CC BY
43
4. Игнатов С. Д., Шерстнев Н. С. Блок-схема рабочего процесса дорожной фрезы // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2017. № 3. С. 120-124.
5. Щербаков В. С., Сухарев Р. Ю. Совершенствование системы управления рабочим органом цепного траншейного экскаватора: моногр. Омск: СибАДИ, 2011. 149 с.
6. Fasiuddin S. N. Q. Design and manufacturing of Automobile testing track sweeping machine // Proceedings of the International Conference on Industrial Engineering and Operations Management 8-10 March 2016. Р. 14-98.
7. Корчагин П. А. Математическая модель динамической системы // Вестник СибАДИ. 2013. № 4. С. 91-95.
8. Корчагин П. А., Тетерина И. А. Математическая модель сложной динамической системы «возмущающие воздействия - машина - оператор» // Вестник СибАДИ. 2015. № 5. С. 118-123.
9. Yang Q. L., Zhou Y., Ying K. M., Li R. B., Wang X. Study on Cleaning Performanct of Small Road Sweeper Vehicle // Proceedings of the 2018 3rd international conference on electrical, autovanion and mechanical engineering. 2018. Vol. 127. P. 194-198.
10. Jeon J., Jung B., Koo J.C. Pintado A., Oh P. Autonomous robotic street sweeping: Initial attempt for curbside sweeping // IEEE International Conference on Consumer Electronics. January 2017. P. 72-73. DOI: 10.1109/ICCE.2017.78892342017.
11. Wang C., Sun Q, Wahab M.A., Zhang X., Xu L. Regression modeling and prediction of road sweeping brush load characteristics from finite element analysis and experimental results // Waste Management. 2015. Vol. 43. P. 1927. DOI: 10.1016/j.wasman.2015.06.027.
12. Xue C., Hu Y. The main cleaning system design of garbage sweeper // Advanced Materials Research. 2014. Vol. 272. P. 257-260.
13. Zhengdong Z., Biwen L., Huihuang L., Feng Z. Simulation Analysis of Rolling Brush Performance of Towed Road Sweeper Based on ADAMS // Modeling and Simulation. 2018. Vol. 07. P. 183-190.
УДК 539.421.3
КИНЕТИКА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В ЛОПАСТЯХ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА МИ-171 KINETICS OF FATIGUE CRACKS IN THE ROTOR BLADES OF THE MI-171 HELICOPTER
В. Ю. Курохтин
ФГБОУ ВО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления»,
г. Улан-Удэ, Россия
V. Yu. Kurokhtin
FSBEI HE "East Siberia State University of Technology and Management", Ulan-Ude, Russia
Аннотация. Лопасти несущего винта вертолета эксплуатируются по принципу обеспечения работоспособности в пределах назначенного ресурса, который составляет 2000 летных часов, после чего они подлежат списанию. Однако к концу этого периода в лопасти, как правило, не успевают развиться усталостные повреждения, поэтому она может эксплуатироваться и дальше. Таким образом, исследование процесса зарождения и развития усталостных трещин в лопастях позволит определить срок, на протяжении которого наличие трещин не угрожает работоспособности конструкции. Это позволит внести предложения по возможному увеличению назначенного ресурса лопасти, что, в свою очередь, приведет к экономии денежных средств. Целью работы является изучение процесса развития трещин усталости в лопастях винта вертолета для выдвижения рекомендаций по возможному увеличению их назначенного ресурса. Задачи исследования: разработка методики натурных испытаний лопастей; определение их предела выносливости; разработка методики обработки результатов натурных испытаний (видеозаписей роста усталостных трещин); оценка возможности продления назначенного ресурса лопастей. В качестве методов исследования были использованы экспериментальные методы механики разрушения; статистические методы обработки данных, полученных в ходе экспериментов. В результате выявлено, что появление и развитие поверхностных трещин в лопастях при базе испытаний N = 1,6 • 107 циклов начинается после превышения напряжениями уровня 76,94 МПа. Усталостная трещина в лопастях развивается до разрушения в течение 150...170 часов, при этом докритическое развитие трещины продолжается 130...150 часов. Период стабильного медленного развития трещин может быть предложен к включению в назначенный ресурс лопасти.
Ключевые слова: усталостная трещина, предел выносливости, ресурс, лопасть винта вертолета
DOI: 10.25206/2310-9793-7-1-116-122
I. Введение
Большинство деталей машин в процессе работы подвергается воздействию переменных во времени напряжений. Если уровень этих напряжений превышает определенный предел, то в материале начинают образовываться и накапливаться микроповреждения, приводящие к возникновению субмикроскопических трещин. Эти трещины постепенно подрастают и сливаются, образуя макроскопическую трещину длиной от 0,1 до 0,5 мм. Напряжения концентрируются у фронта трещины, что облегчает ее дальнейшее развитие. Развитие трещины постепенно ослабляет сечение детали, что приводит к ее внезапному разрушению, что может быть связано с авариями и тяжелыми последствиями. В работах [1, 2] были определены зависимости, которые связывают рост длины трещины за один цикл либо со значением номинального напряжения, либо с коэффициентом интенсивности напряжений.
