Прогнозирование долговечности деталей машин на основе анализа изменения площадей петель гистерезиса

На каждом этапе развития машиностроения проблема обеспечения сопротивления деталей машин усталости решалась в рамках текущих потребностей и возможностей техники. Переход к каждому новому этапу проектирования усложнял формулировку проблемы и требовал для ее решения углубленного изучения явления усталости и разработки более совершенных методов обеспечения сопротивления усталости деталей машин. При этом ориентировались на приближенную оценку средней величины предела выносливости материала и выбор геометрических размеров опасных сечений деталей.

На современном этапе развития машиностроения проблема обеспечения сопротивления деталей машин требует более глубокого изучения процессов усталости. Развитие ряда новых отраслей машиностроения вызвало необходимость создания легких и малогабаритных высоконагруженных деталей с нарушением принципа обеспечения неограниченного ресурса и заменой его принципом обеспечения необходимого ресурса. Рост машиностроения и связанный с ним рост расхода металла требует необходимости экономии металла, ужесточение требований к весовым и геометрическим параметрам всех видов деталей машин.

Известно, что рассеяние механических характеристик прочности деталей и случайный характер их нагружения в эксплуатации могут быть причиной нарушения принципа обеспечения неограниченного ресурса и непредвиденных простоев, а также непредусмотренных затрат на восстановление работоспособности машин. Поэтому в настоящее время доминирующим стал принцип обеспечения необходимого ресурса деталей с установленной вероятностью неразрушения, т. е. обеспечение необходимой и экономически целесообразной долговечности периодически нагруженных деталей.

Обеспечение сопротивления деталей машин усталости в настоящее время проводится в два этапа. На первом этапе конструкция деталей определяется путем проектных расчетов, на втором — дорабатывается по результатам испытаний. Как показывает опыт работы, при проектных расчетах не обеспечивается требуемая точность оценок ресурса деталей с заданной вероятностью нагружения. Причинами недостаточной точности оценок являются существенное рассеивания среднего значения и квадратичного отклонения предела выносливости деталей и образцов материала, а также ошибки, обусловленные использованием принятых гипотез суммирования накопленной энергии в материале при регулярном и нерегулярном циклических нагруже-ниях.

Анализ имеющейся информации позволяет сделать вывод о возможности разработки новых методов оценки долговечности деталей машин с требуемой точностью для условий переменного нагружения по характеристикам сопротивления их усталости, полученным при регулярном нагружении.

Требования к долговечности деталей машин вытекают из условий на-гружения. Нагрузки определяются исходя из условий эксплуатации. Эти нагрузки складываются из различных факторов. По нагрузкам всего спектра (включая и экстремальные) определяются величины эквивалентных нагрузок по условиям повреждаемости. Долговечность конструкции при проектировании определяется расчетом под действием нагрузок с использованием кривых усталости для данного материала с учетом необходимой вероятности безотказной работы. Для обеспечения надежной эксплуатации деталей машин по условиям живучести должны быть удовлетворены требования к длительности роста усталостной микротрещины и к остаточной прочности конструкции.

Несмотря на своеобразие приемов и методов исследования в обеспечении прочности деталей в каждой области — статической прочности, сопротивления усталости и живучести, можно привести и общее для них положение: прочностные свойства и надежность конструкции, которые могут определяться через площадь петли гистерезиса — нормативно задаваемые внешние условия нагружения (внешние воздействия). При расчете прочности деталей машин сопоставляют площади петли гистерезиса вновь изготовляемой конструкции (детали) и соответствующие площади после длительного циклического нагружения, что может быть выражено в форме простых неравенств. Решение указанных задач в каждой области может быть выполнено в детерминистической и вероятностной постановках. В качестве основного подхода к расчетам прочности в нашей стране и за рубежом принят детерминистический подход.

