный переход от унифицированного технологического проектирования
6 к индивидуальному проектированию оптимизированных технологических процессов. Но прогнозировать с достаточной степенью вероятности развитие дефектов можно лишь на основе их математического моделирования, аппарат которого предполагает, что на "вход" модели поступают данные в числовом выражении, то есть квалиметрические единичные показатели качества. В условиях планово-предупредительной системы ремонта AT эти данные поступали из бюро анализа дефектов службы дефектации авиаремонтных заводов гражданской авиации (ГА). При эксплуатации по состоянию эти данные должны поступать по результатам диагностики изделий при различных формах ТО и Р. Но для целей прогнозирования работы болтовых и заклепочных соединений не разработаны методы диагостического физического неразрушающего контроля, позволяющие получать числовые квалиметрические единичные показатели качества для расчетов в . автоматизированной системе проектирования процессов ТО и Р планера ЛА.
Поэтому основной целью данной диссертационной работы должна стать разработка метода/ позволяющего . при диагностировании болтовых и заклепочных соединений получать числовые квалиметрические характеристики качества соединения и входящих в него элементов, пригодных для использования в системах прогнозирования технического состояния изделий AT и системах автоматизированного проектирования технологических процессов ТО и Р и восстановления их качества.
Одной из главных проблем "стареющего" парка AT стала диагностика коррозии и усталости. Для планера и силовых элементов фюзеляжа это наиболее вероятные места возникновения усталостных разрушений, трещин и изломов - концентраторов напряжений в заклепочных и болтовых соединениях. Особую актуальность эта проблема приобрела в ГА России в связи с резким сокращением поступления в эксплуатацию новых воздушных судов (ВС) и широким привлечением на рынок авиаперевозок старой зарубежной лизинговой авиатехники. Общая картина усталостной повреждаемости в основном определяется не "старыми",' а относительно новыми самолетами. Это
является следствием особенностей организации и технологии авиаремонтного производства в условиях перехода к рыночной экономики: в настоящее время резко уменьшился объем авиаперевозок и большая часть парка воздушных судов, находящаяся в исправном состоянии, не используется и подвергается усиленному "износу от неупотребления". Та часть судов, которая обеспечивает авиаперевозки, наоборот, подвергается усиленному износу первого рода. Поступающие на восстановление посредством ремонта после интенсивной эксплуатации ВС имеют значительно худшее техническое состояние, чем при равномерной эксплуатации всего парка. Это вызывает необходимость оказания услуг по проведению диагностики и дефектации деталей и узлов без снятия с ВС.
Переход ЛА на эксплуатацию по состоянию, продление ресурсов AT требует получения в процессе диагностических работ квалиметрических данных о фактической усталостной повреждаемости элементов планера в объеме, желательно, не меньшем, чем при дефектации в процессе капитального ремонта. По этим сведениям при различных формах ТО и Р требуется не только проводить работы по восстановлению поврежденных элементов конструкции, но и принимать меры по предупреждению и уменьшению усталостной повреждаемости на всех стадиях жизненного цикла изделия. Это требует четкого понимания основных причин происхождения усталостного разрушения авиационных деталей и соединений.
Таким образом, постановка темы исследований и ее актуальность обусловлены главным образом тем, что большинство причин повреждений носит случайный характер, то есть вызывает усталостное повреждение только отдельных деталей (соединений) из большого количества одновременно эксплуатирующихся как на данном ЛА, так и на разных бортовых номерах одного типа ЛА. В таких случаях очень трудно, а часто невозможно, установить истинную причину усталостного разрушения. Единственной гарантией отсутствия усталостных разрушений при эксплуатации по состоянию является их своевременное выявление физическими методами неразрушающего
контроля во время проведения диагностических работ, получение числовых квалиметрических единичных показателей качества, выработка и внедрение рекомендаций по ужесточению требований технических условий на изготовление авиационных изделий, включая режимы технологических процессов изготовления, ТО, ремонта, монтажа систем ЛА, а так же правил эксплуатации, хранения и транспортировки AT.
Задача усложняется тем, что количество заклепок в конструкции современного «аэробуса» исчисляется миллионами штук, а болтовых конструкций - сотнями тысяч. Принципиальное решение данной проблемы -статистическая минимизация опасных мест соединений и, в зависимости от их опасности, включение их в различные регламенты ТО и Р для осуществления физического неразрушающего контроля. Научная проработка данного вопроса не входит в задачу исследования по теме диссертации.
