CC BY
86
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБЪЕКТОВ ТРАНСПОРТА
УДК 621.436 О. К. Безюков,
д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;
Н. Б. Ганин,
канд. техн. наук, доцент, СПГУВК;
П. А. Комаров,
аспирант,
СПГУВК
МЕТОД ВЫЯВЛЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В ДЕТАЛЯХ СУДОВЫХ ДВС ПРИ ОТСУТСТВИИ СВЕДЕНИЙ ОБ ИХ МЕСТОНАХОЖДЕНИИ
METHOD OF DETECTION OF FATIGUE CRACKS IN THE DETAILS OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE IN THE ABSENCE OF INFORMATION ABOUT
THEIR WHEREABOUTS
Суть нового метода выявления усталостных трещин состоит в выявлении локальных границ концентраторов напряжения 3D модели детали судового дизеля с помощью метода конечных элементов и измерения ширины усталостной трещины с помощью цифрового микроскопа в локальных границах концентратора напряжений.
The essence of the new method of detection offatigue cracks is to identify local borders of stress raisers in 3D part model of a ship diesel engine with the help of the finite element method and width measurement offatigue crack using a digital microscope in the local borders of hub stress.
Ключевые слова: усталостные трещины, напряжение, судовой дизель, метод конечных элементов, цифровой микроскоп.
Key words: fatigue cracks, stress, ship diesel engine, finite element method, digital microscope.
СВОЕВРЕМЕННОЕ выявление усталостных трещин в деталях судовых ДВС на стадии их формирования является актуальной задачей. Особенно при отсутствии предварительных сведений об их местонахождении. Точное знание местонахождения усталостной трещины позволит уменьшить время ее нахождения, а зная ширину и длину трещины, можно ориентировочно оценить остаточный ресурс детали судовых ДВС при его ремонте и предупредить вероятную поломку. Безусловно, создание условий, затрудняющих образование усталостных трещин, лучше всего осуществлять на начальной стадии проектирования детали, используя принцип ее равнопрочности.
Усталостное разрушение обычно происходит при знакопеременных нагрузках, производящих поначалу малозаметный эффект, когда ширина трещины не превышает 2 мкм. Этого недостаточно для того, чтобы они были заметны визуально, особенно в труднодоступных местах, даже при помощи лупы. Далее усталостные трещины прогрессируют и развиваются под воздействием растягивающих и сжимающих напряжений. В результате на поверхности детали в локальных зонах концентраторов напряжения появляются пластические деформации, которые при циклической работе двигателя могут стать причиной увеличения усталостных трещин, заметных уже невооруженным взглядом. При этом восстановление детали потребует значительно большей трудоемкости.
Выпуск 2
Выпуск 2
Метод выявления усталостных трещин показан на примере поршня судового дизеля Г-70 (6 ЧН36/45). При разработке этого метода последовательно решались две задачи:
1. Выявление локальных границ концентраторов напряжения, вероятной зоны появления усталостных трещин, с помощью метода конечных элементов.
2. Выбор средств измерения ширины усталостной трещины.
Знание локальных границ местонахождения усталостных трещин позволит не только снизить время их нахождения, но и автоматизировать этот процесс в дальнейшем.
Выявление локальных границ концентраторов напряжения поршня дизеля Г-70 с учетом температурных напряжений целесообразно с помощью метода конечных элементов (МКЭ). Для этих целей по чертежам поршня создана его объемная (3D) модель в среде Solid Works рис. 1.
Рис. 1. Объемная модель поршня судового дизеля 6ЧН36/45
Полученную 3Э модель необходимо разбить на конечные элементы, размеры которых должны удовлетворять общеизвестному правилу МКЭ, а именно результатам расчетов можно доверять, если в наиболее узкой части детали умещаются от 3 до 5 конечных элементов. В данном поршне «узкими» размерами являются перемычки между канавками под поршневые кольца и наименьшая толщина стенки поршня, которые равны 10 мм. Следовательно, величина конечного элемента не должна превышать 3,3 мм.
Разбивка 3Э модели на конечные элементы длиной 3,3 мм изображена на рис. 2.
О
Рис. 2. Разбивка 30 модели на конечные элементы В результате генерации сетки образовалось свыше 3 млн конечных элементов.
В качестве нагрузки использовалось максимальное давление сгорания на днище поршня 8 МПа. Опорой служили цилиндрические грани бобышки. Материал поршня — серый чугун СЧ 24-44.
Результаты расчетов напряжений показаны на рис. 3, а и деформаций при увеличении в 500 раз на рис. 3, б.
а б
Рис. 3. Результаты расчетов напряжений
Из рис. 3, б видно, что вздутие тонкой стенки поршня (10 мм) свидетельствует о локальной зоне концентрации напряжений на внутренней стороне поршня (286 МПа). В этом месте, вероятнее всего, и следует искать усталостные трещины. Для наглядности карту локальных зон концентрации напряжений из рис. 4 сведем в табл. 1.
