Методология оценки нагруженности и усталости металлоконструкций и элементов приводов датчиками деформаций интегрального типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, доктор технических наук Голофаст, Сергей Леонидович

• Голофаст, Сергей Леонидович
• доктор технических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор технических наук Голофаст, Сергей Леонидович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ДАТЧИКИ ДЕФОРМАЦИЙ ИНТЕГРАЛЬНОГО ТИПА (ДДИТ). СПОСОБЫ КАЛИБРОВКИ, МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ.

1.1. Характеристика средств и методов измерения напряжений и накопленных усталостных повреждений.

1.2. Характеристика датчиков деформаций, способы калибровки и математическое описание тарировочных зависимостей.

1.3. Методики измерения напряжений, использующие информацию с датчиков деформаций интегрального типа.

1.4. Постановка проблемы исследования нагруженности и оценки усталости деталей машин с помощью ДДИТ.

ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАТЧИКОВ ДЕФОРМАЦИЙ ИНТЕГРАЛЬНОГО ТИПА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ С ИНТЕНСИВНЫМ НАКОПЛЕНИЕМ УСТАЛОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ.

2.1. Исследование длиннобазного автобуса КАВЭ-39769.

2.2. Результаты оценки мест вероятного разрушения сварной рамы автобуса КАВЗ-З2768.

2.3. Определение мест разрушения балки переднего моста спортивного автомобиля КамАЗ.

2.4. Анализ напряженно-деформированного состояния участков рамы спортивного грузового автомобиля при ее усталостных испытаниях.

ГЛАВА 3. МЕТОДОЛОГИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЕРЕДАЧ НОВИКОВА ДАТЧИКАМИ ДЕФОРМАЦИЙ

ИНТЕГРАЛЬНОГО ТИПА.

3.1. Задачи экспериментального исследования передач Новикова и их взаимосвязи.

3.2. Прогнозирование изгибной выносливости зубьев колес

Новикова по показаниям ДДИТ.

3.3. Задача восстановления нагруженности зацепления передачи Новикова и оценка контактной выносливости.

3.4. Оценка влияния упрочненного слоя на глубинную контактную прочность зубьев.

3.5. Оценка влияния параметров упрочненного слоя на изгибную прочность зубьев.

3.6. Обеспечение максимальной долговечности передачи путем отими-зации параметров упрочненного слоя зубьев шестерни и колеса.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПО ПОКАЗАНИЯМ ДДИТ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ

ПРИ РЕГУЛЯРНОМ ИХ НАГРУЖЕНИИ.

4.1. Прогнозирование числа циклов до разрушения деталей на основе корреляционных связей с реакцией ДДИТ.

4.2. Методы прогнозирования долговечности деталей по показаниям ДДИТ, использующие модели накопления повреждений.

4.2.1. Расчетная модель и алгоритмы определения ее параметров.

4.2.2. Установление взаимосвязи реакции ДДИТ с процессом накопления усталостных повреждений в материале образцов при их испытаниях на выносливость.

4.3. Реализация экспериментально-расчетных методов при оценке долговечности несущих элементов тележки полувагона.

ГЛАВА 5. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ДДИТ НАПРЯЖЕНИЙ И РЕСУРСА ДЕТАЛЕЙ И МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ПРИ

БЛОЧНОМ И СЛУЧАЙНОМ РЕЖИМАХ ИХ НАГРУЖЕНИЯ.

5.1. Методики восстановления напряжений и прогнозирования ресурса образцов и деталей йри различных режимах нагружения.

5.1.1. Методика восстановления по показаниям ДДИТ напряжений, возникающих на поверхности деталей при блочном режиме нагружения.

5.1.2. Прогнозирование ресурса образцов при блочном режиме нагружения с использованием ДДИТ.

5.1.3. Оценка с помощью ДДИТ ресурса деталей, подвергающихся в условиях эксплуатации воздействию случайного спектра нагрузок.

5.2. Методика идентификации условий нагружения деталей при нерегулярном их нагружении по показаниям ДДИТ, зафиксированных с помощью цифровой видеотехники.