Результаты исследований по теме позволят, во-первых, получить для включения в базу данных САПР для уточнения проектировочных процедур сведения о накоплении и развитии усталостных повреждений конструкции, а во-вторых, учесть в условиях доступа в зону механических соединений не только слесарно-монтажный инструмент, но и средства неразрушающего инструментального контроля.
Элементы конструкции в местах потайных заклепочных соединений, и особенно, болтовых и болт-заклепочных швов подвержены усталостному разрушению из-за отсутствия или недостаточно эффективного упрочнения б зоне конического гнезда и переходной кромки конус-цилиндр в процессе выполнения соединений. Решением данной проблемы является эффективное упрочнение зоны потайных соединений. Реализация данного метода требует знания напряженно-деформированного состояния материала и характера распределения остаточных напряжений в зоне зенкованного под заклепку отверстия. В настоящее время эти данные получаются экспериментально-расчетными методами. Реализация данной диссертационной работы позволит получать данные о напряженно-деформированном состоянии материала и
характере распределения остаточных напряжений непосредствеенно прямыми измерениями, что повысит достоверность исходных данных для расчета параметров технологического процесса упрочнения.
Методика расчета концентрации напряжений в самолетной обшивке, ослабленной отверстием под потайной крепеж, так же основана на косвенных методах и непрямых измерениях, а значит, может быть существенно уточнена путем введения в алгоритм решения задачи определения напряженно-деформированнго состояния данных прямых измерений. Полученные уточненные данные позволят усовершенствовать методику расчета влияния осевых и радиальных натягов на напряженно-деформированное состояние в соединении, технологию упрочнения отверстий под потайной крепеж пластическим деформированием и разработать практические рекомендации по структуре и режимах технологических процессов выполнения высокоресурсных потайных болтовых соединений.
Состояние работающих конструкционных материалов может быть оценено комплексом физико-механических характеристик, которые устойчиво связаны с их несущей способностью. Изменение этих характеристик обусловлено природной трансформацией структурных составляющих металлов. За областью действия закона Гука происходит изменение структуры материалов, а значит и их физико-механических характеристик. На уровне кристаллов в процессе работы изменяются размеры и число зерен материала, ширина межзеренных границ, появляются так называемые двойниковые полосы скольжения, влияющие на несущую способность конструкций. На уровне монокристаллов при работе металлов наблюдаются непрерывно идущие процессы выделения и растворения в монокристалле упрочняющих и разупрочняющих интерметаллидных фаз, также влияющих на способность материала выдерживать рабочие нагрузки более или менее длительное время. На атомном уровне рабочие нагрузки провоцируют движение дислокаций в кристаллических решетках, влияющее в наименьшей степени на физико-механические свойства металлов, чем состояние микроструктуры. В упруго-
напряженных элементах соединений непрерывно протекают процессы пластического деформирования, так как ресурс соединений, в которых болты (заклепки) установлены с упругопластическим натягом, в 1,5-3,5 раза выше ресурса соединений с болтами (заклепками), установленными с зазором. Поэтому необходима постановка крепежа с натягом. В заклепочных и болтовых соединениях критерии утраты работоспособности связаны с возникновением трещины и коррозии (фреттинг-коррозии). В зависимости от коэффициента интенсивности напряжений, действующих нагрузок, скорости роста трещины и коррозии можно определить допустимую длину трещин, остаточный ресурс этих соединений и периодичность проведения технического обслуживания и ремонта.
Проведенный сравнительный анализ физических методов неразрушающего контроля позволил принципиально остановить выбор на ультразвуковом методе.
Разработка методики, подбор необходимой аппаратуры и исследуемых элементов конструкций заклепочных и болтовых .соединении, . разработка моделей и их исследование ультразвуковыми методами неразрушающего контроля требуют проведения экспериментально-теоретических исследований и подбора аппаратуры для проведения экспериментальных исследований и осуществления контроля качества заклепочных и ботовых соединений в лабораторных условиях. Теоретические исследования позволяют определить параметры ультразвукового контроля и основные характеристики ультразвуковых дефектоскопов и преобразователей; произвести анализ особенностей распространения ультразвуковых волн в соединениях, с одной стороны, и влияние напряжений на параметры ультразвука - с другой.
Результаты теоретических исследований проверены экспериментально, на их основе разработаны модели для обнаружения усталостных трещин, развивающихся в резьбовой части болтов как представляющих наибольшую опасность из-за ослабления рабочего сечения болта. Также они позволяют
11 определять глубину трещины при контроле наклонным искателем и оценивать величину натяга в заклепочных соединениях.