Особую актуальность в настоящее время приобретают вероятностные методы расчета на прочность, позволяющие учесть случайные вариации характеристик прочности и нагрузок и найти вероятность безотказной работы, являющуюся основным показателем надежности деталей машин.

Однако какой бы метод ни использовали, в основе их лежит оптимальный выбор материала по механическим и энергетическим свойствам.

Задача оптимального выбора материала является составной частью общей задачи проектирования деталей машин. Решение любой задачи оптимизации возможно при наличии критерия и ограничений. Усталостная прочность — одно из основных условий работоспособности деталей машин и машиностроительных конструкций. Большинство аварийных отказов машин происходит из-за усталостных поломок.

Характеристики циклической прочности деталей машин исследованы достаточно широко [13, 18, 29, 30, 33, 51, 66]. Однако начало появления микротрещин при циклическом нагружении детали и скорость их роста изучены недостаточно полно, что приводит к увеличению металлоемкости конструкций машин. Один из путей снижения металлоемкости — уточнение расчета деталей машин на усталостную прочность при переменном режиме нагружения.

Исследования по проблеме прочности деталей ведутся более 50 лет, где большой вклад в изучении несущей способности деталей машин при нестационарном нагружении внесли Болонтин В. В., Кочаев В. П., Решетов Д. Н. Чатынян Р. М. и др.

Результаты классических испытаний на усталость недостаточны для решения всех вопросов прочности при случайных воздействиях, перегрузках и ударных нагрузках. Возможности могут быть значительно расширены в случае разработки нового метода контроля циклической прочности на основе регистрации площади петли гистерезиса, характеризующей внутренние накопления энергии в материале.

К весьма актуальным направлениям исследования сопротивления усталости деталей машин следует отнести две взаимосвязанные проблемы:

— внутреннее накопление энергии в материалах при нерегулярных режимах на-гружения как основная характеристика роста микротрещин, необходимая для обоснования и уточнения расчетов:

— сопротивление усталости при переменных амплитудах в условиях больших чисел циклов нагружений.

Решение этих проблем направлено на уточнение расчетов деталей машин при нерегулярном режиме нагружения, которые определяют актуальность исследований в данном направлении.

Цель и задачи исследования

Целью данной работы является совершенствование прогнозирования долговечности деталей машин на основе анализа изменения площадей петель гистерезиса. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Анализ вероятностно-статистических характеристик накопления повреждений деталей машин при нерегулярном нагружении.

2. Уточнение влияния различных концентраторов напряжений на развитие усталостных трещин в материале при циклическом нагружении.

3. Определение начала появления микротрещин и скорости их роста в зависимости от количества циклов при регулярном и нерегулярном режимах нагружения.

4. Составление математической модели оптимального выбора материала при проектировании деталей с концентраторами напряжений.

5. Разработка рекомендаций по повышению долговечности деталей машин на стадии изготовления технологическими методами и методики ее прогнозирования.

Объект исследования — Объектом исследования является процесс зарождения и развитие микротрещин в деталях машин при циклическом нагружении и разгружении, а также влияние технологии изготовления ее их развитие.

Методика исследования. В работе использованы теории множеств и графов, законы изменения напряженного состояния деталей согласно принципу виртуальных перемещений от внешних и внутренних сил, элементы теории оптимизации, метод стендовых ресурсных испытаний лабораторных образцов и деталей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель долговечности деталей машин, включающая физические процессы при нерегулярном нагружении с учетом концентраторов напряжений.

2. Уточнен энергетический метод определения долговечности деталей по изменению площади петли гистерезиса при нерегулярном циклическом нагружении.

3. Впервые проведено комплексное исследование критерия оптимальности при выборе материала — отношения стоимости изготовления к долговечности, сформирована система ограничений по механическим и энергетическим его свойствам на стадии проектирования.

4. Предложен способ повышения ресурса деталей на стадии изготовления путем технологического воздействием после проведения циклического на-гружения и разработана методика прогнозирования.