Исследование особенностей кинетического поведения трещин послужило основой работ таких ученых, как А. А. Гриффитс [3], М. П. Внук [4], Г. Р. Ирвин [5], Е. Орован [6], Д. Р. Райс [7], М. Я. Леонов [8], Н. Ф. Морозов [9], Г. П. Черепанов [10], Н. А. Махутов [11], Е. М. Морозов [12], В. Т. Трощенко [13] и других; исследование развития трещин в лопастях винтов вертолетов проводилось в работе А. А. Шанявского [14] на основе испытания образцов. На сегодняшний день научных работ, посвященных исследованию кинетики трещин и основанных на натурных испытаниях деталей машин, недостаточно. В данной работе представлено такое исследование на примере лопасти несущего винта вертолета Ми-171, проведенное на основе натурных испытаний лонжеронов указанных лопастей.
II. Постановка задачи
Существуют три основных принципа обеспечения надежности конструкций, работающих при циклических нагрузках:
1) принцип обеспечения работоспособности в пределах назначенного ресурса;
2) принцип обеспечения эксплуатационной живучести;
3) принцип эксплуатации по техническому состоянию.
Лопасти несущего винта вертолета эксплуатируются по первому принципу. Их назначенный ресурс составляет 2000 летных часов, после чего они подлежат списанию. Однако к концу этого периода в лопасти, как правило, не успевают развиться усталостные повреждения, поэтому она может эксплуатироваться и дальше. Таким образом, исследование процесса зарождения и развития усталостных трещин в лопастях позволит определить срок, на протяжении которого наличие трещин не угрожает работоспособности конструкции. Это позволит внести предложения по возможному увеличению назначенного ресурса лопасти, что, в свою очередь, приведет к экономии денежных средств. Таким образом, задачей работы является изучение процесса развития трещин усталости в лопастях винта вертолета для выдвижения рекомендаций по возможному увеличению их назначенного ресурса.
III. Результаты экспериментов
Объектом исследования является лопасть несущего винта вертолета Ми-171 (8АТ-2710-00) (рис. 1, 2).
Рис. 1. Лопасти винта вертолета Ми-171
Рис. 2. Конструктивное устройство лопасти винта вертолета Ми-171: 1 - наконечник лопасти, 2 - лонжерон, 3 - хвостовые отсеки, 4 - противообледенительная система, 5 - триммеры, 6 - законцовка, 7 - сигнализатор давления, 8 - швартовочный узел, 1-22 - нервюры
Основной силовой элемент лопасти - лонжерон - выполнен из алюминиевого сплава АВТ-1, механические характеристики которого приведены в таблице 1 [15].
Испытания лопасти проводились на специально разработанном стенде (рис. 3).
ТАБЛИЦА 1
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА АВТ-1
E, МПа Ов, МПа от, МПа 05, % V, % тср, МПа HB, МПа
69627 294 225 10 20 206 65
В таблице 1 использованы следующие обозначения: Е - модуль упругости; ав - временное сопротивление (предел прочности); ат - предел текучести; д5 -удлинение в момент разрыва; у - сужение в момент разрыва; тср - напряжение среза; НВ - твердость по Бринеллю.
Рис. 3. Разработанный экспериментальный стенд для динамических испытаний: 1 - узел натяжения, 2, 3 - кронштейны, 4 - образец, 5 - возбудитель, 6 - опора подвижная, 7 - опора неподвижная, 8 - гидроцилиндр, 9 - тросовая пелена; Р - растягивающее усилие, Т - толкающее усилие, М - изгибающий момент
Схема контрольно-измерительной системы, использующейся при испытаниях, изображена на рисунке 4.
кабели
Верхний уровень Ethernet Промышленный
МФУ ИБП ПК контроллер
Тензодатчики
Лопасть
Стенд
Нижний уровень
Рис. 4. Схема контрольно-измерительной системы: МФУ - многофункциональное устройство, ИБП - источник бесперебойного питания, ПК - персональный компьютер
Трещины в лопасти наиболее часто возникают в интервале ее относительных радиусов К = 0,5... 0,7
(отсеки 11___14) (рис. 5а). Как правило, они зарождаются на нижнем радиусе задней стенки, нижней внутренней
и верхней внутренней поверхностях лонжерона (позиции 1, 2 и 3 на рис. 5б).