Найдены оптимальные параметры электроакустического тракта, который обеспечивает значительное увеличение полосы пропускания преобразователя.
Анализ существующих ультразвуковых методов неразрушающего контроля позволил выбрать эхо-метод и разработать методики для проведения контроля. При этом можно рекомендовать эхо-метод для решения ряда подобных задач и наметить перспективы дальнейшего развития контроля качества в заклепочных и болтовых соединениях.
Актуальность темы
Актуальность темы обусловлена тем, что в настоящее время не решена проблема контроля болтовых и заклепочных соединений планера ЛА по фактическому техническому состоянию физическими методами и средствами неразрушающего контроля в процессе технического обслуживания и ремонта AT, что не позволяет научно-обоснованно осуществлять следующее:
проектировать оптимальную технологию ремонтно-восстановительных работ планера ЛА при различных формах ТО и Р, в том числе в автоматизированном режиме проектирования;
продлевать ресурсы элементов планера ЛА;
назначать сроки и объемы различных форм технического обслуживания и диагностического контроля.
Указанная проблема сдерживает прогрессивный переход к ТО и Р AT по состоянию.
Тема диссертационной работы, посвященная разработке метода контроля заклепочных и болтовых соединений планера ЛА при эксплуатации по состоянию, не претендуя на полноту преодоления выявленной проблемы, Б то же время направлена на ее решение, что обуславливает ее актуальность.
Цель работы
Целью диссертационной работы является разработка метода контроля заклепочных и болтовых соединений планера летательных аппаратов при эксплуатации по состоянию.
Задачи исследования
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
анализ путей развития системы эксплуатации AT по техническому состоянию, разработок в области совершенствования системы обеспечения надежности болтовых и заклепочных соединений планера ЛА;
определение задач, решаемых на этапах конструкторской и технологической отработки болтовых и заклепочных соединений, при исследованиях физико-механических характеристик материалов конструкций заклепочных и болтовых соединений;
проведение теоретических исследований напряжений и деформаций заклепочных и болтовых соединений планера ЛА как причины усталости конструкционного материала; определение деформаций и напряжений в заклепочных и болтовых соединениях самолетных конструкций и влияния величины натяга на напряжения заклепочного соединения; расчет напряжений и анализ влияния параметров болтового и заклепочного соединений;
разработка методики контроля заклепочных и болтовых соединений; анализ методов оценки технического состояния авиационных деталей с целью выбора пригодного для контроля качества заклепочных и болтовых соединений; анализ параметров и характеристик неразрушающего контроля ультразвуковых дефектоскопов с целью выбора пригодного для контроля качества заклепочных и болтовых соединений; выбор аппаратуры и средств измерений;
экспериментальная проверка адекватности методики проведения контроля качества заклепочных и болтовых соединений ультразвуковым методом (выявление трещин в резьбовой части болтовых соединений, определение величины натяга заклепочных соединений); исследование заклепочных и болтовых соединений на усталость.
Объект исследования
Объектом исследования является система физического неразрушающего контроля болтовых и заклепочных соединений планера ЛА.
Методы исследования
В работе использованы методы теоретической механики, сопротивления материалов, физики твердого тела, металлографии, акустической физики, математического моделирования и теории планирования эксперимента.
Научная новизна работы
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые:
Проведен анализ системы ТО и Р по состоянию болтовых и заклепочных соединений планера ЛА; выявлены факторы, препятствующие развитию данной прогрессивной системы; предложены инженерные методы решения данной проблемы.
Разработаны математические модели обнаружения усталостных трещин, развивающихся в резьбовой части болта, и алгоритм оценки глубины трещины при контроле ультразвуковым методом неразрушающего контроля, при этом:
определены закономерности и предложена физическая модель прозвучивания болтов прямым и наклонным ультразвуковыми преобразователями при доступе со стороны головки и торца болта;
разработаны физическая и аналитическая модели акустического тракта ультразвукового преобразователя при неразрушающем контроле;
изучены принципы формирования эхо-сигнала от отражателя типа плоского диска, расположенного в дальней зоне совмещенного преобразователя;
проведен расчет электроакустического тракта, при этом найдены оптимальные параметры электроакустического тракта, который обеспечивает значительное увеличение полосы пропускания преобразователя;
установлено распределение амплитуд эхо-сигналов от усталостных трещин, развивающихся в резьбовой части болта, и произведена оценка их глубины.
