Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ вибропрочностной отработки конструкций летательных аппаратов 32
1.1 Вибрационные нагрузки на конструкцию ЖРД 32
1.2 Дефекты подвесных элементов двигательных установок при эксплуатационных нагрузках 39
1.2.1 Дефекты элементов двигательных установок на огневых стендовых испытаниях 39
1.2.2 Дефекты элементов двигательных установок на летно-конструкторских испытаниях 42
1.3 Лабораторные вибрационные испытания ЖРД 47
1.4 Отработка вибропрочности элементов авиационных двигателей 49
1.4.1 Методы воспроизведения эксплуатационного нагружения 54
1.5 Лабораторные усталостные испытания элементов планера самолета .56
1.5.1 Эксплуатационные нагрузки на конструкцию самолета 57
1.5.2 Усталостные испытания элементов планера 58
1.6 Методы и средства испытаний на вибрацию 62
1.6Л Усталостные испытания 63
1.6.2 Вибрационные испытания 74
1.6.3 Эквивалентные и ускоренные испытания 78
1.7 Диагностика вибронапряженного состояния и усталостного разрушения 86
1.8 Термоактивационныи анализ процессов усталостного разрушения 88
1.9 Постановка задачи исследования 91
1.10 Выводы 95
2 Теоретическое исследование влияния ширины спектра на вибронагруженность и вибронапряженность объекта 98
2.1 Режимы ЛВИ с максимальной дисперсией виброскорсти 100
2.2 Режимы ЛВИ с экстремальным значением параметров вибрации 102
2.3 Задачи эксперимента 105
2.4 Выводы 106
3 Новые образцы измерительной и испытательной техники. методика испытаний 107
3.1 Емкостные датчики изгибных деформаций 108
3.2 Самовозбудитель автоколебательного режима. Экспериментальная установка 116
3.3 Методика экспериментального исследования 123
3.4 Выводы 132
4 Экспериментальное исследование влияния ширины и формы спектра вибровоздействия на вибронагруженность, вибронапряженность и долговечность 134
4.1 Исследование долговечности при расширении спектра вибровоздейтсвия в области первой собственной частоты образца 139
4.2 Исследование долговечности при расширении спектра вибровоздействия с одной на три первые собственные частоты образца 140
4.3 Исследование долговечности при расширении спектров вибровоздействия с трех первых собственных частот образца на область около трех первых собственных частот образца 143
4.4 Исследование долговечности при расширении сплошного спектра вибровоздействия 146
4.5 Влияние ширины и формы спектра вибр о воздействия на вибронагруженность объекта испытаний 152
4.6 Зависимость долговечности образцов от потребления вибратором мощности и энергии на режимах с различной шириной спектра 159
4.7 Достоверность результатов усталостных испытаний 162
4.8 Об эквивалентности испытательных режимов с различным спектром 166
4.8.1 Об эквивалентности детерминированных и случайных режимов при вибрационных испытаниях 167
4.8.2 Об эквивалентности детерминированных и случайных режимов при усталостных испытаниях 169
4.9 Выводы 174
5 Тяжелейший режим по долговечности широкополосного случайного вибронагружения 177
5.1 Моделирование случайного вибронагружения со сплошным широкополосным спектром 179
5.2 Обоснование существования тяжелейшего по долговечности
режима широкополосной случайной вибрации 187
5.3 Реализация тяжелейшего по долговечности режима нагружения 197
5.3.1 Определение тяжелейшего режима широкополосного случайного вибронагружения моделированием на ЭВМ 199
5.3.2 Экспериментальное определение тяжелейшего режима по долговечности широкополосного случайного вибронагружения „203
5.4 Способы испытаний на широкополосную случайную вибрацию и
их имитация 213
5.4.1 Вибрационные испытания на эффективной ширине спектра 214
5.4.2 Усталостные испытания на эффективной ширине спектра 215
5.4.3 Имитация испытаний на широкополосную случайную вибрацию гармоническим нагружением 216
5.5 Выводы 218
6 Диагностика и прогнозирование усталостного разрушения 220
6.1 Нагружение образца с постоянной вибро скор остью 220
6.2 Нагружение образца с постоянной деформацией 224
6.3 Деформационный метод диагностики остаточной долговечности 227
6.4 Статистический анализ усталостного разрушения 233
6.4.1 Выбор класса функций для аналитического описания кривых усталости 233
6.4.2 Статистический анализ результатов аналитического описания кривых усталости 237
6.4.3 Аппроксимация экспериментальных кривых усталости
методом нормирования 242
6.5 Термоактивационный анализ усталостного разрушения 245
6.6 Кинетический анализ усталостной повреждаемости 252
6.6.1 Метод расчета кинетических диаграмм усталостного разрушения 253
6.6.2 Сравнение расчетных и экспериментальных кинетических диаграмм усталостного разрушения 260
6.7 Определение функции усталостной повреждаемости материала 264
6.8 Выводы 271
Выводы 274
Литература
- Дефекты элементов двигательных установок на огневых стендовых испытаниях
- Режимы ЛВИ с экстремальным значением параметров вибрации
- Самовозбудитель автоколебательного режима. Экспериментальная установка
- Исследование долговечности при расширении спектра вибровоздействия с одной на три первые собственные частоты образца
Введение к работе
Развитие техники в последние десятилетия характеризуется резким увеличением мощности и скорости движения технологических, энергетических, транспортных машин и военной техники. Это сопровождается повышением вибрационной нагруженности конструкций из-за возникновения турбулентных течений, флуктуации давления давления в камерах сгорания двигателей и сил взаимодействия с контактирующей внешней средой. Указанные факторы порождают детерминированные и случайные пульсационные и вибрационные процессы, воздействующие на детали машин и механизмов, элементы автоматики, панели приборов.
Представленные причины возникновения вибраций более или менее предсказуемы и могут быть исследованы. Однако кроме стационарных режимов работы машин имеют место и нестационарные режимы: маневр самолета и соответствующая ему «перекладка» режимов двигателя, когда резко изменяются аэродинамика корпуса, скорости протекания топлива по трубопроводам, числа оборотов или давления в камере сгорания двигателя и т.д. Именно в периоды нестационарной работы изделия возникают непредсказуемые мощные колебательные, в том числе и автоколебательные процессы, приводящие к разрушению элементов конструкций (п.п. 1.1 и 1.2). Общеизвестным явлением такого рода является флаттер.
Тенденция роста размеров конструкций (самолет ТУ-144, ракета Н-1, большегрузные автомобили, турбины с мощностью несколько миллионов киловатт, авианосцы, атомные ледоколы, современные подводные лодки и т.д.) при сохранении прежних основ проектирования, прочностных расчетов и испытаний усиливает проблемы материаловедения и прочности. Возрастают нагрузки на конструкцию: статические, инерционные, в том числе и вибрационные. К этим нагрузкам наиболее чувствительны определенные участки конструкций, в основном в местах концентрации напряжений. И одним увеличением толщины конструкции добиться снижения напряжений нельзя, возникает проблема перегрузки опасных зон, что чревато более быстрым разрушением конструкции.
Более половины эксплуатационных отказов в технике обусловлены вибрацией, из-за которой происходят усталостные разрушения деталей машин, трубопроводов, мостов [1]. По вине вибрации происходят поломки и сбои электронной техники [2], транспортируемых грузов.
Еще 15-20 лет назад основная часть доводки, в том числе и вибропрочности двигателей летательных аппаратов (ЛА), наиболее нагруженных узлов техники, проходила в ходе натурных испытаний. Для проведения ресурсных испытаний современного авиационного двигателя в течение принятой нормы в 5000 часов необходимо порядка 60 цистерн топлива, и раньше ресурсные испытания практически не ограничивались. Стоимость такой продукции оказывалась чрезвычайно высокой. Курс на резкое сокращение количества натурных испытаний, повышение роли расчетных работ и лабораторных испытаний, в том числе лабораторных вибрационных испытаний элементов конструкций, является эффективным.
В настоящее время в системе стандартизации и сертификации внедряются международные стандарты ИСО как по обеспечению качества (серия 9000), так и по различным видам испытаний. Качество изделий, важнейшими показателями которого являются надёжность, долговечность, ресурс, напрямую зависит от уровня вибрационных испытаний, ставших по существу частью технологического процесса.