Рис. 5. Места возникновения трещин: а) схема лопасти (1-22 - границы отсеков); б) поперечное сечение лонжерона
Значения характеристик усталостной прочности могут быть получены либо путем построения кривой усталости (Веллера) по испытаниям до 10 образцов, либо путем построения полной вероятностной диаграммы усталости по испытаниям от 50 до 100 образцов.
Кривая усталости (Веллера) построена по испытаниям 8 образцов при симметричном цикле изменения напряжений (Я = — 1) и базе испытаний Ыб = 5.1-107 циклов (Мб = 7.71) в двойных логарифмических координатах ^ сттх — ^ N (рис. 6). Соответствующий предел выносливости а_г составил 56 МПа. Аппроксимация опытных данных выполнена методом наименьших квадратов.
Уравнение левого участка кривой Веллера, соответствующего образцам 1.. .4, имеет вид:
N = 5.272-1016 атах"5155, где атах - максимальное напряжение, МПа; N - число циклов до разрушения.
, 2.05 ->
1.95 1,9 1.85 1.8 1.75 1.7
Рис. 6. Кривая Веллера для лопасти винта вертолета Ми-171 Правая часть (образцы 5.8) описывается уравнением
^ атах = 0.151-& N — 2.328 -^ N +10.746 .
Для построения полных вероятностных диаграмм усталости проведены испытания 58 лопастей на 4 уровнях напряжений: 100±2, 85±1.7, 75±1.5 и 55±1.1 МПа. Для определения среднего значения и среднеквадра-тического отклонения предела выносливости при базе испытаний N = 1.6 107 циклов по методике, изложенной в [16], были построены семейство кривых распределения долговечности (рис. 7а); семейство кривых усталости (рис. 7б); кривая распределения предела выносливости (рис. 8). Буква Q на рисуснках 7а, 8 обозначает вероятность разрушения (накопленную частоту).
Для определения среднего предела выносливости интервал между его экстремальными значениями (68.80 МПа) делился на 6 равных участков по 2 МПа и проводились вычисления по формулам:
_ I
а— 1 1),;
1=1
а 1 ¿а '((а—!) — а1 )2 ,
где а— 1 - среднее значение предела выносливости,
^ - среднеквадратическое отклонение предела выносливости,
(а— х) - значение предела выносливости в середине интервала,
I - число интервалов,
- приращение вероятности внутри одного интервала.
-1
2
» 3
4 ' 5
6
7 8
6.4 6.6 6.8 7 7,2 7,4 7,6 7,8
кЛГ
а)
б)
Рис. 7. а) семейство кривых распределения долговечности: 1 - сттах = 100 МПа, 2 - сттах = 85 МПа, 3 -о"тах = 75 МПа, 4 - сттах = 55 МПа; б) семейство кривых усталости: 1 - Q = 1 %, 2 - Q = 10 %, 3 - Q = 30 %, 4 -
0 = 50 %, 5 - 0 = 70 %, 6 - 0 = 90 %, 7 - 0 = 99 %
Рис. 8. Кривая распределения предела выносливости при базе испытаний N = 1.6 107 циклов
Получены следующие значения: а_1 = 76.94 МПа; Ба = 2.32 МПа; развитие трещин в лопастях начинается при выполнении условия а > а_1 .
Развитие трещин в образцах лопастей снималось на видеокамеру (рис. 9, трещина показана стрелкой).
Рис. 9. Кадры из видеозаписи роста трещины
Далее полученная запись обрабатывалась на компьютере при помощи специально созданного программного обеспечения. Каждый кадр видео проходил бинаризацию, после чего на его основе создавалась бинарная матрица, подвергавшаяся поэлементной обработке. По итогам обработки всех кадров записи строится кинетический график развития трещины (рис. 10).
Рис. 10. Кинетический график развития трещины (по горизонтали - время роста трещины, ч; по вертикали - скорость роста трещины, мм/ч)
После трассировки графиков в пакете ЫМкеай полученные данные интерполируются кубическим полиномом, описывающим зависимость скорости роста трещины (мм/ч) от времени ее роста (ч) (рис. 11):
Vдлина = 8 386-10"7 ^ -1364-10"4 ^ + 5.722 '10+ 0.255.
(1)
На рисунке 11 представлен график зависимости скорости роста трещины от времени ее развития, из которого видно, что быстрое развитие начинается после 140 часов роста трещины.
V, мм/ч 2,5
2 1,5 1
0,5 0
У
— _»—
20 40 60 8 0 1С Ю 120 и Ю 160 180 2 эо
I, ч
Рис. 11. График зависимости скорости роста трещины от времени ее развития
Критическая длина трещины определяется путем интегрирования полинома (1) по времени с верхней границей в 140 часов; получаем значение 47,5 мм. В ходе экспериментов было отмечено, что быстрый рост трещины начинается при ее длине 45.50 мм.