3. Предложена модель оценки величины натяга в заклепочных соединениях, при этом:
предложена схема нагружения пластины с отверстием, подверженной однородному растяжению, и получены формулы для определения радиальных, тангенциальных и касательных напряжений;
дана оценка деформации пластины с отверстием, подверженной воздействию осевой силы;
решена задача определения напряжений в пластине с отверстием, заполненным болтом или заклепкой, и получены зависимости для вычисления напряжений, возникающих в пластине от внешней нагрузки и постановки болта или заклепки с натягом;
разработаны графические зависимости, показывающие характер распределения напряжений вокруг отверстия в пластине в зависимости от параметров р = r/R0, R0, величины натяга;
установлено, что радиальные и тангенциальные напряжения в значительной степени зависят от модуля упругости материала, величин натяга и прямо пропорциональны им, а с увеличением безразмерного
параметра r/R0 напряжения убывают и на расстоянии ~r/R0=3 от отверстия
они уже незначительны. 4. Разработана методика физического неразрушающего контроля заклепочных и болтовых соединений планера ЛА.
На основании экспериментально-теоретических исследований установлено, что величина скорости АС/С имеет порядок 10"4 , т. е. составляет 0,001%. Это позволяет сделать вывод о том, что напряжение никак не влияет на ультразвук.
Найдены оптимальные параметры электроакустического тракта, который обеспечивает значительное увеличение полосы пропускания преобразователя.
Анализ существующих ультразвуковых методов неразрушающего контроля позволил выбрать эхо-метод и разработать методики для проведения контроля. При этом можно рекомендовать эхо-метод для решения ряда подобных задач и наметить перспективы дальнейшего развития контроля качества заклепочных и болтовых соединений
Практическая значимость работы
Разработанный метод контроля качества заклепочных и болтовых соединений планера ЛА при эксплуатации по состоянию позволяет:
устанавливать в процессе диагностики физическим методом неразрушающего контроля (ультразвуковой эхо-метод) квалиметрические единичные показатели качества;
на основании полученных данных проектировать оптимальную ремонтно-восстановительную технологию;
на основании полученных данных прогнозировать состояние соединения до очередной диагностической проверки;
на основании полученных данных принимать решения о совершенствовании конструкции на этапах проектирования, производства, эксплуатации и ремонта планера ЛА.
16 Реализация результатов работы
Результаты работы внедрены в технологический процесс Таганрогского авиационного научно-технического комплекса (ТАНТК) им. Г.М.Бериева, г.Таганрог. Утверждены актом от 10.06.2003.
Апробация и публикация работы
Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на IV научной конференции по гидроавиации в г.Геленджик, сентябрь 5-7. 2002 г.; на Всероссийской молодежной научной конференции «VI Королевские чтения», г.Самара, 3-4 октября 2001 г.; на Третьем международном научно-практическом семинаре «Практика и перспективы развития институционного партнерства» и на научно технических конференциях, г. Таганрог, ТРТУ, 2000 - 2002гг.
По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, из них - 8 статей (5 Деп. В ВИНИТИ № 549 - в 2002 г. От 29.03.02 г.; 2 Деп. В ВИНИТИ № 775 - В 2002 от 16.05.02 г.), 3 тезиса - доклада на IV научной конференции по гидроавиации «Гидроавиасалон - -2002», на Третьем Международном научно-практическом семинаре "Практика и перспективы развития институционного партнерства" и на Всероссийской Молодежной Научной конференции «VI Королевские Чтения».
На защиту выносятся следующие научные положения
Результаты статистических и повторных переменных испытаний крыльев образцов.
Образцы высокоресурсных заклепок.
Схема нагружения пластины, подверженной однородному растяжению, для вывода формулы напряжений, возникающих в пластине с отверстием.
Схема нагружения пластины с отверстием, в которое поставлена заклепка (болт) с натягом, для вывода формулы напряжения, возникающего в пластине с отверстием, в которое поставлена заклепка (болт) с натягом.
Графики распределения напряжения вокруг отверстия при различных натягах.
Аппаратура для экспериментальных ультразвуковых исследований заклепочных и болтовых соединений.
Результаты экспериментальных ультразвуковых исследований заклепочных и болтовых соединений.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех разделов с выводами, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 212 страниц печатного текста, 49 рисунков, 12 таблиц, а также 8 фотографий. Список использованных источников состоит из 135 работ.