««
Рис. 4. Карта локальных зон концентрации напряжений
Выпуск 2
Выпуск 2
Таблица 1
Локальные зоны концентрации напряжений поршня дизеля типа Г-70
Расположение позиций Напряжение, МПа
Макс. Мин. Среднее квадратич.
1 20.5 11.6 14.4
2 21.6 7.4 15.0
3 34.1 13.6 23.4
4 100.0 60.0 82.0
5 11.9 9.4 10.6
6 12.8 7.4 10.1
7 9.0 4.4 7.0
8 6.9 1.2 4.7
9 9.6 0.08 4.8
10 27.4 0.1 14
11 286.0 25 71.5
12 87.4 0.15 24
13 231 2.9 48.7
14 157 28 119.5
15 328.0 36.0 64.7
16 283.0 15.0 85.6
17 119.0 0.2 14.0
18 69.0 3.7 11.5
19 37.0 0.02 6.2
20 37.0 5.4 14.4
21 11.2 0.15 3.5
22 6.4 0.6 3.8
23 18.5 0.2 5.5
Наиболее вероятное образование усталостных трещин и даже разрыв поршня на две части возможен в поперечной плоскости поршня, отстоящей от днища на расстоянии 217±10 мм, где происходит концентрация напряжений в тонкой стенке (286 МПа, поз. 11), и в основании ребер жесткости (328 и 283 МПа соответственно поз. 15 и 16).
Вторая задача реализации метода выявления усталостных трещин состоит в выборе средств измерения ширины усталостной трещины. Применяемые визуальные методы выявления пригодны лишь для обнаружения относительно больших усталостных трещин шириной более 0,1 мм, и потому визуально видимых. Поэтому в качестве средств измерения ширины усталостной трещины выбран переносной цифровой микроскоп с увеличением Ч200. Для этих целей подходит мобильный цифровой микроскоп Бто-Ьйе, имеющий следующие характеристики:
— оптическое увеличение от 50Ч до 200Ч, с возможностью цифрового увеличения до 330Ч;
— разрешение матрицы 1280Ч1024 точек;
— формат изображения: JPG, BMP;
— интерфейс: USB 2.0;
— частота видеосъемки и формат: 30 кадров в секунду, AVI;
— габаритные размеры 100*30 мм;
— длина соединительного кабеля с компьютером
1,8 м;
— вес микроскопа 90 г.
Внешний вид этого цифрового микроскопа показан на рис. 5.
Вокруг объектива микроскопа расположены 8 светодиодов для подсветки объекта съемки с автоматическим и ручным контролем яркости и баланса цветов.
Для поиска усталостных трещин необходимо подключить микроскоп к портативному компьютеру и направить его в локальную зону концентрации напряжений. В данном случае нас интересует внутренняя сторона стенки поршня в районе поз. 11 (см. рис. 4), где максимальное напряжение составляет 286 МПа. Габаритные размеры микроскопа позволяют установить его в этом труднодоступном месте.
Схема установки микроскопа показана на рис. 6.
Рис. 5. Цифровой микроскоп
Рис. 6. Схема установки микроскопа
£5]
Осмотр зоны концентрации напряжений осуществляется на экране портативного компьютера. Регулирование степени увеличения и резкости осуществляется при помощи вращающегося цилиндра, расположенного в середине микроскопа.
При обнаружении усталостной трещины вручную производится ее фотосъемка — путем на-
Выпуск 2
Выпуск 2
жатия кнопки, расположенной на торцевой части микроскопа. Фотографии усталостных трещин хранятся в компьютере в количестве, соответствующем свободному объему жесткого диска. Образец фотографии усталостной трещины приведен на рис. 7.
Как видно из фотографии, ширина усталостной трещины переменна по длине и составляет в среднем от 3 до 10 мкм. Визуально заметить такую трещину практически невозможно.
Использование разработанного метода поиска усталостных трещин возможно в любых деталях судовых ДВС, как на наружных поверхностях, так и на внутренних полостях, превышающих габариты цифрового микроскопа.
1. Ганин Н. Б. Проектирование судовых двигателей внутреннего сгорания: учеб пособие / Н. Б. Ганин. — СПб.: СПГУВК, 2002. — 185 с.
2. Петинов С. В. Основы инженерных расчетов усталости судовых конструкций / С. В. Пети-нов. — Л.: Судостроение, 1990.
3. Панасюк В. В. Зарождение усталостных трещин у концентраторов напряжений / В. В. Па-насюк // ФХММ. — 1985. — № 6. — С. 3-10.
4. Волков В. М. Разрыхление металлов и разрушение конструкций машин. Надежность и ресурс в машиностроении / В. М. Волков // Вестник ВГАВТ. — Н. Новгород, 2004. — Вып. 4. —
Рис. 7. Фотография усталостной трещины
Список литературы
С. 50-69.