IV. Обсуждение результатов Научные результаты, полученные в ходе исследования.
1. Предел выносливости лонжеронов лопастей несущего винта вертолета Ми-171 составляет 56 МПа при базе испытаний N = 5.1 • 107 циклов (методика построения кривой Веллера), 76,94 МПа при базе испытаний N = 1.6 • 107 циклов (методика построения кривой распределения предела выносливости).
2. Среднее время докритического роста усталостной трещины в лонжеронах лопастей составляет 130.. .150 часов, закритического - 10...20 часов; средняя скорость роста трещины - соответственно 0,.5 мм/ч и 2,5 мм/ч. Критическая длина трещины составляет 45.50 мм.
Полученные результаты имеют достаточную сходимость с исследованиями А. А. Шанявского, который указывает, что наиболее нагруженным участком лопасти является ее интервал на относительных радиусах 0.55.0.7, а также, что докритическая скорость развития трещины в образцах составляет в среднем 1,4 10-8 м/цикл, что равняется 0,151 мм/ч [14].
V. Выводы и заключение
Период докритического развития усталостных трещин (130.150 часов) может быть рекомендован к включению в назначенный ресурс лопасти несущего винта вертолета, так как разрушений в этот период времени не наблюдается. Таким образом, возможное увеличение назначенного ресурса лопасти составляет 5.10 % от существующего значения в 2000 часов. Потенциальная денежная экономия от увеличения назначенного ресурса составит 77 005 рублей за 2000 часов эксплуатации лопасти, что составляет 6,97 % от ее стоимости. Результаты работы применены на ЗАО «Улан-Удэнский лопастной завод», внедрены в учебный процесс кафедры «Сопротивление материалов» ФГБОУ ВО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления».
Источник финансирования. Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке госзадания Минобрнауки России, проект № 9.11221.2018/11.12.
Научный руководитель - доктор технических наук Рогов Виталий Евдокимович, старший научный сотрудник лаборатории химии полимеров федерального государственного бюджетного учреждения науки «Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук».
Автор благодарит д. т. н., проф. Бохоеву Любовь Александровну, заведующего кафедрой «Сопротивление материалов» ФГБОУ ВО ВСГУТУ и к. т. н. Пнёва Андрея Григорьевича, генерального директора ЗАО «Улан-Удэнский лопастной завод» за оказанные помощь и содействие в проведении данного исследования.
Список литературы
1. Вуд У. А. Некоторые результаты исследования природы усталости металлов // Усталость и выносливость металлов. М.: Иностранная литература, 1963. С. 61-81.
2. Кручинин В. В., Сафронов Ю. Д. Изучение скорости распространения усталостных трещин по замерам прогиба образца // Прочность металлов при циклических нагрузках. М.: Наука, 1967. С. 107-113.
3. Griffith A. A. The phenomena of rupture and flow in solids // Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series A, containing papers of a mathematical or physical character. 1921. Vol. 221. P. 163-198.
4. Wnuk M. P. Nonlinear fracture mechanics. Vienna: Springer Vienna, 1990. 451 p.
5. Irwin G. R. Analysis of stresses and strains near the end of a crack traversing a plate // Journal of Applied Mechanics. 1957. No. 24. P. 361-364.
6. Orowan E. Metallurgical and materials transactions. Berlin: Springer-Verlag, 1985. 315 p.
7. Rice J. R., Sih G. C. Plane problems of cracks in dissimilar materials // Journal of Applied Mechanics. 1965. Vol. 32. P. 418-423.
8. Леонов М. Я. Механика деформаций и разрушения. Фрунзе: Илим, 1981. 236 с.
9. Морозов Н. Ф. Математические вопросы теории трещин. М.: Наука, 1984. 255 с.
10. Черепанов Г. П., Ершов Л. В. Механика разрушения. М.: Машиностроение, 1977. 224 с.
11. Махутов Н. А. Механика малоциклового разрушения. М.: Наука, 1986. 264 с.
12. Морозов Е. М., Зернин М. В. Контактные задачи механики разрушения. М.: Машиноведение, 1999.
543 с.
13. Трощенко В. Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. Киев: На-укова думка, 1981. 343 с.
14. Шанявский А. А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций: синергетика в инженерных приложениях. Уфа: Монография, 2003. 802 с.
15. Квасов Ф. И., Фридляндер И. Н. Промышленные деформируемые, спеченные и литейные алюминиевые сплавы. М.: Металлургия, 1972. 551 с.
16. ГОСТ 25.502-79. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. Введ. 1981-01-01. М.: Стандартинформ, 2005. 25 с.