Анализ разработок в области совершенствования системы обеспечения надежности болтовых и заклепочных соединений планера ЛА
Результаты научных исследований д.т.н. Фролова В.П. и д.т.н. Макина Ю.Н. по разработке общей теории авиаремонтного производства [66, 67] определили, какие задачи на перспективу должен решать проектировщик вновь вводимых в технологическую практику процессов восстановления функциональных свойств изделий. При этом основной предпосылкой перспективного технологического проектирования является полное выявление утрачиваемых в процессе эксплуатации функциональных свойств изделия, как внешних, так и внутренних. Методология проектирования, выделяет следующие принципиальные этапы: восстановление "внешних" и "внутренних" функциональных характеристик изделия; улучшение функциональных и эксплуатационных свойств изделия и повышение их стабильности; перенос вновь разработанной ремонтной технологии. "производственный процесс изготовления данного изделия; перенос данной технологии в проектировочную, конструкторскую и технологическую практику других функционально близких изделий; исследование возможности использования спроектированной эффективной технологии как самостоятельного диверсификационного продукта, предлагаемого на рынок товаров и услуг.
Как следует из раздела 1.1, при проектировании технологии ремонта и восстановления планера Л А требуются всесторонняя характиристика объекта проектирования, комплексный анализ процессов технологической подготовки ремонта конструкции планера, определение критериев оценки качества системы. По данным к.т.н. Смышляева А.Р. [106] в процессе технологической подготовки ремонта планера используется 27 видов проектных процедур, 41 наименование документов и источников данных. Для повышения эффективности и оптимизации технологических процессов восстановления элементов конструкции планера предложено осуществлять их проектирование в автоматизированном режиме, то есть осуществить постепенный переход от унифицированного технологического проектирования -к индивидуальному проектированию оптимизированных технологических процессов. Научные исследования по данному направлению позволили разработать комплексную методику проектирования оптимальных технологических процессов восстановления силовых элементов конструкции планера ЛА. Методика доведена до стадии алгоритмической реализации на ЭВМ и, в серии вычислительных элементов, получены практические рекомендации по выбору технологического процесса восстановления силовых элементов конструкции планера [106].
В основе построения систем автоматизированного проектирования технологических процессов ремонта AT лежит разработанная д.т.н. Фроловым В.П. и д.т.н. Макиным Ю.Н. математическая модель процесса проектирования технологии ремонта [66, 67]. Поступившее с завода-изготовителя изделие (AT) считается качествееным, если качественны все входящие в него элементы - агрегаты, сборочные единицы, детали и они качественно соединены между собой. Все входящие в изделие элементы характеризуются единичными показателями качества, куда входят и эксплуатационные характеристики: Объединение конечного множества единичных показателей качества может рассматриваться как модель элемента авиационной техники в терминах алгебры множеств. Мощностью этого множества будет количество единичных показателей качества, заданных в документации на изготовление: Здесь А - множество, то есть объединение и п -то количества единичных (желательно - квалиметрических) показателей качества (совокупности свойств продукции, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенным потребностям в соответствии с назначением) ai, каждый из которых а{ є А я образует при пересечении с любым показателем качества с индивидной переменной / j пустое множество: При таком методическом подходе не возникает необходимость моделировать индивидуальные свойства изделий отлично от выражения (1.1), поскольку их надежность при изготовлении, эксплуатации и ремонте определяется, как правило, надежностью деталей и качеством сборки, а неразъемные сборочные единицы или узлы, которые целесообразно ремонтировать не разбираяэ в конкретном технологическом процессе на абстрактно-аналитическом уровне, ничем не отличаются от детали. В процессе эксплуатации на щ воздействуют различные эксплуатационные факторы bj, которые изменяют единичные показатели качества на величину 5а{. Само комплексное (интегральное) воздействие на элемент (ЛА) эксплуатационных факторов будет являться их объединением: Изменение 8щ является функцией эксплуатационных факторов и времени их действия на элемент авиатехники:
Определение деформаций и напряжений в заклепочных и болтовых соединениях самолетных конструкций
В настоящее время имеется значитльное число методов неразрушающего контроля изделий машиностроения, основанных на использовании различных физико-химических процессов. В целях дефектации и диагностики авиационных деталей широко применяются органолептические, капиллярные, ультразвуковые, магнитно-порошковые и электромагнитные методы [4, 35, 53, 61, 69, 85, 101, 104]. Методы контроля, основанные на явлениях радиации [69], эффекта памяти формы, акустической эмиссии [4, 108] и других еще только завоевывают свое место среди традиционно используемых.
Анализ перечисленных методов в целях определения технического состояния заклепочных и болтовых соединений с учетом особенностей конструкции, конструкционных материалов, трудоемкости, возможности прямых измерений и получения числовых квалиметрических показателей качества доказал целесообразность выбора ультразвукового метода контроля. Этому способствовало и то обстоятельство, что акустические параметры материалов (скорость распространения звуковых волн, затухание и дисперсия, акустический импеданс) связаны с механическими свойствами материалов, что позволяет по акустическим характеристикам материала судить о его механических свойствах [23].