Практическая ценность. Результаты оптимального выбора материала с учетом ограничений по механическим и энергетическим свойствам на стадии проектирования используются в НПФ «Элекс» г. Ульяновск, разработанные пакеты программ расчета площади петли гистерезиса и энергозатрат деталей при нерегулярном нагружении используются в опытно-конструкторской практике ОАО «Ульяновский авторемонтный завод», ОАО «РЕДУКТОР», г. Барыш Ульяновской области. Предложенный способ повышения ресурса деталей на стадии изготовления путем технологического воздействия после проведения циклического нагружения детали используется в ЗАО «Ремсель-маш». Результаты работы также могут быть использованы при разработке конструктивных и технологических мер повышения эксплуатационной надежности элементов конструкции машин на стадии изготовления, при создании промышленных и лабораторных установок, позволяющих проводить ресурсные испытания деталей и лабораторных образцов при нерегулярном режиме нагружении.

Достоверность результатов обеспечивается:

— применением в процессе вывода расчетных зависимостей фундаментальных физических и математических понятий и методов;

— корректными измерениями с использованием высокоточных приборов;

— экспериментально проверенными положениями диссертации.

В первой главе рассмотрен анализ закономерностей усталостных повреждений металлов с точки зрения кинетической теории. Анализ процессов усталости деталей показал, что у всех деталей период до появления микротрещин различен. Был проведен поиск обобщенных критериев усталостных повреждений, на базе которых были разработаны основы кинетической теории механической усталости машин. Приведены основные предпосылки расчета усталости деталей машин, а также влияние концентраторов напряжений на развитие усталостных трещин. Рассмотрен энергетический метод исследования сопротивляемости материала, основным недостатком которого является ограниченность информации о появлении микротрещин и скорости их роста при нерегулярном нагружении, а также особенности использования статической и динамической петли гистерезиса. Освещены существующие методы исследования внутреннего трения металлов и основные его характеристики.

Во второй главе выполнено теоретическое исследование усталостных повреждений деталей машин, дана обобщенная оценка различных этапов испытаний деталей машин в вероятностном аспекте с учетом напряженного состояния рассматриваемой точки, которое описано тензором напряжений.

Линейная теория упругости материалов позволила решить задачу, используя принцип суперпозиции путем разложения произвольного циклического режима нагружения в бесконечную сумму гармонических режимовряд Фурье. Приведена математическая модель оптимизации на стадии проектирования, включающая критерий оптимальности, ограничения и граничные условия. Рассмотрен вопрос прогнозирования ресурса деталей машин с учетом степени повреждаемости деталей. Описан системный метод расчета деталей машин с концентраторами напряжений, влияющими на ресурс детали. Взаимные связи между различными концентраторами представлены в виде обобщенной модели, состоящей из отдельных вершин. Связи между вершинами графа рассмотрены как отдельные суграфы. Операторы связи вершин представлены в простейших случаях неравенствами и алгебраическими уравнениями с учетом случайных нагрузок.

В третьей главе дана методика экспериментальных исследований. Описана последовательность подготовки объектов к испытаниям на усталостную прочность при нерегулярном режиме нагруженная. Дана методика для нерегулярного нагружения деталей с возможностью замера площади петли гистерезиса на гидропульсаторе с программным комплексом «БРАС» и специальной усталостной машине, для которой были изготовлены приспособления для внецентрового нагружения и устройство для определения петли гистерезиса деталей червячного редуктора при циклическом нагружении. Изложено описание измерительной аппаратуры для измерения виброускорений с электрическими преобразователями, обеспечивающими автоматическую обработку результатов измерения с получением на выходе среднеквадратических значений виброускорений в октавных полосах частот, которые использованы при выборе режимов нагружения в лабораторных условиях.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования объектов с различными механическими свойствами. Показаны изменения площади петли гистерезиса в зависимости от количества циклов нагружения. Усталостные испытания позволили получить закономерности распространения микротрещин, определить начало появления структурных изменений и влияние концентраторов напряжений и различных видов обработки на ресурс исследуемых объектов.