5.3. Диагностика остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин по показаниям ДДИТ.

5.3.1. Анализ технического состояния крана № 1.

5.3.2. Анализ технического состояния крана № 2.

5.3.3. Анализ технического состояния крана № 3.

5.3.4. Анализ технического состояния крана № 4.

5.3.5. Анализ технического состояния крана № 5.

5.3.6. Анализ технического состояния крана № 6. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методология оценки нагруженности и усталости металлоконструкций и элементов приводов датчиками деформаций интегрального типа»

Важнейшей задачей практически для всех отраслей машиностроения является улучшение качества, снижение металлоемкости, совершенствование конструкции и методов изготовления как серийно выпускаемых, так и новых образцов машин и механизмов. Решение данной задачи невозможно без всесторонних испытаний. Наиболее сложными и длительными являются испытания, связанные с оценкой нагруженности и ресурса элементов машин и конструкций в целом по критерию усталостного разрушения, что вызвано статистической природой показателей долговечности, разнообразием процессов накопления повреждений в деталях и конструкциях, влиянием большого количества конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. Весьма часто объекты таких испытаний, в соответствии с особенностями их работы и нагружения, требуют нестандартных решений. В последнее десятилетие остро встала проблема оценки работоспособности и остаточного ресурса объектов, длительное время находящихся в эксплуатации, а в ряде случаев отработавших нормативный срок службы. Сказанное в полной мере относится к системам транспорта нефти и газа, грузоподъемным машинам и механизмам, авиационной технике и др. Поэтому комплекс средств и методов, позволяющих экспериментально оценивать напряженно-деформированное состояние и процесс накопления усталостных повреждений в материале конструкции и ее отдельных деталях в условиях циклического нагружения, является важным направлением в науке и технике. Результаты диагностики работоспособности и накопленных в деталях усталостных повреждений, полученные именно в процессе натурных испытаний или эксплуатации, не только дают объективную информацию о работе деталей, но и являются основой для совершенствования как методов расчета их на выносливость, так и методов прогнозирования остаточного ресурса.

К настоящему времени как в нашей стране, так и за рубежом опубликовано большое количество работ, посвященных разработке, исследованию и внедрению различных средств и методов изучения напряженно-деформированного состояния в условиях циклического нагружения как отдельных деталей, так и металлоконструкций в целом в условиях стендовых и натурных испытаний. Существенный вклад в развитие данного научного направления внесли отечественные ученые В.В. Болотин, Е.К. Почтенный, С.А. Тимашев, В.И. Бойко, О.Л. Бандин, A.C. Гусев, А.П. Гусенков, Б.С. Касаткин, Э.Г. Керимов, В.П. Когаев, В.А. Копнов, Х.Б. Кордонский, Ю.Н. Коваль, H.A. Махутов, С.М. Набойщиков, В.Н. Сызранцев, В.Т. Трощенко, Д.А. Троценко, O.A. Мамед-Заде и другие.

Анализ отечественной и зарубежной литературы по данной тематике свидетельствует, что наиболее перспективными неразрушающими методами оценки накопленных усталостных повреждений в материале детали или металлоконструкции являются методы, основанные на применении датчиков усталостного повреждения. В связи с этим решение проблемы, объединяющей вопросы разработки новых средств и принципов измерений, конструкции датчиков усталости и теоретических основ методов оценки нагруженности, накопленных повреждений и остаточного ресурса, представляется актуальной задачей, имеющей важное значение для ряда отраслей машиностроения.

Целью работы является обоснование и разработка методов оценки нагруженности и прогнозирования усталостной долговечности деталей и несущих систем машин в условиях эксплуатации на основе использования результатов оценки реакции датчиков деформаций интегрального типа по различным критериям.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи.

1. Создание банка способов тарирования датчиков деформаций интегрального типа (ДДИТ) по различным критериям оценки их реакции и математическое описание результатов тарирования на основе регрессионных, полуэмпирических и аналитических моделей.

2. Определение по показаниям ДДИТ в металлоконструкциях мест с интенсивным накоплением усталостных повреждений в условиях регулярного нагружения машин при их эксплуатационных испытаниях.