Акустический метод неразрушающего контроля подразделяется на ряд подметодов: импедансный, теневой, эхо и резонансный. Другие подметоды в авиационной диагностике практически не применяются.
Принципиальные особенности методов ультразвукового контроля достаточно широко исследованы, например, представленные в работах [1, 39, 73, 122, 124, 125, 134]. Существует ряд методов, в которых используют принцип как прохождения, так и отражения звука. При использовании эхо-теневого метода, когда анализируются как прошедшие, так и отраженные сигналы, и эхо-сквозного метода, когда регистрируется прошедшее излучение (сквозной и двукратно отраженный сигналы, а также эхо-сквозные сигналы, соответствующие отражениям от небольшого по размерам или полупрозрачного дефекта волн, идущих от верхней или нижней поверхностей изделия), главным признаком дефекта служит появление сигналов, отраженных от дефектов после зеркального отражения волн от верхней и нижней поверхностей изделия.
Преимуществом последних методов является возможность выявления слабо отражающих звук дефектов. Методы прохождения и отражения звука отличаются- также по регистрируемому параметру: по амплитуде сигнала (теневой и дельта-методы), по амплитуде и фазе волны (акустическая голография в теневом и эхо-методах, некоторые варианты велосимметрического метода), по амплитуде и времени прохождения импульса (остальные методы). Акустические методы делят на две группы: основанные на излучении и приеме акустических волн (активные методы) и основанные только на приеме акустических волн (пассивные методы). В каждой из групп можно выделить методы, основанные на возникновении в объекте контроля бегущих и стоячих волн или свободных колебаний. Активные акустические методы, в которых используются бегущие волны, делят на подгруппы: методы, основанные на прохождении и отражении волн, и комбинированные методы, основанные как на отражении, так и на прохождении волн. Применяют как непрерывное, так и импульсное излучения. Акустический метод прохождения - метод акустического неразрушающего контроля (НК), основанный на излучении и приеме волн, однократно прошедших через объект контроля в любом направлении, и анализе их параметров. Методы прохождения обычно предполагают наличие двух пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) - излучающего и приемного, расположенных по разные стороны от объекта контроля. Применяют как непрерывное, так и импульсное излучения. К методам прохождения относятся теневой, временной теневой и велосимметрический. Теневой метод основан на анализе уменьшения амплитуды прошедшей волны под влиянием дефекта. Чувствительность теневого метода существенно (в 10-20 раз) ниже чувствительности эхо-метода. Поэтому теневой метод целесообразно использовать для контроля изделий небольшой толщины (S = 20-30 мм). Преимущества теневого метода: отсутствие мертвой зоны, высокая помехоустойчивость, малая зависимость амплитуды сигнала от ориентации дефекта, делающая его незаменимым при контроле листового проката. К недостаткам теневого метода следует отнести сложность ориентации ПЭП, обязательный двусторонний доступ к объекту контроля, невозможность точно определить координаты дефекта, низкая чувствительность. Временной теневой метод основан на анализе увеличения времени прохождения упругих колебаний (запаздывания прошедшего импульса), вызванного сгибанием дефекта. Основное достоинство метода - возможность определения наличия дефектов в материалах с большим рассеиванием ультразвуковых волн. Например, в бетоне, горных породах. Велосимметрический (фазовый) метод основан на анализе изменения скорости распространения изгибных волн при наличии дефектов. Например, если в тонком изделии распространяется изгибная волна, то появление расслоения вызывает уменьшение ее фазовой скорости, которое измеряется по сдвигу фазы прошедшей волны. Контроль ведется на частотах = 20-70 кГц. Четко регистрируются дефекты площадью S = 2-15 см2. Предельная глубина залегания дефекта не более 25 мм. Метод применяется для контроля многослойных конструкций (качества соединений неметаллических покрытий, слоистых пластиков, неметаллических и металлических слоев). Акустический метод отражения - метод акустического НК, основанный на отражении акустических колебаний от границ раздела поверхностей двух сред, базируется на изучении параметров отраженных импульсов. К этой группе относят следующие методы НК: эхо-метод, эхо-зеркальный метод, дельта-метод, реверберационный метод. Как правило, при использовании методов отражения работают с импульсными сигналами.