Изучению воздействия вибрации на конструкции инженеры и ученые стали уделять внимание со времени появления вибраций, т.е. со времени создания машин, инициирующих эти вибрации. Хотя вибрации не всегда имеют искусственный характер: мосты могут вибрировать под действием ветра, корабли - из-за волновой качки. Чаще в таких случаях говорят о колебаниях объектов, но один из классических трудов этого направления - курс лекций, читанных А.Н. Крыловым в Петербургском политехническом институте ещё в 1907г., и изданная позже книга назывался «Вибрация судов» [3]. А один из трудов СП. Тимошенко имеет название «Прочность и колебания элементов конструкций»
Условимся не разграничивать область применения терминов «колебания» и «вибрации» и использовать их, как подсказывает ситуация. Если при дальнейших исследованиях, которые сейчас интенсивно ведутся, окажется, что процессы накопления повреждений при низкочастотном (колебательном) и высокочастотном (вибрационном) нагружениях значительно отличаются, очевидно, возникнет потребность в чётком разграничении этих понятии.
При испытаниях на вибрацию стоят две основные проблемы:
Получение достоверных усталостных характеристик материала при нагрузках, близких к эксплуатационным, исследование вибронагру-женности конструкции и прогнозирование на их основе долговечности объекта испытаний в условиях эксплуатации. Особенно важно качественное проведение испытаний при выборе материала для конструкции.
Оценка надёжности и вибропрочности объекта испытаний за заданное время при заданных нагрузках. При этом по завершении испытаний нет достоверных сведений об оставшемся ресурсе объекта, а доводить конструкцию до разрушения, многие из которых уникальны, чрезвычайно дорого.
При отработке вибропрочности сложных многомассовых конструкций доминирующее положение занимают экспериментальные методы. «Изучение колебаний, как и вообще всех задач механики, должно основываться на эксперименте,... использование всякой теории неизбежно связано с некоторыми специфическими трудностями. Проблема состоит не просто в точности вычислений... Мы никогда не можем быть уверены в том, что не пренебрегли чем-то весьма существенным» [5].
Именно поэтому в диссертации делается акцент на экспериментальные исследования долговечности и главным образом при широкополосной случайной вибрации, которая является наиболее распространенным и наименее изученным эксплутационным нагружением. Расчет динамики и параметров нагру-жения объекта проведен для подтверждения достоверности экспериментальных результатов. Кинетическая теория прочности использована для расчета кривых усталости с применением новых параметров на базе полученной в эксперименте информации. Кинетические диаграммы усталостного разрушения и функции усталостной повреждаемости построены по результатам эксперимента, они расширяют возможности анализа процесса накопления повреждений.
Теоретический анализ усталостной прочности сопряжен с большими трудностями, поскольку он требует учета особенностей кристаллической и дефектной структуры материалов, статистического характера зарождения и развития усталостных трещин, локальности и неоднородности развития пластических деформаций. Так обстоит дело с изучением закономерностей усталости для гармонического нагружения. Однако развитие современной техники уже требует анализа усталостного разрушения при пол и гармонических и случайных режимах нагружения.
По указанным причинам расчётные методы определения долговечности при действии вибрации как на образец материала, так и на конструкцию в целом не обладают пока достаточной достоверностью [6, 7] и поэтому не ставилась задача использовать их в диссертации для сравнения с экспериментальными результатами. В первом случае это связано с тем, что не исследован до конца процесс накопления усталостных повреждений. В расчётах применяется лишь одна характеристика материала - предел выносливости а.\. Сейчас уже известно, что процесс усталости как минимум двухстадиен [8, 9]. Известно, что на скорость накопления повреждений влияют и уровень нагрузки, и тип спектра нагружения [10]. С большой степенью вероятности ожидается появление до- полнительных констант материала, и эффективность расчетов долговечности должна значительно повыситься.
При исследовании усталости конструкций решающей является неопределённость критериев перехода от расчёта и испытаний образца материала к расчёту сложной конструкции. Эту неопределённость нельзя исключить без досконального исследования свойств материала на образцах. Мы еще недостаточно знаем о свойствах материала, чтобы по ним судить о долговечности конструкции, в которой, к тому же, неизбежно наличие концентраторов напряжений.
В работе [11] В.И. Феодосьева, одного из крупнейших учёных в области прочности, по кафедре которого в МГТУ им. Н.Э. Баумана обучался автор, и многие годы на ней проработал, сказано: «Природа усталостного разрушения достаточно сложна. Она обусловлена особенностями молекулярного и кристаллического строения вещества... Образование усталостных трещин, и их дальнейшее развитие происходит в объёмах тела, соизмеримых с размерами кристаллических зёрен, а характер разрушения тесно связан со структурой материала. Поэтому схема сплошной среды, с успехом используемая при решении всех задач механики деформируемого тела, в данном случае может иметь лишь ограниченное применение». Развивающаяся с относительно недавнего времени кинетическая теория прочности, основоположником которой является академик С.Н. Журков [12, 13], как раз рассматривает состояние материала при нагруже-нии, в том числе знакопеременном, с позиций межмолекулярных и межатомных связей с четко выраженной временной зависимостью. В основе теории лежит кинетическая концепция, в которой разрушение (даже статическое) есть результат временного процесса, начинающегося с момента нагружения конструкции. К сожалению, большинство экспериментов, проведенных в подтверждение этой теории, выполнены на неметаллических материалах (дерево, полимеры и др.). Поэтому исследование возможностей использования кинетической (термофлук-туационной) теории прочности для расчетов кривых усталости металлов при детерминированных и случайных режимах нагружения, проведенное в диссертации, представляется очень своевременной.
Для некоторых высоконагруженных деталей двигателей летательных аппаратов из-за невозможности произвести достоверный расчёт долговечности запас прочности берётся более 20. Если учесть, что вследствие жёстких ограничений конструкций ЛА по весу их запас прочности не может быть большим, то очевидно противоречие между требованиями к надёжности конструкций и их весовыми характеристиками. По указанным причинам во многих, а в ответственных случаях обязательно, проводятся лабораторные вибрационные испытания (ЛВИ).
В технике используются два вида испытаний с использованием знакопеременного нагружения - усталостные и вибрационные испытания. Усталостным испытаниям (до разрушения) с целью получения кривой усталости подвергают в основном образцы материалов, типовые элементы конструкций (небольшие трубопроводы, лопатки турбин, кронштейны и т.п.), при необходимости - узлы машин (с контролем отдельных элементов). Единичные испытания до разрушения с крупными конструкциями (самолётами) проводят, как испытания на живучесть. Усталостные испытания очень трудоемки, длительны и требуют высокой квалификации персонала. Для многих изделий проводят экспериментальные исследования вибропрочности, как важнейшей части испытаний и контроля качества продукции, а также для снижения материалоёмкости конструкции. Усталостную характеристику материалов (a_i) получают по ГОСТу [14] на стандартных образцах при растяжении-сжатии на гармонических нагрузках с частотой до нескольких герц. Хотя уже давно известно, что полигармонические и случайные процессы с высокочастотными составляющими разрушают объекты быстрее гармонического (при равных напряжениях) и, следовательно, усталостная характеристика материала для них должна быть другая [10, 15]. Более того, придется делать выбор: для какого случайного процесса определять a.i, ведь этих процессов множество. Выбор стандартного испытательного режима - одна из основных задач диссертации.
Мало исследован характер изменения параметров и свойств материалов в процессе длительного усталостного нагружения. На практике при испытаниях турбинных лопаток на изгиб (которому подвержено большинство машиностроительных конструкций) деформации измеряются тензор езистором только в начальный период нагружения, а дальше контролируются другие параметры -перемещения, сила, виброускорение. По этим начальным значениям деформации строится кривая усталости, достоверность которой оставляет желать большего, т.к. известно, что процесс накопления повреждений нелинеен [8, 9].
На недостатки тензорезисторов, неустраняемым из которых является накопление повреждений вместе с исследуемым объектом и изменение метрологических характеристик, давно указывали такие крупные учёные, как В.В. Болотин и В.Т. Трощенко. Невысокая надёжность тензорезисторов, которые иногда могут разрушиться раньше исследуемого объекта или отклеиться, не позволяла ни у нас, ни за рубежом создать испытательные установки на изгиб с контролем режима по деформации, что чрезвычайно важно для повышения достоверности усталостных испытаний. Поэтому остро стоит задача создания бесконтактных датчиков, но не перемещений, которых много, а именно деформаций.
Вибрационные испытания [16, 17] проводятся с приборами, бытовой и оргтехникой как испытания на виброустойчивость, с конструкциями (ракетными двигателями, автомобилями), как испытания на вибропрочность, для определения безотказности за заданное время. Причем функционирование объекта может проверяться и во время действия вибрации (приборов), и после. В первую очередь это относится к конструкции жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Контрольно-выборочные испытания изделия (КВИ) предусматривают многочасовую тряску на вибростенде, после чего проводятся огневые испыта- ния. Виброиспытания проводятся в диапазоне реальных нагрузок, до 2-х, а в редких случаях до 5 кГц.
В настоящее время для лабораторных испытаний используют следующие виды нагружения: гармоническое воздействие (в том числе со сканированием); полигармоническое воздействие; случайное узкополосное воздействие (в том числе со сканированием); случайное широкополосное воздействие; воспроизведение эксплуатационного спектра.
Эти виды нагружения имеют свои особенности, которые проанализированы в разделе 1. Наиболее эффективны и получили широкое распространение в мировой практике испытания на широкополосную случайную вибрацию (ШСВ).
Международная электротехническая комиссия (МЭК) предъявляет к испытаниям два основных требования: достоверности результатов и их воспроизводимости в различных лабораториях и различным персоналом, которая особенно важна при проведении приемо-сдаточных испытаний. «Достижение воспроизводимости в процессе испытаний ... является сложной задачей» [17].
Воспроизводимость результатов характеризуется 3-мя степенями (низкой, средней и высокой), как следствие больших расхождений требований к различным величинам допусков измерительного и испытательного оборудования, а также значительных отличий в достоверности результатов испытаний. При этом допуски можно контролировать путём поверок приборов и оборудования. Достоверность же результатов, определяемую, как указано в «Рекомендациях МЭК. Публикации 68-2-34...37», качеством методик испытаний, контролировать достаточно сложно (но необходимо!). При совершенствовании датчиков (а не создании новых) точность измерений возрастает на проценты и их доли; искажения, вносимые системой воспроизведения вибраций, составляют, как минимум,
10-20%; использование неверной методики может повлечь ошибки в долговечности в сотни процентов.
Чтобы результаты испытаний имели высокую степень достоверности и практическую ценность, необходимо их проведение при нагрузках, близких к эксплуатационным. Анализ эксплуатационных вибраций большинства типов приборов и машин показывает, что главными признаками этих процессов являются случайность, широкополосность и нестабильность во времени. Американские исследователи пытались определить точный спектр реальных вибраций в месте установки ряда ответственных приборов ракеты «Поларис» для последующей наземной отработки их вибронадежности. На восьми пусках ракеты в одно и то же место ставился однотипный датчик ускорений и его сигнал по телеметрии передавался на землю; было получено 8 различных спектров [18]. Аналогичная ситуация с нагрузками при движении транспортных средств по неровной дороге [19], при плавании судов [20] и т.д.
Требование МЭК по воспроизводимости результатов, по сути, является требованием стандартизации испытательных режимов. Для испытаний на ШСВ научно-техническая документация составляется на базе опытных данных и каждая новая редакция НТД лишь обобщает новый опыт. В настоящее время за рубежом разработан целый ряд стандартов для испытаний на ШСВ (разд. 1), в которых предложено использовать достаточно простую, прямоугольную форму спектра, удобную для воспроизводимости режима. Но номенклатура объектов испытаний очень широка и все они имеют свои динамические характеристики. Общими рекомендациями, которые изложены в этих стандартах, проблему воспроизводимости результатов испытаний решить окончательно не удалось. Нагрузки при испытаниях в различных лабораториях формируются, исходя из возможностей испытательной техники, опыта персонала, методик обработки эксплутационных нагрузок, которые везде различны.
Именно поэтому Европейский Союз (ЕС), который заинтересован в высоком качестве продукции и, следовательно, гармонизации, стандартизации мето- дов испытаний, в рамках своей Пятой Рабочей Программы поручил итальянской фирме «ISMES» провести проверку международных стандартов в области испытаний на вибрацию и удар. Цель проверки — выбор наиболее совершенной методологии испытаний, дающей высшую точность, достоверность и воспроизводимость результатов. Эту информацию фирма «ISMES» направила в начале 2000 года в Российский Технический комитет по вибрации и удару при Госстандарте РФ (ТК108/ПК6). По информации этого комитета недавно принятый в России стандарт МЭК [17] подлежит пересмотру.
По мнению автора, проблема воспроизводимости результатов испытаний может быть решена за счет повышения достоверности результатов, и, в первую очередь, усталостных испытаний.
Отметим, что для зарубежной промышленности требование воспроизводимости результатов испытаний имеет и юридическую основу. При отказе из-за вибрации дорогостоящих объектов, например, спутниковых трансляционных систем, в процессе производства которых обязательны приемо-сдаточные виброиспытания, проводится поиск виновника недоработки, к которому предъявляются финансовые претензии. В этой ситуации необходимо проведение повторных испытаний, и поэтому форма испытательного спектра должна быть достаточно простой и желательно стандартной. При вхождении в мировую экономическую и промышленную систему требование воспроизводимости результатов виброиспытаний встает и перед отечественными производителями. Поэтому работа над этой проблемой, не решенной в мировой практике, представляется одной из самых актуальных в области вибрационных испытаний.
Ещё в 70-х годах анализ автором огневых испытаний жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) в КБ «Энергомаш» (теперь — НПО «Энергомаш» им. акад. В.П. Глушко) показал, что широкопол о сность случайных вибраций приводит к быстрому усталостному разрушению кронштейнов, стоек, трубопроводов и т.п. (п. 1.2). При этом конструкция одновременно возбуждается на не- скольких собственных частотах и происходят так называемые «выбросы случайного процесса» [15].
Было известно, что аварии ЖРД по тем же причинам происходили и на летно-конструкторских испытаниях (п. 1.2.2). Совсем недавно опубликовано [21], что из-за вибрации на 66-й секунде полета оборвался трубопровод окислителя одного из двигателей первой ступени ракеты Н-1. Вибрация стала причиной аварии одного из трех (и всех неудачных) пусков самой мощной отечественной ракеты-носителя пилотируемой экспедиции на Луну.
Исследование проблемы долговечности при ШСВ фактически находится на начальном этапе. Воздействие этого типа нагрузки настолько сложно, что в последнем ГОСТе на виброиспытания [17] сказано лишь о его «кумулятивном эффекте».
Огромные усилия, затрачиваемые ранее на исследовательские испытания при случайных нагрузках образцов материалов, с элементами двигателей и корпусов ЛА, направлены были, в основном, на определение режимов гармонического (в т.ч. блочного) нагружения, эквивалентного случайному. Определялся, как правило, коэффициент эквивалентности для одного конкретного эксплуатационного режима. При изменении ширины спектра эксплуатационного нагружения этот коэффициент оказывался другим. В итоге проблема эквивалентности режимов до настоящего времени не решена.
Длительность эксплуатации большинства видов техники остро ставит проблему ускоренных испытаний, которую невозможно решить только увеличением уровня нагрузки, так как при этом может измениться закон накопления усталостных повреждений. Для реализации ускоренных испытаний крайне необходимо решение задачи по формированию «тяжелейшего вибрационного состояния», поставленной достаточно давно в XIX главе «Организация и планирование виброиспытаний» пятого тома справочника [22]. Здесь сказано: «Если было бы известно, какое состояние является тяжелейшим, то достаточно провести испытания на этом единственном режиме». Пока наиболее достоверным физическим параметром, характеризующим степень опасности вибронагруже-ния, является время до разрушения объекта. Поэтому поиск «тяжелейшего режима» - одна из основных задач диссертации - состоит в нахождении «тяжелейшего режима» именно по долговечности, что в ряде случаев может не оговариваться, но всегда подразумевается. Найденный тяжелейший режим, характеризуемый определенной шириной спектра и примененный к испытаниям стандартных образцов, даст сопоставимые результаты, чего до сих пор не наблюдается.
Определение тяжелейшего режима важно и с точки зрения унификации большого количества видов испытаний, проводимых при отработке изделий новой техники: на вибропрочность, на надежность, на долговечность, на ремонтопригодность, приемо-сдаточные, ускоренные. А для ЖРД и ряда других изделий еще и конструкторско-доводочные, контрольно-выборочные испытания...
В связи с большим объемом испытаний при создании новой техники автоматизация испытательных и контрольно-измерительных операций является одним из ведущих направлений в повышении эффективности производства. За последние годы здесь имеется наибольший прогресс, но направлен он, в основном, на повышение точности обработки результатов и быстродействия всех систем за счет применения более совершенных компьютеров и программ. Однако для получения качественно новых результатов этого недостаточно. Необходимы новые средства измерений, испытаний, формирования режимов нагру-жения.
Известно, что трудоёмкость контрольно-испытательных операций для различных видов техники, которым и посвящена работа, составляет от 15 до 50% и более трудоёмкости основных операций изготовления. Для контроля качества изделий в процессе производства, кроме названных выше, устанавливают еще следующие категории испытаний: квалификационные, периодические, типовые, проверочные. Чтобы результаты испытаний имели высокую степень достоверности, необходимо в процессе нагружения контролировать физический параметр, однозначно определяющий степень опасности режима и состояние объекта нагружения. Такой параметр пока не найден, на ЛВИ контролируют ускорение, на усталостных испытаниях - деформацию (опосредованно, через другие параметры). До настоящего времени степень опасности режима нагружения можно установить лишь по времени разрушения объекта, которое определяется при испытаниях на долговечность. Поэтому в исследованиях этот вид испытаний более предпочтителен, чем любой другой. Параметр «долговечность» используется для установления такого важного показателя, как надежность аппаратуры, в том числе военного назначения (ГОСТ РВ 20.57.304-98). По результатам испытаний оценивают гамма-процентные показатели долговечности и по ним вычисляют срок службы аппаратуры, проводят оценку комплектов запасных частей, принимают решение о соответствии аппаратуры заданным требованиям к надежности.
Достоверность результатов входит в противоречие со стоимостью испытаний. Чем выше чувствительность датчика, тем больше его стоимость (цена датчика виброускорений фирмы «Брюль и Кьер» — около $5000). Для воспроизведения случайных спектров требуется дорогостоящая аппаратура, необходимы большие затраты энергии. Цена современного зарубежного вибростенда далее для небольших объектов (до 100 кГ) - более $100000. Стоимость 16-ти канальной системы управления в нбро испытания ми фирмы LMS (Бельгия) с комплектом датчиков приближается к миллиону долларов. Цена на энергию тоже достаточно велика и продолжает расти. Испытания крупных изделий проводятся иногда по ночам, когда жилые и многие промышленные объекты энергию не потребляют.
Вибрационные и усталостные испытания имеют заметные отличия, проводятся по различным методикам и НТД. Но у этих видов испытаний очень много сходства. Требование повышения достоверности результатов усталостных испытаний в последние годы диктует применение нагрузок, близких к экс- плуатационным, которые давно используются при вибрационных испытаниях. В некоторых известных нормативных документах по виброиспытаниям, например, в «Военном стандарте США MIL-STD-810D. Метод 514.3. Вибрация», уже предложено контролировать долговечность материала и элементов конструкций. Но как это сделать, не показано. В ГОСТе [17] даны указания: «необходимо определить способность образца противостоять... накопленной усталости...». Таким образом, отличия между усталостными и вибрационными испытаниями по сути постепенно стираются. Однако формальные различия в методиках остаются. Информация об эксплуатационных нагрузках берется в основном с датчиков виброускорений, но на усталостных испытаниях этому параметру придается второстепенное значение. На виброиспытаниях хотя и ставят задачу контролировать долговечность объекта, напряжения (деформации) измеряют далеко не всегда. Объединение задач усталостных и вибрационных испытаний существенно повышает информативность результатов, позволяет более надежно контролировать и формировать режим испытаний.
Многие недостатки методик испытаний, составляемых с учетом возможностей экспериментального оборудования, объясняются дефицитом, а теперь и старением импортной испытательной техники, тоже не вполне совершенной, но способной воспроизводить случайные процессы. У нас подобные образцы ранее производились в единичных экземплярах на ведущих оборонных предприятиях (ГосНИИАС, ЦАГИ и др.). В конце 80-х годов по разработке Белорусского госуниверситета информатики и радиоэлектроники (ранее - Минского радиотехнического института) была создана первая отечественная виброустановка АСУВ-010 [23], производившаяся серийно в кооперации предприятий России, Белоруссии и Украины. Теперь эти установки не делают.
В отечественной практике единая методика испытаний при случайном нагружении, скопированная со стандарта МЭК, появилась совсем недавно и еще как следует не апробирована [17]. ГОСТ на испытания при «эксплуатационных режимах нагружения» [24], как и [16], сводит случайные нагрузки к блочному гармоническому нагружению. Отраслевые стандарты, в том числе военные, («Мороз-6», ГОСТ РВ 20.57.305-98 и др.), созданы, в основном, на базе зарубежных стандартов, которые тоже пока не решают многие насущные проблемы испытаний. В ГОСТ РВ 20.57.305-98 предложено назначать для испытаний спектр такой же формы, как и в стандарте МЭК60068-2-64-93, и в [17].
Стандарт необходим не только для промышленности, единая методика испытаний нужна для исследований долговечности при случайном нагружении. При гармоническом воздействии всего один изменяемый параметр - амплитуда нагрузки (частота в рамках рассматриваемого вопроса практически не влияет на долговечность), и то процесс накопления усталостных повреждений до конца не исследован. При случайном нагружении этих параметров несколько: среднее квадратическое значение, дисперсия, ширина спектра и т.д. Выяснить влияние всех параметров на долговечность в одной лаборатории в обозримое время невозможно. Следовательно, нужна единая методика испытаний, дающая воспроизводимые и сравнимые результаты.
Диагностика состояния и разрушения машин многие годы развивалась преимущественно в приложении только к вращающимся деталям и узлам, где достигла значительных успехов [25]. Но проблема прогнозирования долговечности и остаточного ресурса не менее остро стоит и для не вращающихся объектов длительного пользования: корпусов самолетов, судов и космических станций, морских стартовых и нефтегазодобывающих платформ, трубопроводного транспорта, мостов и так далее. Опыт проведения усталостных испытаний на эксплуатационных режимах нагружения и полученные на них результаты являются базой для создания средств неразрушающего контроля усталостного разрушения невращающихся частей машин и сооружений. Однако физический параметр, по которому можно прогнозировать долговечность невращающихся объектов, до сих пор не был выявлен [26], а метод неразрушающего контроля долговечности не создан [27]. В диссертации показано, что физическими пара- метрами для прогнозирования могут быть деформация материала и виброскорость в заданном сечении объекта.
Чрезвычайно важным для безаварийной эксплуатации современной техники и инженерных сооружений является создание систем диагностики и не-разрушающего контроля. Этой проблеме посвящены вышедшие за последние годы два отечественных справочника [27, 28]. Сейчас тем же коллективом (МНПО «Спектр») подготовлен 7-ми томный справочник, более половины томов уже вышли в свет. Характерно, что в этой организации написаны еще два справочника, необходимых для решения проблем неразрушающего контроля: по испытательной технике [29] и приборам для измерения вибрации, шума и удара [30].
К настоящему времени большинство нефтегазовых магистральных трубопроводов эксплуатируются порядка 30 лет - срок, на который они и были спроектированы. Поскольку трубопроводы испытывают значительные динамические нагрузки, остро стоит проблема определения остаточного ресурса их долговечности с целью выявления потенциально опасных участков, т.к. все сразу трубопроводы заменить невозможно. Задействованы все известные методы диагностики и неразрушающего контроля, трубопроводы обследуются зарубежными снарядами внутритрубной диагностики. Аналогичная проблема исчерпания ресурса долговечности стоит в большинстве отраслей промышленности. Однако метод надежного определения проектного и остаточного ресурса по долговечности ни в авиации, ни в других областях пока не создан. В диссертации показано, что на основе измерения в процессе эксплуатации деформации элементов конструкций могут быть созданы диагностические системы неразрушающего контроля остаточного ресурса по долговечности.
Насущной сейчас является и более простая задача — прогнозирование кривых усталости по результатам ограниченного эксперимента, решение которой могло бы снизить объем и трудоемкость усталостных испытаний. «Прогнозирование усталостной долговечности с помощью простых уравнений на сего- дняшний день представляется невозможным» [31]. Однако в диссертации этот вопрос решен положительно.
Решение приведенных здесь задач актуально, поскольку позволяет повысить качество изделий, т.е., долговечность и надёжность машин, сооружений и приборов. Испытания на вибрацию, ориентированные на определение ресурса изделия, позволяют также снизить материалоемкость конструкций. Улучшение перечисленных характеристик изделий даёт значительный экономический эффект. Экономическую выгоду от создания диагностических систем неразру-шающего контроля усталостного разрушения сейчас даже трудно предсказать.
В конце 2002 г. сотрудники Института прикладной математики РАН совместно с коллегами из других академических институтов исследовали возможности выхода России на траекторию устойчивого развития и перехода к инновационной экономике. Оказалось, что на передний план для России выходят надежность, долговечночть, ремонтопригодность новых образцов техники.'
Признанием актуальности решаемых в диссертации задач является включение в 1997-2001 г.г. в ФЦП «Интеграция» проекта «Создание учебно-научного центра «Виброиспытания» (МГТУ им. Н. Э. Баумана - головная организация, СамГТУ, ГосНИИАС, ИМАШ и ИМЕТ РАН); включение Минобороны РФ в го собор онзаказ на 2001-2003 г.г. проекта "Разработка методологии и аппаратурного обеспечения испытаний на вибрацию материалов, изделий машино-и приборостроения. Диагностика усталостного разрушения»; включение в 2003-2004 г.г. в программу сотрудничества Министерства образования РФ и Министерства обороны РФ проекта «Разработка новых критериев долговечности материалов, метода контроля и прогнозирования усталостного разрушения вибр о нагруженных объектов» финансирование в 2002-2004 г.г. Росавиакосмосом по ФЦП «Развитие гражданской авиационной техники России...» проекта «Разработка методики и системы управления виброиспытаниями образцов
Газета «Поиск» №52, 27.12.2002, с. 20. авиационных материалов и элементов конструкций на полигармонических резонансных и широкополосных случайных режимах»; включение в 2004 г. в межотраслевую программу сотрудничества Министерства образования РФ и ОАО «АВТОВАЗ» проекта «Разработка метода усталостных испытаний на тяжелейшем режиме широкополосной случайной вибрации, новых критериев долговечности материалов, метода прогнозирования усталостного разрушения». Эти проекты, руководителем которых является автор, базируются на результатах, изложенных в диссертации.
Научно-техническую базу испытаний и диагностики напряженно-деформированного состояния (НДС) и усталостного разрушения составляют многие направления, такие, как экспериментальная механика [32, 33], динамика конструкций [3, 34, 35], теория колебаний и виброзащиты [4, 36, 37, 38], усталость [8, 39, 40, 41], теория прочности и разрушения [7, 42, 43, 44, 45], в том числе термофлуктуационная теория прочности [12, 13, 45], прогнозирование ресурса [46, 47], надежность [48, 47], техническая диагностика [49] и неразру-шающий контроль [27, 28], испытательные машины и стенды [29, 50, 51], автоматизация испытаний [52, 53], приборы и системы измерений [30], метрология и планирование эксперимента [54, 55, 56], методы анализа процессов и результатов [57, 58].
Многие недостатки испытаний на вибрацию объясняются некоторой разобщённостью составных частей этого направления, недостаточной взаимосвязью организаций, производящих системы измерений, испытаний и разрабатывающих требования отдельно к методикам усталостных и вибр о испытаний. В диссертации представлен комплексный подход к названным задачам, ориентированный на конечный результат испытаний — их достоверность, воспроизводимость, автоматизацию, на снижение стоимости испытаний, т.е., на повышение качества испытаний и, как следствие, на повышение качества испытываемых изделий. Исследованы возможности использования полученных результа- тов для диагностики и прогнозирования усталостного разрушения, углубленного изучения процесса накопления повреждений.
В диссертации рассмотрен следующий круг задач, которые можно скомпоновать в четыре блока.
Создание новых образцов измерительной и испытательной техники, методики испытаний, способных существенно повысить достоверность результатов испытаний.
Теоретическое обоснование необходимости проведения экспериментального исследования влияния ширины спектра на долговечность, теоретическое подтверждение экспериментальных результатов по динамике объекта нагружения, полученное различными методами.
Экспериментальное исследование влияния ширины спектра на вибро-нагруженность, вибронапряженность и долговечность объекта испытаний с целью обоснования существования тяжелейшего режима по долговечности в классе широкополосных спектров, реализации ускоренных испытаний и возможностей стандартизации широкополосных спектров, которая необходима для решения проблемы воспроизводимости результатов испытаний, а также унификации различных видов испытаний.
Выявление критериев деформационной и виброскоростной диагностики усталостного разрушения, позволяющих методами неразру-шающего контроля прогнозировать остаточный ресурс материала по долговечности, проведение статистического анализа экспериментальных результатов и выбор уравнений для описания и прогнозирования кривых усталости; проведение термоактивациоиного анализа усталостного разрушения, построение кинетических диаграмм усталостного разрушения по результатам усталостных испытаний и функции усталостной повреждаемости, также позволяющих оценить степень опас- ности режимов и углубить процесс исследования усталостного разрушения.
По своему содержанию и структуре диссертация соответствует поставленной цели и решаемым задачам.
В первом разделе рассмотрены основные составляющие проблемы испытаний на вибрацию таких высоко нагруженных изделий, как ЖРД, авиадвигатели и корпуса самолётов: анализ внешних (эксплуатационных) нагрузок, реакция элементов изделий на внешние нагрузки, их эксплуатационные повреждения, обзор методов усталостных и вибрационных испытаний, а также краткое представление подходов к усталостным проблемам в термофлуктуационнои теории прочности, т.к. это направление ещё не часто используется для исследований одновременно с традиционными.
Второй раздел посвящен теоретическому анализу влияния на вибронаг-руженность безинерционного объекта широкополосного случайного нагруже-ния с целью обоснования необходимости проведения трудоёмкого и длительного соответствующего эксперимента по долговечности.
В третьем разделе представлена экспериментальная установка с принципиально новыми системами измерений и формирования режимов испытаний: серия емкостных датчиков кривизны и изгибных деформаций, установка для возбуждения автоколебательного режима (САКР), поддерживающая заданный уровень деформации при детерминированном нагружении и следящая за изменением собственных частот объекта, а также методика экспериментального исследования долговечности при моно-, полигармоническом и случайном нагружении, позволяющая сравнивать результаты испытаний на различных режимах, использующая новые измерительные и испытательные устройства, объединяющая задачи усталостных и вибрационных испытаний.
В четвёртом разделе даны результаты экспериментального исследования влияния на вибронагруженность, вибронапряжённость и долговечность образцов материалов ширины спектра вибровоздействия в самых различных вариан- тах сравнения режимов: моночастотного и полигармонического, детерминированных и узкополосных случайных, широкополосных случайных с различной шириной сплошного спектра.
Пятый раздел содержит экспериментальное и теоретическое обоснование существования среди широкополосных случайных режимов тяжелейшего режима по долговечности в функции от ширины спектра вибронагружения, применение полученных результатов на реальном объекте и рекомендации по их использованию, возможности стандартизации режимов испытаний при широкополосных и полигармонических спектрах нагружения.
В шестом разделе представлены результаты экспериментального исследования, положенные в основу методологии деформационной и вибр о скоростной диагностики и прогнозирования усталостного разрушения материалов, а также статистический анализ экспериментальных результатов с целью аналитического описания и прогнозирования кривых усталости, термоактивационный анализ усталостного разрушения, метод построения кинетических диаграмм усталостного разрушения по результатам усталостных испытаний и метод построения функции усталостной повреждаемости материала, использующие введенный принцип эквивалентной повреждаемости, учитывающий изменения структуры материала.
Научная новизна настоящей работы заключается в следующем: а) впервые созданы различные образцы недсформирующихся с объектом нагружения бесконтактных емкостных датчиков кривизны и изгибных дефор маций с практически неограниченным ресурсом, которые могут быть использо ваны в автоматизированных системах управления испытаниями, в системах ди агностики и неразрушающего контроля; в отличие от тензорезистора эти датчи ки сохраняют постоянными метрологические свойства при длительных устало стных испытаниях, а также не отклеиваются и не разрушаются; б) впервые создано устройство для формирования моно- и полигармони ческих режимов на собственных частотах объекта с контролем по деформации, позволяющее существенно повысить достоверность результатов усталостных испытаний и автоматизировать испытания на детерминированных режимах; в) впервые по единой методике, позволяющей оценивать степень опасно сти режимов, проведено сравнительное исследование выносливости образцов материала на десяти режимах: моно- и полигармонических, узко- и широкопо лосных случайных; показано существенное влияние ширины спектра на вибро- нагруженность, вибронапряжённость и долговечность. г) впервые экспериментально обосновано и подтверждено теоретически существование в классе широкополосных случайных режимов тяжелейшего режима вибровоздействия, инвариантного к ширине спектра, для которого вре мя до разрушения испытательных образцов минимально при прочих равных параметрах; на его базе может быть осуществлена унификация методов испы таний и стандартизация широкополосных спектров и решена проблема воспро изводимости результатов испытаний, а также реализованы ускоренные испыта ния; д) впервые введено понятие «кривых вибронагруженности» (названных по аналогии с кривыми усталости, но расположенными для тех же режимов в обратном порядке), представляющих зависимость времени до разрушения объ ектов испытаний от виброскорости и позволяющих оценить относительную опасность различных спектров нагружения при виброиспытаниях; е) впервые показано, что при длительном вибровоздействии с различны ми спектрами на режимах нагружения с постоянной вибро скоростью (дефор мацией) в контрольной точке образца второй контролируемый параметр - де формация (виброскорость) не остается постоянным, а монотонно изменяется, имеет экстремум незадолго до исчерпания ресурса и является физической ха рактеристикой процесса накопления усталостных повреждений, позволяющей, измеряя этот контрольный физический параметр, осуществлять диагностику усталостного разрушения материала и прогнозировать его остаточный ресурс; ж) методами математической статистики с применением критериев согла сия Пирсона и Колмогорова показана правомерность аналитического описания кривых усталости для моно-, полигармонических и случайных режимов нагру- жения гиперболическими функциями; з) на базе термофлуктуационной теории прочности с использованием ре зультатов усталостных испытаний получено уравнение для описания процесса усталостного разрушения, включающее в явном виде условия испытаний, ха рактеристики материала и время до разрушения образцов; и) предложен принцип (гипотеза) эквивалентной усталостной повреждаемости материала, предполагающий одинаковое напряженное состояние материала при различных начальных напряжениях, но равном остаточном ресурсе на данный момент времени испытаний. Эквивалентное напряжение позволяет учесть влияние изменений структуры материала, вызванных усталостным накоплением повреждений; к) разработан метод построения кинетических диаграмм усталостного разрушения по результатам усталостных испытаний, дающий сопоставимые результаты с известным методом линейной механики разрушения; л) получено соотношение для функции усталостной повреждаемости ма-{ териала через параметры статистического анализа уравнений, описывающие і кривые усталости, эквивалентное напряжение и время до разрушения образцов материала; м) разработаны новые способы ранжирования режимов вибронагружения по степени усталостной повреждаемости материала, основанные на использовании кривых вибронагруженности, а также результатов статистического анализа результатов усталостных испытаний, термоактивациоиного анализа усталостного разрушения, построения кинетических диаграмм и функции усталостной повреждаемости.
Достоверность результатов экспериментальных исследований обоснована применением аттестованных средств измерений и испытаний, точность резуль- татов измерений новым емкостным датчиком изгибных деформаций, разработанным с участием автора, анализировалась в МГТУ им. Н.Э. Баумана, НПО измерительной техники (г. Королев, Московская обл.), а затем в НИИ физических измерений (г. Пенза), где по нашему заказу были созданы последние образцы датчиков и преобразователей сигнала. Экспериментальные результаты по динамике объекта нагружения согласуются с теоретическими исследованиями, проведёнными различными методами.
Подтверждением высокой достоверности полученных результатов и её следствием можно считать выявление определенной закономерности в зависимостях вибронагруженности, вибронапряжённости и долговечности от ширины сплошного случайного спектра и существование в этих трёх зависимостях экстремумов при одной и той же ширине спектра, названной эффективной. Экстремумы обнаружены также в зависимости средней деформации от времени нагружения при постоянной средней виброскорости и в зависимости средней виброскорости от времени при постоянной средней деформации. Причём каждая из этих зависимостей оказалась идентичной для самых различных типов спектров нагружения.
В работе Леонардо Эйлера [59] приведено следующее утверждение: «Так как здание всего мира совершенно и возведено премудрым творцом, то в мире не происходит ничего, в чем не был бы виден смысл какого-нибудь максимума или минимума».
Результаты диссертационной работы практически применимы: для создания нового, в том числе международного, стандарта на вибрационные и усталостные испытания при ШСВ; для оценки степени опасности эксплуатационных режимов; в научно-исследовательских лабораториях при проведении экспериментальных исследований по выносливости материалов и диагностике усталостного разрушения; во всех отраслях промышленности (КБ, НИИ, заводы), проводящих отработку вибропрочности изделий, контрольные и ускоренные вибрационные и усталостные испытания продукции; для создания систем диагностики и неразрушающего контроля усталостного разрушения объектов, эксплуатирующихся в условиях значительных вибрационных нагрузок (самолёты, суда, морские платформы для нефтегазодобычи и космических стартов, трубопроводный транспорт и др.); для расчетного прогнозирования кривых усталости и долговечности; - для исследования процесса накопления усталостных повреждений. Эффективность выполненной работы состоит в следующем: повышении эксплуатационной надёжности изделий машино- и приборостроения за счёт повышения достоверности результатов испытаний; научном обосновании решения проблем воспроизводимости результатов испытаний, стандартизации испытательных спектров и унификации методик для различных видов испытаний, реализации ускоренных испытаний, которые значительно сократят экономические затраты на проведение испытаний и исследований; научном обосновании выбора физического параметра (деформации, вибро скор ости) для диагностики и прогнозирования усталостного разрушения, систем неразрушающего контроля; в повышении информативности исследования процесса усталости материалов.
Диссертация написана по материалам 72 печатных работ, 6 изобретений автора, а также ряда отчётов по НИР, имеющих номера госрегистрации.
1 АНАЛИЗ ВИБРОПРОЧНОСТНОЙ ОТРАБОТКИ КОНСТРУКЦИЙ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Лабораторные виброиспытания содержат три основные части: изучение воздействия (или прогнозирования) внешних вибрационных нагрузок (измерение, анализ); выбор способов и средств имитации в лабораторных условиях испытательного (модельного) вибровоздействия; оценка реакции конструкции на действие внешнего вибрационного нагружения.
В соответствии с этими тремя частями проблемы в диссертации проведен анализ существующей практики вибропрочностной отработки конструкций летательных аппаратов (ЛА). Наибольшее внимание уделено жидкостному ракетному двигателю, как самому вибронагружеиному объекту. Использованный здесь опыт отработки ЖРД, создававшихся в 70-80-е годы, ценен еще и потому, что некоторые конструкции двигателей используются для запуска ракет вплоть до наших дней. Рассмотрены также элементы вибро прочностной доводки авиадвигателей и корпусов самолетов гражданской авиации, анализ состояния усталостных и вибрационных испытаний, а также достижения возможности диагностики усталостного разрушения по физическим параметрам, возможности прогнозирования кривых усталости на базе термофлуктуационной теории прочности.
Дефекты элементов двигательных установок на огневых стендовых испытаниях
По результатам испытаний: «Запуск и выход на режим нормальные. С 5-й секунды и до конца испытания - горение в зоне газопровода, с 83,4 секунды увеличивается амплитуда вибраций КС (до 700 ед.) и пульсаций давления в КС, в форсуночной головке (ФГ) КС и ФГ ГГ. Отключение на 115,8 секунде в связи с разрушением трубопровода замера давления в КС (аварийное выключение двигателя по спаду параметров)» при этом возникли пульсации с частотой 170 Гц, из-за чего и мог разрушиться замерный трубопровод на КС, собственная частота которого близка к появившейся вынужденной.
Из анализа осциллограммы ОСИ (проведен автором):
С 82,5 секунды растут амплитуды пульсаций давления на выходе из насоса горючего («Г») 2-й ступени в 4 раза и газогенераторе - в 3,5-4 раза. С 82,7 секунды увеличиваются пульсации «Г» в ФГ КС в 3-4 раза и давления в КС в 1,5-2,0 раза. С 83,4 секунды в 1,5-2 раза увеличивается амплитуда пульсаций давления окислителя («О») в ФГ КС, в 2 раза — «Г» и «О» в ФГ ГГ.
Вибрации КС перпендикулярно оси с 83,1 секунды растут в 2 раза, затем уменьшаются до исходных, с 84,7 секунды растут в 2 раза и вновь уменьшаются до исходных, с 87 секунды увеличиваются в 3 раза, со 104,7 секунды уменьшаются в 1,5 раза. Вибрации КС в направлении оси растут в 2 раза с 84,6 секунды. Вибрации КС на цапфе (в месте крепления) с 84,7 секунды, увеличиваются в 1,5 раза и доходят до 700 ед., вибрации ГГ практически постоянны на протяжении всей работы двигателя.
Как видно, здесь все изменения амплитуд связаны с нестационарным режимом работы изделия. Аналогичная ситуация и на других испытаниях.
Регулирование по давлению в КС (по тяге) и по соотношению компонентов производится изменением расхода горючего. Очевидно, этим объясняется рост пульсаций в первую очередь в магистралях «Г».
После завершения огневых стендовых испытаний и доводки ЖРД работает нормально, напряжения в элементах конструкций незначительные, но при летно-конструкторских испытаниях (ЛКИ) аварии двигателя по вине вибраций происходят часто. Решающее влияние здесь оказывают новые окружающие условия, которые появляются в летной обстановке: 1. Взаимное влияние вибраций соседних двигателей при совместной работе нескольких двигателей в связке, а также при различной штатной и стендовой компоновке. 2. Возможное отличие управляющих воздействий на двигатель (регулирование кажущейся скорости, системы синхронного опорожнения баков, автомата стабилизации и др.). 3. Запуск и работа на большой высоте в условиях, близких к вакууму. 4. Отличающийся в сопловой части температурный режим. 5. Воздействие на двигатель колебаний корпуса ракеты. 6. Различие в динамическом поведении двигателя в зависимости от жесткости опоры: корпуса ракеты или стенда. 7. Влияние перегрузок и вибраций от работающих двигателей нижних ступеней на запуск и функционирование двигателей верхних ступеней.
Эти воздействия, появляющиеся впервые на ЛКИ, можно считать внешними возмущениями для двигателя, работающего на стенде.
Эти "новые" нагрузки по величинам ускорений значительно слабее "внут-ридвигательных" нагрузок. Тем не менее, их влияние бесспорно. Возможно, они являются катализатором, увеличивающим интенсивность внутридвигатель-ных процессов или делающим их неустойчивыми. Опасно их наложение на "старые" нагрузки. И то, и другое приводит к разрушению элементов конструкций. Весьма показательным в этом отношении является пример с клапаном на магистрали горючего в двигателях РД 253 и его модификации, называвшейся ранее 11Д43М. Большую надежность одного и того же клапана, установленного
на двигателе РД 253, можно объяснить лишь меньшим уровнем вибраций (108 ед.) на этом двигателе, которые являются внешним воздействием для клапана, по сравнению с вибрациями на двигателе 11Д43М (200 ед.). Так, влияние внешнего возмущения оказалось пагубным для работы клапана и было причиной отказов двигателя (п. 1.2.2).
Из большого количества элементов ДУ выделим наиболее нагруженные элементы внешней обвязки двигателя: кронштейны крепления различных узлов, трубопроводы перепуска давления, трубопроводы от зажигательного устройства к камере сгорания, замерные трубопроводы. Назовем эти элементы подвесными по ряду общих признаков.
При воздействии широкополосной случайной нагрузки, свойственной для ЖРД, подвесные элементы отфильтровывают большую часть спектра и возбуждаются на частотах, близких к собственным. При этом подвесные элементы практически всегда колеблются в резонансе, с большой вероятностью одновременно по нескольким собственным формам.
На первом этапе ОСИ добиваются устойчивого процесса горения в КС и ГГ. Именно на этот период приходится наибольшее количество дефектов в элементах конструкции. Проведем краткий анализ эксплуатационных дефектов некоторых подвесных элементов изделия РД 253 после первых 75 огневых испытаний, из которых лишь 34 закончились по программе [67].
Режимы ЛВИ с экстремальным значением параметров вибрации
На экспериментальную часть приходится решение основных вопросов, поставленных в работе: исследование влияния ширины спектра на вибронаг-руженность и долговечность, определение тяжелейшего по долговечности режима нагружения, исследование условий эквивалентности детерминированных и случайных режимов, возможности диагностики усталостного разрушения.
В настоящее время испытания усталость и вибрацию проводятся с контролем параметров, косвенно связанных с деформацией, таких как сила, амплитуда колебаний объекта, виброускорение. Один из этих параметров поддерживается постоянным в процессе испытаний, а деформация иногда измеряется в начале нагружения или определяется расчетом. С целью повышения достоверности и информативности результатов испытаний поставлена задача по непосредственному измерению деформаций в течение всего времени нагружения и при вибрационных, и при усталостных испытаниях, так как по измерениями только виброускорений и перемещений нельзя судить о вибропрочности объекта, запас которой после виброиспытаний неизвестен.
При измерении изгибных деформаций наиболее распространены тензо-метрические датчики сопротивления [154, 33, 193], недостатки которых приведены в п. 1.6.1.
К сожалению, долговечность датчиков из фольги на 2-3 порядка меньше долговечности конструкции, а при значительных виброперегрузках датчики нередко отклеиваются [194]. Возможны также существенные погрешности измерений, обусловленные вязкоупругими процессами в связующем и в подложке, необратимыми изменениями в них и в чувствительном элементе [139, 195].
Для исследования процессов накопления усталостного повреждения в деталях машин применялись специальные устройства, содержащие около 100 датчиков, автоматически заменяемых после их усталостного разрушения. При малоцикловом нагружении или вибрациях с резкими перегрузками (выбросами) предлагается использовать кассетные счётчики ресурса, содержащие тензодатчики с различной чувствительностью [138]. Однако подобные устройства значительно усложняют обработку результатов измерений, имеют невысокую надежность и вносят дополнительные погрешности в исследования нестабильного по своей природе процесса накопления повреждений.
Емкостные датчики изгибных деформаций
В настоящее время емкостные датчики находят все большее применение. Это происходит благодаря высоким потенциальным возможностям емкостного принципа действия, внедрением тонкопленочной технологии, прецизионных элинварных сплавов, а самое главное, благодаря большим достижением в области измерительных цепей. Они обеспечивают дистанционность измерений, преобразование малых емкостей.
С целью повышения достоверности и надёжности результатов испытаний была разработана серия неразрушающихся бесконтактных емкостных датчиков, позволяющих измерять сколь угодно долго практически неограниченные по величине кривизну и изгибные деформации. В датчиках использовано принципиально новое относительное перемещение обкладок по сравнению с известными конструкциями емкостных датчиков. Для измерения деформации плоских и цилиндрических поверхностей с нулевой гауссовой кривизной в окружном направлении был создан емкостной датчик (ЕДЦ-1) [196, 197, 198]. Он состоит из металлической обкладки 1 с цилиндрической рабочей поверхностью (рис. 3.1), через слой диэлектрика 2 прижатой по линии к исследуемой поверхности 3, являющейся второй обкладкой конденсатора.
При изгибе объекта изменяется расстояние между обкладками конденсатора 5 и электрический сигнал с датчика пропорционален изменению кривизны и изгибной деформации объекта. Зона линейной характеристики емкостного датчика и в статике, и в динамике больше, чем у тензорезистора (рис. 3.2, 3.3). Её диапазон охватывает значения деформаций в проведённом эксперименте, в том числе в малоцикловой области усталости. Чувствительность датчика определяется кривизной измерительной обкладки и может изменяться в широких пределах. Две обкладки с двух сторон объекта увеличивают чувствительность в 2 раза. Измерительная обкладка не деформируется вместе с объектом, поэтому её долговечность практически не ограничена.
Датчик имеет Авторское свидетельство СССР № 861926.
С целью более надёжной фиксации обкладок датчика, была создана конструкция, когда обкладки датчика выполнялись вместе с зажимом испытательного образца (ЕДД-2), но, естественно, изолированными от него (рис. 3.4). На рис. 3.5 и 3.6 представлены АЧХ исследуемого образца при воздействии ШСВ подобным емкостным датчиком деформаций и пьезодатчиком фирмы «Брюль и Къер» виброускорений при экспериментальных работах в НПО Машиностроение [80]. Две первые собственные частоты образца при измерении разными датчиками совпадают, третий пик на рис. 3.6 соответствует резонансной часто по те стенда, на который не реагирует емкостной датчик деформаций. Таким образом, можно признать достоверными показания емкостного датчика, кроме того, использовать его для обнаружения резонансных частот стенда.
Результаты последних наших исследований позволяют надеяться на применение емкостных датчиков деформаций для диагностики усталостного разрушения конструкций [199].
Самовозбудитель автоколебательного режима. Экспериментальная установка
Из известных установок для возбуждения моно- и полигармонических режимов [30, 146, 81] и др., ни одна не позволяет проводить на ВЭДС испытания на резонансных частотах с постоянным уровнем напряжений. Для реализации таких режимов с контролем по деформации по сигналу с нового емкостного датчика деформаций был создан самовозбудитель автоколебательного режи ма (САКР), который решал ещё одну, очень важную для повышения достоверности результатов задачу - автоматическое слежение за уменьшением собственных частот образца при накоплении повреждений в ходе испытаний.
Ранее было разработано очень полезное и непонятно почему забытое устройство [147], позволяющее возбуждать автоколебательный режим на одной из собственных частот объекта, автоматически поддерживая постоянную амплитуду колебаний.
С целью повышения достоверности усталостных испытаний было осуществлено одновременное возбуждение колебаний как на первой собственной частоте, так и на трех первых собственных частотах объекта и использование в обратной связи сигнала с емкостного датчика деформаций (п. 3.1).
На рис. 3.10 представлена блок-схема разработанной установки. При колебаниях образца 2 по любому произвольному закону (например, при ударном воздействии), преобладают перемещения по собственным формам. Сигнал с датчика деформаций 3 поступает на усилитель 4 и далее на полосовые фильтры 5, число которых равно количеству возбуждаемых резонансных частот объекта. Центральные частоты полосовых фильтров 5 устанавливаются равными собственным частотам объекта 2. Характеристика этих фильтров имеет плоскую вершину с заданным отклонением ±10% в обе стороны от собственной частоты образца. Допуск в ±10% позволяет использовать при испытаниях образцы с несколько отличающейся собственной частотой и автоматически отслеживать уменьшение собственных частот образцов, происходящее из-за снижения жёсткости образцов при накоплении в них усталостных повреждений в процессе испытаний. Выделенные фильтром 5 сигналы поступают в контур положительной обратной связи, каждый канал которого включает фазовращатель 7, в котором устанавливается фазовый сдвиг, необходимый для возникновения автоколебаний в канале. Регулятор усиления 8 подключен к цепи автоматической регулировки амплитуды колебаний, которая обеспечивает поддержание постоянной величины деформации объекта 2. Цепь автоматической регулировки ам 118 плитуды колебаний [215] включает детектор 6, выделяющий модуль сигнала, амплитуда которого сравнивается в блоке 11 с сигналом задатчика 10.
Сигнал управления, снимаемый с блока сравнения 11, интегрируется (12) и поступает на управляющий вход регулятора 8, устанавливающего требуемый уровень автоколебаний. Сигналы, снимаемые с выходов всех регуляторов 8, проходят в сумматор 13 и подаются на вход возбудителя колебаний 1.
Влияние соседних каналов устраняется полосозаграждающим фильтром 9, включенным между детектором 6 и блоком сравнения 11.
В установке задатчиком частоты возбуждения является сам образец. Это позволяет обходиться без задающих генераторов и системы коррекции частот возбуждения при накоплении образцом повреждений, т.к. автоколебания образца всё время проходят практически на собственной частоте. Т.е., осуществляется автоматическая настройка на резонансные колебания образца [216].
Установка позволяет проводить усталостные испытания одновременно на нескольких собственных частотах объекта, поддерживая при этом постоянную величину деформации на каждой собственной частоте. Часть установки (пунктирные линии на рис. ЗЛО) выполнена отдельным блоком и названа самовозбудителем автоколебательного режима (САКР). На рис. ЗЛО показан один контур. Число контуров, каждый из которых расчитан на возбуждение колебаний на одной собственной частоте объекта, определяется поставленной задачей. В САКР имеется три контура для колебаний на трёх первых собственных частотах образца (28, 175 и 485 Гц), сигналы с которых подаются через сумматор на стенд. САКР имеет Авторское свидетельство СССР № 853459 [217].
Динамические характеристики вибростенда 1, образца 2 с датчиком деформаций 3, приведенные к точке съема информации, при автоколебаниях приближенно могут описываться колебательным звеном. Интегратор 12 на параметры установившихся колебаний не оказывает влияния. Эти допущения позволяют составить расчетную структурную схему установки (рис. 3.11). Из уравнения гармонического баланса для замкнутой схемы определяются параметры фильтров и фазовращателя для режима установившихся автоколебаний [218].
Строго говоря, спектр колебаний образца на описанной автоматической установке отличается от одночастотного (рис. 3.16, режим №9) или трехчастот-ного (рис. 3.16, режим №10) спектров. В сигнале, проходящем по замкнутому контуру автоматической установки, присутствуют составляющие на собственных частотах не только балки, но и других элементов установки. Но собственные частоты всех других элементов намного больше собственных частот образца. Наличие в системе фильтров, пропускающих сигналы на частотах, близких к собственным частотам образца, позволяет сказать, что колебания образца проходят на собственных частотах [218]. Близость автоколебательного процесса к синусоидальному, что подтверждается экспериментально, даст возможность использовать установку для формирования одночастотных и полигармонических резонансных испытательных режимов.
Представленная установка создана на аналоговом принципе и показала достаточно высокую надёжность.
Исследование долговечности при расширении спектра вибровоздействия с одной на три первые собственные частоты образца
При экспериментальном исследовании влияния на долговечность расширения спектра вибровоздействия с первой собственной частоты до трех первых собственных частот образца использовались как детерминированные (второй способ расширения спектра), так и случайные узко полосные режимы (третий способ расширения спектра). Испытания на детерминированных частотах велись на режимах: 1) гармонический на первой собственной частоте образца с автоматической подстройкой параметров (режим №9); 2) аналогичный режим с ручной подстройкой параметров (режим №1); 3) полигармонический на сумме первых трех собственных частот образ ца (28, 175 и 485 Гц) с автоматической подстройкой параметров (№10); 4) аналогичный режим с ручной подстройкой параметров (режим №2),
Относительная величина уровней возбуждения на каждой из трех собст венных частот при полигармонических режимах №2 и №10 определялась сле дующим образом. Образец возбуждался случайным широкополосным спектром с шириной Af=300 Гц, на самом широкополосном режиме, исключая «белый» шум, формируемом генератором SG-201. На анализаторе спектра ТОА-111 фиксировался уровень величин напряжения О; по каждой собственной частоте (егь сгп и аш). Соотношение этих величин при различной мощности широкопо лосного случайного возбуждения оставалось практически постоянным. Это же соотношение между оь 3ц и аш поддерживалось при формировании полигар монических режимов (п. 3.3).
Сравнение результатов испытаний на долговечность образцов в рассматриваемом диапазоне частот на режимах №1 и №2 и режимах №9 и №10 (рис. 4.2, табл. 4.3) показало, что расширение спектра воздействия с одной первой собственной частоты до трех первых собственных частот ведет к значительному уменьшению долговечности. Причем, если на режимах с ручной настройкой (№№1 и 2) разница в долговечности в 2,7 раза, то при автоматической настройке эта разница составляет 7,5 раза.
Различие долговечностей образцов на полигармонических режимах с ручной (№2) и автоматической (№10) настройкой (в 2,1 раза) заметно больше, чем на одночастотных режимах с ручной (№1) и автоматической (№9) настройкой (в 1,17 раза). Это объясняется погрешностями подстройки режима оператором, т.к. осуществлять контроль и регулировку параметров значительно сложнее на трехчастотном режиме, чем на одночастотном.
Полученный результат показывает, что аппаратурное (новый датчик и установка САКР) и методическое совершенствование процедуры испытаний может столь существенно повысить достоверность результатов испытаний.
Влияние на долговечность расширения спектра вибровоздействия с области около первой собственной частоты на области около трех первых собственных частот образца исследовалось на режимах №3 и №4;
1) случайном узкополосном одномодальном со средней частотой fcp=28 Гц и шириной спектра Дг=6 Гц (25 ...31 Гц), режим №3;
2) случайном узкополосном трехмодальном режиме со средними частотами, равными первым трем собственным частотам образца 28, 175 и 485 Гц и шириной спектра в области средних частот соответственно 25...31 Гц, 157...193Гци427...523Гц(режим№4).
Подбор уровней возбуждения в области каждой собственной частоты образца на режиме №4 осуществлялся, как и при формировании режимов №2 и №10, описанном выше.
Сравнение долговечности образцов при воздействии режимов №3 и №4 (рис. 4.2, табл. 4.3) показывает, что при расширении спектра вибр о воздействия с области около первой собственной частоты на области около трех первых собственных частот, как и на детерминированных режимах, долговечность образцов значительно уменьшается.
Представленные в п. 4.1 и здесь результаты позволяют оценить влияние особенности случайного нагружения возбуждать образец не только на резонансных, но и на околорезонансных и многих других частотах одновременно (эффект «сплошности» нагружения). Долговечность на режиме №5 меньше, чем на режиме №9, в 4,17 раза (табл. 4.2) и на режиме №4 меньше, чем на режиме №10, в 2,67 раза (табл. 4.4).
Переход от трехмодального узкополосного спектра (режим №4) к режимам №7 и №8 со сплошным спектром также следует рассматривать как расширение спектра вибровоздействия в области трех первых собственных частот образца (пятый способ расширения спектра). В табл. 4.4 представлено сравнение параметров режимов №4 и №7, т.к. режим №7 «опаснее» режима №8, что будет показано в п. 4.4.
Расширение спектра на области, значительно отстоящие от собственных частот объекта, приводит к росту долговечности почти в 2 раза. Это говорит о том, что для достижения экстремального нагружения на испытаниях целесообразно «закачивание» энергии в диапазонах частот, близких к собственным частотам образца.
Однако для многорезонансных конструкций точное формирование многомодального спектра может оказаться затруднительным, и более предпочтительными окажутся испытания со сплошным широкополосным спектром, т.е. на ШСВ.
Уменьшение долговечности при переходе от дискретного спектра (режима №10) к узкополосному случайному (режиму №4) и возрастание ее при перс-ходе к широкополосному спектру (режиму №7) показывает, что должна существовать такая ширина узкополосного спектра в области каждой собственной час тоты образца, которой соответствует минимальная долговечность. Т.е. должен быть экстремум по долговечности в зависимости от ширины узкополосного спектра, как одномодального (режим №3), так и многомодального (режим №4). Такие рекомендации по выбору ширины спектров даны в работе [127] и они учитывались в проведенном исследовании при выборе ширины спектра системы автоколебательного режима (п. 3.2). На отличия в долговечности образцов будет влиять как форма спектра внешнего воздействия, так и величина интервала между собственными частотами образца, т.е. динамика объекта испытаний.
В табл. 4.4 представлено также сравнение долговечности при воздействиях, имеющих дискретный полигармонический (режим №10) и широкополосный (режим №7) спектры — шестой вид расширения спектра, Небольшое отличие долговечностей (1,6 раза) показывает, что полигармонические режимы можно применять для имитации ШСВ и такая имитация для усталостных испытаний допустима, а для виброиспытаний крайне не желательна, что будет показано в п. 4.5.