Основные положения, выносимые на защиту.

Практическая ценность работы заключается в повышении ресурса деталей машин с учетом концентрации напряжений, а также в разработке конструктивных и технологических мер, повышении эксплуатационной надежности элементов конструкции машин на стадии изготовления, создании лабораторных установок, позволяющие проводить ресурсные испытания лабораторных образцов и деталей при нерегулярном режимах нагружения, методике прогнозирования ресурса деталей в условиях нерегулярного нагружения.

Реализация и внедрение результатов. Результаты исследований внедрены на ОАО «Ульяновский авторемонтный завод», ОАО «РЕДУКТОР» г. Барыш Ульяновской области, НПФ «Элекс» г. Ульяновск, ЗАО «Ремсель-маш».

Апробация работы. Содержание работы докладывалось и обсуждалось на следующих конференциях:

Международных: Международная НТК «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов», г. Могилев, 2004 г.- Международн. НТК, «Повышение эффективности проектирования, испытан, и эксплуатации двиг., автом., вездеходных, спец. строит, и дорожн. машин», г. Н. Новгород, 1994 г.- НГТУ, на международн. НТК «Молодая наука — новому тысячелетию», КамПИ г. Набережн. Челны, 1996 г.- Международная НТК «Точность и надежность технологических и транспортных систем», г. Пенза, 1999 г.- международн. НТК МАМИ, г. Москва, 1999 г.- IX Международная НТК, «Современные тенденции развития транспорта, маши-но-строения и материалов», г. Пенза, 2004 г.- 2 межд. конф. «Автомобили и техносфера» г. Казань, 2001 г.- 1 международн. конф. Центр Академии транспорта, УлГТУ, г. Ульяновск, 1999 г.- Международная НТК, Академия транспорта РФ, «Точность технолог, и транспортных систем», Пенза, 1998 г.

Российских: НТК, г. С. — Петербург, 1996 г.- НТК «Динамика и прочность исполнительных механизмов» г. Астрахань, 2002 г.- Республиканская НТК, «Проблемы качества и надежности машин», г. Могилев. 1994 г.- Всероссийская НТК «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», г. Тольятти, 2004 г.

Результаты неоднократно докладывались на конференциях Ульяновского Государственного Технического Университета: 29 конференция, УлГТУ, 1995 г, 28 конференция. УлГТУ, и другие.

Личный вклад автора в работу. Автором разработаны математические модели оптимального выбора материала и прогнозирования долговечности деталей на основе анализа петель гистерезиса, методы экспериментального исследования, учтены влияния различных видов концентраторов напряжений на ресурс. Разработана и внедрена технология повышения долговечности деталей машин на стадии изготовления.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 34 работы включая два патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 166 страниц машинописного текста, в том числе 19 таблиц, 49 рисунков, списка литературы и приложений.

Список литературы

включает 101 наименовани. В приложении представлены 4 акта о внедрении результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

В представленной диссертационной работе рассмотрена возможность применения свойств изменения петель гистерезиса для определения долговечности деталей машин при оптимальном проектировании. Обоснована математическая модель усталостных испытаний деталей с различными концентраторами напряжений при нерегулярном нагружении, по результатам которых можно сделать следующие выводы:

1 На основе анализа усталостных повреждений деталей с различными концентраторами напряжений и механическими свойствами материала, установлена пропорциональная связь между площадью петли гистерезиса и энергозатратами при различных режимах нагружения.

2. Использование петли гистерезиса позволило выявить начало зарождения микротрещин, скорость их роста при нерегулярном нагружении ат 0,2.0.8) по углу наклона кривой энергозатрат от количества циклов нагружения, по характеру изменения которого можно производить прогнозирование ресурса деталей.

3. Выполненные теоретические исследования усталостных повреждений деталей машин представлены в вероятностном аспекте с учетом напряженного состояния. Описан системный подход к анализу взаимосвязей деталей машин с концентраторами напряжений в виде обобщенной математической модели, со случайными нагрузками.

4. Результаты экспериментальных исследований образцов из незакаленной стали 45 при нагрузке 0.8о-т показали уменьшение площади петли гистерезиса при 10-Ю3 .12-Ю3 циклов нагружения, при этом поверхностная твердость увеличивается в 3,2 разапри последующем увеличении числа циклов нагружения происходит постепенное возрастание площади и асимтотическое снижение поверхностной твердости до первоначального значения, а при угле наклона графика до 70°.75°, происходит разрушение материала,.

При ступенчатом режиме нагружения с амплитудами 0,6[т]- 0,4[т]- 0,2[т] удельное значение энергозатрат на деформацию снижается в 13,9 раза для стали 40Х. Угол наклона графика изменения площади петли гистерезиса стали 45 при кручении до появления микротрещины при 0,2[г] составил 0,0024- при 0,4[т] - 0,0047 и 0,6[т] - 0,006 рад/цикл, а для стали 40Х при 0,2[т] составил 0,0012, 0,0027 и 0,0032 рад/цикл соответственно.

5. Разработана математическая модель оптимального выбора материала при проектировании деталей (на примере первичного вала-коробки передач и лебедки автомобиля УАЗ). Критерий оптимальности — оптимум отношения стоимости изготовления к ресурсу. В качестве ограничений рассматривались как механические, так и энергетические характеристики материала.

6. Разработана методика экспериментальных исследований на усталостную прочность при нерегулярном режиме нагружения деталей с возможностью замера площади петли гистерезиса на гидропульсаторе с программным комплексом и на специальной усталостной машине, для которой были изготовлены приспособления для внецентрового нагружения и устройство для определения петли гистерезиса изделий при циклическом нагружении. (а.с. «Установка для испытаний материалов на усталость» № 5 013 512/28).

7. Сформулированы рекомендации по повышению ресурса деталей на стадии изготовления, (включающей термомеханическую и химикотермиче-скую обработку), отличающиеся от традиционных способов тем, что вначале осуществляется нагружение заготовки знакопеременными напряжениями (с заранее определенными частотами, числом циклов нагружения) до точки перелома графика энергозатрат с последующим термомеханическим или химико-термическим воздействием, что повышает циклическую прочность деталей в 1,5.1,8 раза.

8. Предложена методика прогнозирования ресурса деталей в условиях нерегулярного нагружения. Оценка вероятности разрушения определена с доверительной вероятностью 0,9.

Результаты исследований внедрены в производство новых изделий, а также внесены изменения в технологию их изготовления в ряде машиностроительных предприятий:

— проведены опытно-промышленные испытания червячного редуктора автомобильной лебедки «СПРУТ» в условиях действующего предприятия ОАО «Ульяновский авторемонтный завод», годовой экономический эффект при этом составил на 100 лебедок 2 тыс. рублей;

— применение силоизмерительного устройства для испытания червячных редукторов типа 1Ч-63А, 54−100, 54−125 и 14−160 в ОАО «РЕДУКТОР» г. Барыш Ульяновской области обеспечило повышение их ресурса в 1,2. 1,4 раза.

Внедрение системы АСП «Ресурс» и методики оптимального выбора технологических методов повышения эксплуатационных свойств деталей машин на стадиях проектирования и изготовления при запуске в производство изделий:

— «РИТ», «РИТ-В» в НПФ «Элекс» позволило получить годовой экономический эффект в сумме 320 тыс. руб./год;

— при оценке ресурса коленчатых валов в ЗАО «Ремсельмаш» экономический эффект составил на 100 деталей 4 тыс. руб.

Таким образом, поставленные в данной работе задачи решены и цели достигнуты.