Анализ характеристик методов неразрушающего контроля и параметров ультразвуковых дефектоскопов с целью рационального выбора для контроля качества заклепочных и болтовых соединений
Совокупность параметров ультразвукового контроля, которые определяют достоверность результатов, называют основными параметрами контроля [46, 73, 122]. Изменение этих параметров приводит к ошибкам в оценке качества контролируемого изделия, поэтому они задаются нормативными документами. Условно выделяют параметры аппаратуры и зависящие от них параметры метода УЗ контроля (табл. 3.1). Длина волны X обусловлена скоростью с распространения УЗ-волн в материале и задаваемой пьезоэлементом частотой УЗ-колебаний :Я = с//. Угол ввода а зависит от утла призмы /? и акустических свойств материалов призмы и изделия. Угол а определяют по стандартному образцу (СО №2), для чего перемещают УЗ-преобразователь по поверхности образца и находят максимум эхо-сигнала, отраженного отверстием диаметром 6 мм. Значение угла а находят по риске накладной шкалы СО №2, соответствующей точке выхода УЗ-пучка на преобразователе [1, 73, 125]. Пользуясь той же методикой, проверяют по СО №1 угол призмы преобразователя. Направленность преобразователя характеризуется углом расхождения в, который зависит от соотношения длины волны к и диаметра излучателя 2а. Направленность преобразователя представляют в виде графика в полярных координатах, называемого диаграммой направленности. Направленность преобразователя определяют с помощью СО №2. Преобразователь перемещают по поверхности СО №2 и для каждого фиксированного положения «считывают» значение амплитуды эхо-сигнала от цилиндрического бокового отверстия и соответствующее ему значение угла ввода по наклонной шкале СО №2. Полученная зависимость будет являться диаграммой направленности преобразователя в эхо-режиме [1, 73].
Мертвую зону hmin при контроле наклонным преобразователем определяют как минимальное расстояние от поверхности ввода до несплошности, надежно выявляемой при контроле. Длина мертвой зоны зависит от длительности зондирующего импульса, параметров электроакустического тракта и от конструкции преобразователя. Мертвую зону hmin можно рассчитать, зная длительность зондирующего импульса хи и время реверберационных шумов тр преобразователя: Km = 0,5ctcosa(Tu + тр), где ct - скорость поперечной волны. Разрешающая способность эхо-метода определяется минимальным расстоянием между двумя одинаковыми несплошностями, при котором они фиксируются раздельно. Существует лучевая и фронтальная разрешающая способность. Лучевая разрешающая способность зависит от длительности акустических импульсов, распространяющихся в объекте контроля. Ее можно оценить по СО №1, который имеет концентрические цилиндрические отверстия для наклонных преобразователей и фрезерованные пазы разной глубины для оценки разрешающей способности нормальных преобразователей [1, 125].
Фронтальная разрешающая способность тем выше, чем уже диаграмма направленности излучателя. Для ее оценки достаточно иметь два подобных отражателя в любом материале с известной скоростью распространения УЗ-волн. Разрешающая способность метода А1 и At (для продольных и поперечных волн) и аппаратуры Тр связаны следующими соотношениями: А1 = 0,5аТр; At = 0,5ctTp. Точность измерения координат Я характеризуется случайной и систематической погрешностями. Случайная погрешность зависит главным образом от оператора. Обычно это неточность установки преобразователя в положение наибольшего эхо-сигнала, который может достигать 4-5% от значений координат. Систематическая погрешность алгебраически складывается из погрешностей, связанных с отклонением истинных значений угла ввода а, скорости УЗ-волн и их пути в призме преобразователя от расчетных характеристик [1, 122]. Важным параметром, определяющим достоверность и воспроизводимость результатов контроля, является чувствительность контроля..
Предельная чувствительность Sn характеризуется минимальной площадью отверстия с плоским дном, ориентированным перпендикулярно к акустической оси преобразователя, которое еще обнаруживается на заданной глубине в изделии при данной настройке дефектоскопа. Предельную чувствительность измеряют в соответствии с ГОСТ 14782:76. Если предельную чувствительность оценивать по глубине сверления по СО №1 или в дБ по СО №2, то ее можно назвать условной чувствительностью. В процессе УЗ-контроля используют несколько уровней чувствительности [1,122]. Поисковый - самый высокий, обычно на 6 дБ выше браковочного. Браковочному уровню, при котором после поиска оценивают недопустимость дефектов по амплитуде их сигналов, соответствует по величине предельная чувствительность метода. На контрольном уровне, промежуточном между браковочным и поисковым, ведут окончательную оценку дефектов по их условным размерам: длине, ширине, высоте. Предельный уровень используют как основной при настройке дефектоскопа перед контролем. Реальная чувствительность определяется минимальными размерами дефектов, уверенно выявляемых в материале при выбранном режиме контроля (настройке дефектоскопа).