3. Разработка (на примере комплексного исследования работоспособности передач Новикова по различным прочностным критериям) методологии использования ДДИТ для восстановления нагруженности и прогнозирования ресурса деталей сложной геометрической формы, подвергающихся в процессе работы циклическому деформированию.

4. Установление корреляционных связей внутренней реакции /ЩИТ с усталостным разрушением образцов деталей, разработка методов прогнозирования ресурса деталей и металлоконструкций машин в условиях регулярного нагружения.

5. Определение взаимосвязей реакции на поверхности ДДИТ с накопленными усталостными повреждениями, описание связей на основе полуэмпирических моделей накопления повреждений и разработка методологии прогнозирования по показаниям ДДИТ остаточного ресурса несущих систем и деталей машин для условий нерегулярного нагружения и известного периода эксплуатации изделий до начала диагностики.

6. Проведение экспериментальных исследований по проверке разработанных методов оценки с использованием ДДИТ нагруженности и прогнозирования ресурса несущих систем и различных элементов машин как в условиях лабораторных, так и эксплуатационных испытаний.

Настоящая диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и 2 приложений.

Заключение диссертации по теме «Машиноведение, системы приводов и детали машин», Голофаст, Сергей Леонидович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

При выполнении настоящей работы получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Предложена и доведена до конечных алгоритмов методология прогнозирования по показаниям ДДИТ остаточного ресурса деталей и металлоконструкций машин для условий нерегулярного их нагружения в эксплуатации и известного периода работы исследуемого изделия до начала диагностики. Методология основана на реализации способов оценки реакции ДДИТ, обеспечивающих ее регистрацию и количественную обработку в любой момент времени прерывания испытаний, с использованием которых построены математические модели, описывающие взаимосвязи реакции ДДИТ с накопленными усталостными повреждениями, возникающими в деталях при циклическом нагружении.

2. В результате обработки данных проведенного комплекса усталостных испытаний образцов (деталей) с ДДИТ установлены и математически описаны корреляционные связи между изменением микротвердости датчиков и разрушением образцов, на основе которых разработаны методики прогнозирования ресурса деталей для условий регулярного их нагружения в эксплуатации.

3. Разработана и реализована в практике экспериментальных исследований концепция комплексной оценки работоспособности зубчатых передач по различным прочностным критериям, базирующаяся на восстановлении реальной нагруженности зацепления по косвенным характеристикам, устанавливаемая путем обработки информации с ДДИТ, закрепленных в основании и на торцах зубьев. Для передач Новикова концепция оформлена в виде взаимосвязанных экспериментально-расчетных методик, обеспечивающих вскрытие потенциальных возможностей передачи по критериям изгибной, контактной прочности и выносливости, глубинной контактной прочности поверхности зубьев.

4. Применительно к условиям эксплуатационного нагружения деталей и металлоконструкций машин разработаны и прошли проверку в процессе экспериментальных испытаний элементов несущих систем автомобилей экспресс-методы ранжирования мест, исследуемых с помощью ДДИТ, по интенсивности накопления усталостных повреждений.

5. В результате проведенного комплекса экспериментальных и теоретических работ создан банк способов тарирования ДДИТ по различным критериям оценки их реакции, поддержанный математическими моделями, описывающими результаты тарировочных испытаний, методически обеспечивающий возможность реализации экспериментальных исследований характера распределения напряжений и оценки накопленных усталостных повреждений с помощью ДДИТ.

6. Проведенные с помощью ДДИТ экспериментальные исследования по выявлению мест с интенсивным накоплением усталостных повреждений в несущих системах транспортных машин, оценке влияния погрешностей изготовления и монтажа на работоспособность передач Новикова, диагностике остаточного ресурса металлоконструкций мостовых кранов свидетельствуют о высокой эффективности разработанных методов как при конструкторской и технологической доработке изделий новой техники, так и при оценке технического состояния металлоконструкций, длительное время находящихся в эксплуатации.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Голофаст, Сергей Леонидович, 2004 год

1. A.c. 1317317 СССР, МКИ G 01 N 3/32, G01M13/00. Стенд для усталостных испытаний / Удовикин А.Ю., Добрынько A.B., Сызранцев В.Н., Розенберг А.Ю. № 3986277/25-28; Заявлено 08.10.85; Опубл. 15.06.87, Бюл. № 22. - 5 е.: ил.

2. A.c. 1326945 СССР, МКИ G 01 N 3/32, Способ определения амплитуды циклической деформации детали / Городничий В.П., Маленков А.И., Розенберг А.Ю., Сызранцев В.Н., Удовикин А.Ю. № 4049628/ 25-28; Заявлено 08.04.86; Опубл. 30.07.87. Бюл. № 28. - 3 е.: ил.

3. A.c. 1430721 СССР, МКИ G 01 В 5/00. Образец для тарировки датчиков сдвиговой деформации / Удовикин А.Ю., Сызранцев В.Н., Городничий

4. B.П. № 4201482/25-28; заявлено 02.03.87; Опубл. 15.10.88, Бюл. № 38. - 3 е.: ил.

5. A.c. 1684592 AI СССР, МКИ G 01 В 5/00. Образец для тарировки датчиков сдвиговых деформаций / Сызранцев В.Н., Удовикин А.Ю., Го-лофаст С.Л. Опубл. 15.10.91. Бюл.№ 38. -Зс.: ил.

6. A.c. 1762133 AI СССР, МКИ G 01 В 7/28. Способ оценки распределения нагрузки в зацеплении передач Новикова с двойной линией зацепления / Сызранцев В.Н., Удовикин А.Ю., Голофаст C.JL, Огнев М.Е. Опубл. 15.09.92. Бюл.№ 34.-3 е.: ил.

7. Авиационные зубчатые передачи и редукторы: Справ. / Под ред. Э.Б. Булгакова. М.: Машиностроение, 1981. - 374 с.

8. Айрапетов Э.Л., Генкин М.Д. Статика планетарных механизмов. — М.: Наука, 1976.-263 с.

9. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя: В 3 т. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1978. - Т.1- 728 с.

10. Бандин O.A., Гусенков А.П., Шаршунов Г.Л. Основы метода оценки усталостного и квазистатического малоциклового повреждения конструкций с использованием тензорезисторов //Машиноведение. 1977. -№5. - С. 94-100.

11. Бойко В.И. О выборе материала, конструкции и технологии изготовления датчика усталостного повреждения // Заводская лаборатория.1981.-№ 1.-С. 79-82.

12. Бойко В.И., Коваль Ю.Н. Анализ неразрушающих методов оценки усталостного повреждения металлов: Обзор. Киев: Препринт АН УССР,1982.-35 с.

13. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.

14. Болотин В.В., Набойщиков С.М. К теории датчиков повреждений и счетчиков ресурса // Расчеты на прочность: Сб. статей / Под общ. ред. Н.Д. Тарабасова. М.: Машиностроение, 1983. - Вып.24, - С. 79-94.

15. Верховский A.B. Определение напряжений в опасных сечениях деталей сложной формы. Метод неплоских сечений. — М.: Машгиз, 1958. — 147 с.

16. Вершинин В.В., Завьялов Ю.С., Павлов H.H. Экстремальные свойства сплайнов и задача сглаживания. — Новосибирск: Наука. 1988. — 102 с.

17. Гальпер P.P. Контактная прочность зубчатых передач с поверхностным упрочнением. Л.: ЛДНТП, 1964. - 28 с.

18. Гальпер P.P. Глубинная контактная прочность упрочненных рабочих поверхностей // Повышение несущей способности механического привода/Под ред. В.Н.Кудрявцева. М., 1973. - С. 102 - 113.

19. Голофаст С.Л. Разработка экспериментально-расчетных методов оценки нагруженности и прогнозирования ресурса деталей машин на примере передач Новикова ДЛЗ: Дис . канд. техн. наук. — Курган, 1994. —1. М 218 с.

20. Голофаст С.Л. Диагностика работоспособности передач Новикова датчиками деформаций интегрального типа. Новосибирск: Наука, 2004. -164 с.

21. Гребенников А.И. Метод сплайнов и решение некорректных задач теории приближений. — М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1983. — 208 с.

22. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. М.: Наука, 1976.-230 с.

23. Дворецкий В.И., Троценко Д.А., Мясоедов М.И. Исследование накопления усталостного повреждения в сварных соединениях с помощью медных гальванических пленок // Автоматическая сварка. 1982, — № 6,-С. 5-8.

24. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. М.: Машиностроение, 1971, - 199 с.

25. Демидов С.П. Теория упругости. М.: Высшая школа, 1979. — 431 с.

26. Детали машин / К.И.Заблонский. К.: Вища шк. (Головное изд-во), 1985.-518 с.

27. Дрозд М.С., Тескер Е.И. О глубине распространения пластической деформации при внедрении сферы в плоскую поверхность стальной плиты с цементованным слоем // Металловедение и прочность металлов. — Волгогр. политехи, ин-т, 1972. — № 5. — С. 112 — 123.

28. Дрозд М.С., Тескер Е.И. Условия образования глубинных контактных разрушений сталей с цементованным или нитроцементованным слоем при начальном контакте по линии // Машиноведение. 1976. - № 1. — С. 81 -87.

29. Дрозд М.С., Тескер Е.И. Влияние глубины цементованного (нитроце-ментованного) слоя и твердости сердцевины зубьев шестерен на контактную прочность // Вестн. машиностроения. 1976. - № 3. - С. 76 - 78.

30. Дрозд М.С., Тескер Е.И. Сравнительное исследование контактной прочности нитроцементованных и цементованных зубчатых колес // Вестн. машиностроения. — 1977. — № 9.

31. Дрозд М.С., Тескер Е.И., Шаров М.А. Глубинные контактные разрушения зубьев цементованных шестерен // Вестн. машиностроения. — 1974. -№ 10.-С. 21 -25.

32. Ерохина JI.C., Калугина К.В., Михайлов С.К. Методы прогнозирования развития конструкционных материалов. — JL: Машиностроение, 1980. — 256 с.

33. Жовинский А.Н., Жовинский В.Н. Инженерный экспресс-анализ случайных процессов. — М.: Энергия, 1979. 112 с. - (Б-ка по радиоэлектронике. — вып.61).

34. Журавлев Г.А., Иофис Р.Б. Гипоидные передачи: Проблемы и развитие. -Ростов на/Д: Изд-во Рост, ун-та, 1978. 160 с.

35. Золотаревский B.C. Механические свойства металлов. М., Металлургия, 1983.-350 с.

36. Зубчатые передачи: Справочник / Е.Г.Гинзбург, Н.Ф.Голованов, Н.Б.Фирун, Н.Т.Халебский; Под общ. ред. Е.Г.Гинзбурга. 2-е изд. перераб. и доп.- JL: Машиностроение. Ленингр. отд-ние,1980. 416 с.

37. Зубчатые передачи с зацеплением Новикова / А.В.Павленко, Р.В.Федякин, В.А.Чесноков. Киев: Технша, 1978. - 144 с.

38. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975. - 456 с.

39. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. М.: Металлургиз-дат, 1963.-258 с.

40. Иосилевич Г.Б. Концентрация напряжений и деформаций в деталях машин. М.: Машиностроение, 1981. - 224 с.

41. Керимов З.Г., Мамед-Заде O.A. Применение метода гальванического меднения к оценке степени повреждаемости деталей машин при нестационарном нагружении // Машиноведение, 1976. № 4, - С. 94-96.

42. Керимов З.Г., Мамед-Заде O.A. Способы определения напряжений и деформаций гальваническим меднением // Проблемы прочности, 1977.- № 5. С. 116-119.

43. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталей машин: Учебное пособие для машиностр. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1991. - 319 с.

44. Когаев В.П., Махутов H.A., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. - 224 с.

45. Козловский И.С. Современные стали для автомобильных и тракторных зубчатых колес и их химическая обработка // Вестн. машиностроения. -1981.-№3.-С. 57-59.56.59.60,61