Введение к работе
Актуальность темы
Важнейшей задачей производства и эксплуатации энергетического оборудования аэрокосмических систем является необходимость снижения материалоемкости конструкций и затрат на их технологические испытания при повышении требований к надежности и долговечности. Одним из путей решения этой задачи является использование разъёмных соединений, позволяющих производить замену или ремонт узлов и агрегатов на любой стадии создания и эксплуатации системы. Учитывая, что в современных конструкциях от 15 до 70% от общего количества соединений составляют разъёмные соединения, определяющим фактором надёжной работы которых является нормирование усилия затяжки резьбовых деталей, потребовалась разработка методов и создание средств технического диагностирования в процессе сборки разъёмных соединений на всех этапах их изготовления, эксплуатации и ремонта. Известные методы технического диагностирования имеют существенные недостатки, заключающиеся в низкой точности измерения напряжений и в возможности контроля только поверхностных напряжений, что приводит к преждевременному износу крепежных деталей, разрушению соединений, разгерметизации технологических систем и аварийным ситуациям с серьезными экологическими последствиями.
В последние годы интенсивно развиваются методы акустической диагностики, основанные на использовании ряда нелинейных акустических эффектов, в первую очередь акустоупругости. Об актуальности этой проблемы свидетельствует, во-первых, число публикаций (порядка 1200), в том числе более 200 в различных изданиях стран СНГ, во-вторых, существования в США национальной программы развития количественных методов неразрушающей диагностики, инициатором которой является военное ведомство. На ежегодных конференциях, проводимых в рамках этой программы, до 15% докладов посвящается акустическим методам контроля напряжений.
Изложенное позволяет сделать вывод о большом значении контроля механических напряжений в элементах машин и механизмов, научной и практической значимости исследований и внедрения их результатов в производстве и эксплуатации ответственных конструкций. Однако ко времени начала исследований автора отсутствовали теория, методология и оборудование для высокоточного измерения механических напряжений в производственных условиях с использованием акустических методов. В связи с этим потребовалось решить задачу исследования и разработки методов и создания средств акустической тензометрии разъёмных соединений энергетических аппаратов в различных областях машиностроения и, в частности, жидкостных реактивных двигателей (ЖРД) аэрокосмических аппаратов.
Г рос
тай?
і і ~
НАЦИОНАЛЬНАЯ| БИВЛИОТЄКА,
СП* 09
В настоящей работе обобщены результаты исследований эффекта акустоупругости, разработки и создания методов и средств акустической тензометрии, выполненных автором во Всесоюзном научно-исследовательском институте по разработке неразрушающих методов и средств контроля качества материалов (ВНИИНК) и АО «VOTUM» (г. Кишинев) в период с 1972 по 2004 г. Основанием для выполнения работ являлись постановления правительства СССР, задания других директивных органов и хоздоговорные работы с заинтересованными ведомствами и предприятиями
Цель работы
Целью работы является обобщение и дальнейшее развитие теоретических представлений об эффекте акустоупругости, обоснование, разработка принципов, научно-технических и методологических основ неразрушающей акустической тензометрии, методик производственного контроля, создание и организация серийного выпуска и внедрения аппаратуры в энергомашиностроении и при эксплуатации космической техники. Для реализации поставленных задач потребовалось:
теоретически и экспериментально исследовать эффект акустоупругости;
разработать способы контроля механических напряжений методами нелинейной акустической диагностики, создать соответствующую экспериментальную аппаратуру и провести исследования методов акустической тензометрии;
разработать требования к техническим параметрам аппаратуры акустической тензометрии;
провести исследования и создать метрологическое обеспечение метода и аппаратуры акустической тензометрии;
разработать и обеспечить серийный выпуск акустических тензометров;
разработать технологию и внедрить в промышленность методы и аппаратуру акустического тензометрирования.
Методы исследований
Теоретические исследования проводились с использованием аппарата феноменологической теории акустоупругости с использованием матричной методологии. Расчетные соотношения акустической тензометрии получены аналитическим путем и проверены экспериментально с использованием специально разработанного градуировочного стенда, оснащенного поверенными приборами. Обработка результатов измерений производилась с применением средств вычислительной техники и статистического анализа Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований и производственных испытаний осуществлялось с помощью разработанного и аттестованного в установленном порядке комплекта стандартных образцов и поверенной аппаратуры.
Надежность контроля подтверждена многоцикловыми испытаниями двигателей в режиме реальных нагрузок.
Научная новизна
Проведен комплексный анализ математических соотношений феноменологической теории акустоупругости с использованием матричной методологии.
Впервые введено понятие матриц акустоупругих коэффициентов скорости и времени распространения ультразвука для одноосно напряженного состояния, изучена их структура и взаимосвязь.
Получены соотношения, определяющие влияние сдвиговых напряжений на скорость и поляризацию упругих волн.
Изучено распространение упругих волн под произвольным углом к эйлеровским координатным осям, что позволило оценить необходимую точность акустических измерений при табулировании числовых значений акустоупругих коэффициентов
Экспериментально исследованы зависимости времени распространения упругих волн в различных конструкционных материалах от различных внешних факторов, определены критические параметры, влияющие на погрешность акустических измерений.
Разработаны основы методологии и алгоритм организации процесса контроля методами акустической тензометрии с применением современных технологий.
Разработано метрологическое обеспечение систем контроля, существенно снизившее погрешность измерений.
Защищаемые положения
Разработка матричной методологии линейной теории акустической тензометрии.
Новые методы ультразвуковых измерений, применяемых в акустической тензометрии.
Способы измерения упругих напряжений, упругих модулей и физико-механических свойств материалов и изделий с использованием продольных, сдвиговых и поверхностных ультразвуковых волн.
Обобщение вопросов методологии и метрологии при использовании акустической тензометрии в промышленности.
Принципы построения и реализация аппаратных средств акустической тензометрии.
Созданная аппаратура акустического тензометрирования и результаты её применения для контроля разъёмных соединений ЖРД аэрокосмических аппаратов и других конструкций.
Апробация полученных результатов
Основные результаты работы докладывались и получили одобрение на 32 Международных, Всесоюзных и Российских научных и научно-технических конференциях и семинарах. По результатам выполненных исследований во Всесоюзных, российских и зарубежных периодических изданиях опубликованы 129 работ, в том числе 3 монографии, 88 статей и тезисов докладов. Получены 33 авторских свидетельства СССР, 2 патента Республики Молдова, патенты Австрии, Германии и Франции. Разработанные приборы демонстрировались и были отмечены на международных выставках и ВДНХ СССР (1-золотая, 1-серебряная, 4-бронзовых медали).
Практическая значимость
Предложенные методы акустической тензометрии, научно-методологические принципы организации производственного контроля и разработанные методики контроля реализованы в разработанной и серийно выпускавшейся аппаратуре.
Разработана гамма акустических тензометров: УП-10Э, УП-11Э, УП-20Э, УП-31Э (АКОН-4), УП-31ЭМ1, УП-32ЭП, УД4-Т HU-01. Внесенный в Государственный реестр средств измерений тензометр УП-31Э (АКОН-4) с 1985 года серийно выпускался заводом Электроточприбор ПО «Волна», г. Кишинев, объем выпуска составил более 120 шт., что полностью обеспечило потребности отрасли аэрокосмического энергомашиностроения.
Разработанная методика контроля легла в основу отраслевого стандарта ОСТ 92-9521-82 "Контроль усилия затяжки резьбовых соединений акустическим методом", технических требований и технических условий на штатные изделия, что позволило скорректировать методику расчета стыков.
Для метрологического обеспечения акустических тензометров разработан комплект стандартных образцов КМВР1-0, аттестованных по времени распространения ультразвука с точностью +0,006 мкс.
Приборы используются для высокоточного акустического контроля усилий затяжки разъемных соединений жидкостных реактивных двигателей нового поколения, что позволило существенно повысить надежность ЖРД при одновременном снижении затрат на отработку их конструкции.
Структура и объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы из 283 наименований, приложений и содержит 372 страницы текста, 84 рисунков, 47 таблиц.