Экспериментальная оценка величины натяга заклепочных соединений
Известно, что отверстия под заклепки и болты являются концентраторами напряжении, которые существенно влияют на ресурсные характеристики заклепочных и болтовых соединений. Совершенствование технологии создания заклепочных соединений направлено, в первую очередь, "на повышение их выносливости путем реализации больших радиальных (диаметральных) натягов. Эффект от введения натяга достигается при наличии высококачественного оборудования, совершенной технологии сборки и освоенности методов и средств контроля качества соединений [105]. В серийном производстве величина натяга оценивается косвенно разрушающим способом по величине раздачи отверстия в технологическом образце после клепки [121], контроль натяга осуществляется в сечении, определяющем сопротивление усталости соединения (сечение 2-2, рис.4.1..(а)).
В данной диссертационной работе для оценки величины натяга в заклепочных соединениях предложен неразрушающий эхо-метод, основанный на установленной связи между амплитудой эхо-сигнала и величиной натяга.
Схемы ввода ультразвуковых волн, приема и замера амплитуд эхо-сигналов и направления озвучивания заклепочных соединений представлены на рис.4.2 и С помощью наклонного совмещенного преобразователя в охватывающей детали возбуждают поперечные волны и принимают сигналы, отраженные от двугранного угла, образованного поверхностями отверстия и пластины. Большему значению натяга соответствует меньшая величина амплитуды отраженного сигнала. Полученное в работе [88] поле допуска натяга для заклепочных соединений крыла пассажирского самолета дается в диапазоне от 2,2% до 3,4%. Радиальный натяг как основной параметр, определяющий сопротивление усталости заклепочного соединения, устанавливается соотношением: Do - диаметр отверстия до клепки. Эффективность применения высоких радиальных натягов в значительной мере снижается из-за отсутствия методов их неразрушающего контроля. Исследования по ультразвуковому контролю натяга в заклепочных соединениях основывались на высокой чувствительности ультразвука к напряженно-деформированному состоянию границы сопряжения деталей [105, 121]. Выбор схемы контроля осуществляется из условия получения ультразвукового отклика из схемы контроля сечения, определяющего сопротивление усталости соединения, контролируемого jta производстве (сечение 2-2, рис.4.11 (а)).
Для экспериментальной проверки предложенного ультразвукового метода неразрушающего контроля (эхо-метода) автор применяет разрушающий метод. Суть метода состоит в разрезке соединений и последующем измерении диаметра заклепок и отверстий в сечении, соответствующем зоне ультразвукового контроля. Измерения диаметра заклепок производили на специальном измерительном приспособлении. По результатам измерений диаметров отверстия и заклепки рассчитаны (по формуле 4.1) значения натягов. Установление связи между амплитудой эхо-сигнала и величиной радиального натяга осуществляли путем сравнения результатов ультразвуковых измерений и измерения раздачи отверстия после клепки. При этом сделано допущение об их идентичности. Для правомерности сравнения результатов контроля ультразвуковым и разрушающим методами и измерения диаметров отверстия и заклепки, и ультразвукового измерения проводили в одинаковых сечениях соединения (рис .4.12). Экспериментальные исследования проводили на образцах, моделирующих соединение обшивок (двух пластин) крыла самолета из материала 1163Т, толщина пакета 12 мм (рис. 4.13). Клепка образцов производилась на стенде ТАНК им.Г.М.Бериева, реализующем процесс клепки стержневыми заклепками из материала В-65, при различных значениях радиальных натягов (1,1%; 1,25%; 1,5%; 1,75%).
Излучение-прием ультразвуковых волн (УЗ) и измерение амплитуд эхо-сигналов осуществляли с помощью осциллографа С1-83 (усилитель-формирователь) и призматического преобразователя (угол ввода УЗ-колебаний а - 45, частота УЗ-колебаний / = 5 МГц). Схема установки представлена на фото 4.1. Ввод ультразвуковых волн в заклепочных соединениях осуществляется по восьми направлениям. Для каждого материала (образца) заклепочного соединения получено по восемь значений амплитуды эхо-сигнала. В соответствии с направлениями измерения проведены усреднения амплитуд эхо-сигналов. Полученные данные послужили основой для формирования корреляционного поля амплитуда эхо-сигналов - натяг. В результате обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов получено уравнение регрессии экспериментального вида:
