Методика экспериментальных исследований волновых процессов при ударе по стержню, взаимодействующему с пластиной Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ

УДК 531.3: 536.66: 539.31 В. Э. ЕРЕМЬЯНЦ

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ УДАРЕ ПО СТЕРЖНЮ, ЗАИМОДЕЙСТВУЮЩЕМУ С ПЛАСТИНОЙ

Изложена методика экспериментальных исследований волновых процессов в ударной системе, состоящей из бойка, наносящего продольный удар по упругому стержню, опирающемуся на пластину. Методика основана на регистрации волн деформаций в стержне и пластине методом тензо-метрирования.

Ключевые слова: боёк, стержень, пластина, удар, волны деформации, эксперимент.

Одним из эффективных способов очистки внутренних поверхностей кузовов транспортных средств, труб, бункеров и других ёмкостей является виброударный способ, суть которого заключается в следующем. Боёк виброударной машины наносит удары по инструменту, опирающемуся на внешнюю поверхность обрабатываемого объекта. При ударе в инструменте генерируются волны деформации, которые, достигая обрабатываемой поверхности, приводят к её поперечным колебаниям. При этих колебаниях в слое отложений на внутренней поверхности обрабатываемого объекта возникают знакопеременные напряжения, приводящие к разрушению этого слоя и очистке поверхности.

Инструмент имеет вид стержня и выполняет роль волновода, по которому волны деформации, сформированные при ударе бойком, передаются к обрабатываемой поверхности. В реальных ударных машинах бойки могут иметь различную конфигурацию. Например, в коромы-словых ударных машинах, в пневматических отбойных молотках боёк имеет продольные размеры, соизмеримые с поперечными, и представляет собой достаточно жёсткое тело с податливой сферической ударной частью. В гидравлических отбойных молотках боёк представляет собой упругий стержень с плоскими торцами, продольные размеры которого как минимум в 10 раз больше поперечных размеров, а площадь поперечного сечения близка к площади поперечного сечения инструмента.

Для выбора рациональных параметров виброударных машин для очистки поверхностей необ-

© Еремьянц В. Э., 2010

ходимо знать взаимосвязь физических и геометрических характеристик элементов их ударной системы с характеристиками генерируемых в них волн деформаций. С этой целью в предшествующих работах [1,2] была решена задача определения параметров волн деформаций, генерируемых указанными выше типами бойков в стержне, опирающемся на пластину. Там же приведена и экспериментальная оценка достоверности принятых моделей, которая подтвердила их адекватность.

Однако в этих работах рассматривалось однократное воздействие на пластину начальной волны деформации, сформированной в стержне при ударе. В действительности начальная волна совершает многократные проходы по стержню, отражаясь от пластины и от свободного ударного торца стержня. При этом происходит многократное взаимодействие стержня с пластиной с разрывами и повторными образованиями контакта стержня с пластиной. Теоретическое описание этого процесса затруднительно из-за громоздкости получаемых формул и накопления

%

погрешностей, вызванных допущениями, принятыми при составлении математической модели. Это определило необходимость постановки экспериментальных исследований, позволяющих проследить волновые процессы в стержне и пластине до их полного затухания.

В работах [3, 4] представлены первые предварительные результаты таких исследований. В последующем эти исследования были существенно расширены с использованием бойков различных типов и пластин различной толщины. Ниже изложена методика проведения этих исследований.

Исследования поводились на кафедре «Механика» Кыргызско-Российского Славянского университета совместно с инженером А. А. Слеп-невым. Экспериментальный стенд представлял собой гравитационный копёр (рис. 1), в который вертикально устанавливался упругий стержень 1, опирающийся на пластину 2. Стержень фиксировался относительно рамы стенда 3 центрирующими втулками 4, 5.

Боёк <6, свободно падая внутри направляющей трубы 7, наносил удар по торцу стержня. Направляющая труба центрировалась относительно стержня и рамы стенда соответствующими втулками и планкой 8, установленной на натянутых вертикально струнах 9. Для исключения образования воздушной подушки под бойком при его падении, в направляющей трубе профрезерованы пазы, расположенные в шахматном порядке на диаметрально противоположных сторонах трубы. Подъём бойка осуществлялся с помощью шнура 10, перекинутого через блок 11. Скорость бойка в начальный момент удара изменялась за счёт различной высоты его подъёма. Стенд позволял проводить исследования ударных систем при изменении скорости бойка <эт 0 до 7 м/с. При

¿г ~ ~ " ^

пплпп поттип »мглгтати ю! шп/лп _

11ич/ду'11г!п иаирич/1 о шпла о па

чальный момент удара составляла 3,5 м/с.

Стержень представлял собой пруток из стали 40Х, с диаметром 28,1 мм и длиной 1135 мм. Длина стержня выбиралась из условия отсутствия наложения прямых и отражённых волн в его средней части. Торец волновода, опирающийся на пластину, имел сферическую форму с радиусом сферы 45 мм, а ударный торец стержня -

плоский. Концы стержня подвергались закалке до твёрдости 52-54 Н11С.

Пластины, используемые в экспериментах, имели размеры в плане 600x600 мм и толщины 9,8, 8 и 6 мм. Они либо свободно опирались на основание рамы стенда двумя противоположными краями, либо жёстко закреплялись вдоль краёв болтами. Два других края пластины были свободны. Материал пластин - сталь. Твёрдость поверхности пластин толщиной 6 и 9,8 мм составляла 124-128 НВ, а пластины толщиной 8 мм- 152-156 НВ.

В экспериментах использовались бойки двух типов. Боёк № 1 изготовлен из того же стального прутка, что и стержень. Он имел длину 388 мм, диаметр 28 мм и массу 1,875 кг. Такой боек характерен для гидравлических ударных машин.

Боёк № 2 выполнен из стали 45, имел длину 86 мм, диаметр 43 мм, радиус сферы ударного торца 55 мм и массу 1 кг. Такой тип бойка используется в пневматических ударных машинах, а в моделях к нему приводятся бойки коромы-словых ударных машин.

Бойки подвергались закалке, после которой твёрдость" ударного торца бойка № 1 составляла 52-54 НЯС, а бойка № 2 - 51-52 НЯС. '

Для регистрации продольных волн деформа-ций, возникающих в волноводе при ударе, использовались тензодатчики 2ПКБ-20-200 с базой 20 мм и номинальным сопротивлением 200 Ом. Датчики наклеивались на диаметрально противоположные стороны стержня на расстоянии 550 мм от его ударного торца и включались

Рис. 1. Экспериментальный стенд и схема включения тензорезисторов в измерительный мост

последовательно в одно плечо тензометричсско-го моста (рис. 1). Такое соединение датчиков позволяло исключить влияние изгибных деформаций стержня на сигнал, снимаемый с датчиков. Общее сопротивление рабочего плеча моста

при этом составляло 400 Ом.

Во второе плечо моста включалось переменное сопротивление с помощью которого производилась балансировка моста. В два других плеча включались проволочные сопротивления /?з, К одной диагонали моста (диагональ АВ) подводилось питающее напряжение (/„, а с другой диагонали (диагональ СО) снимался сигнал изменения напряжения ЛИ. В качестве источника питания использовались железо-никелевые аккумуляторы с выходным напряжением 12-13 В.

Для регистрации деформаций пластины на её внешнюю поверхность на расстоянии 161 мм от точки контакта стержня с пластиной наклеивалось два таких же тензорезистора, как и на волноводе. Тензорезисторы соединялись последовательно и включались в плечо измерительного моста, так же как и тензорезисторы на стержне.

В ряде экспериментов тензодатчики наклеивались и у нижнего края стержня на расстоянии 30 мм от пластины. Это давало возможность при ударе по стержню получать одновременно две и^ц*ял.ппгоаммы- Например, осциллограмму изменения усилий в волнах, распространяющихся по стержню, и осциллограмму изменения усилий в контактном сечении стержня и пластины (точнее изменения усилий в сечении близком к контактному), или осциллограмму изменения усилий в контактном сечении стержня и пластины и деформаций поверхности пластины в месте наклейки тензодатчиков. В этих случаях использовались два тензометрических моста, сигналы с которых через отдельные предусилители типа

£

1У14 подавались на двухлучевой запоминающий осциллограф С8-11 и фиксировались с экрана осциллографа фотоаппаратом. Измерительный комплекс позволял исследовать сигналы с амплитудой от 0,01 мВ/дел до 100 мВ/дел и частотой от 0,5 Гц до 50 кГц.

Масштаб осциллограмм по оси времени (оси абсцисс) определялся исходя из известного значения периода собственных колебаний стержня Т и расстояния * на осциллограмме между двумя или несколькими прямыми волнами деформации, распространяющимися по стержню (рис. 2, а, б):

/и1 - пТIх,

где п - количество периодов колебаний; Т= 2На, I - длина стержня; а - скорость распространения волны деформации в нем. В рассматриваемом случае / = 1,135 м, а = 5100 м/с, Т = 445 мкс.

Масштаб осциллограмм по оси деформаций (напряжений, усилий) определялся по тариро-вочному импульсу. Для тарировки измерительного комплекса использовался прямоугольный импульс, генерируемый в стержне при ударе по нему бойком № 1 (рис. 2, в).

Амплитуда усилий и деформаций в этом импульсе находятся по формулам:

Рт = 0,5раГУ0, ет = У0/ 2а, (1)

где р - соответственно плотность материала стержня, р = 7850 кг/м3; Р - площадь поперечного сечения стержня; У0 - скорость соударения бойка со стержнем.

Исходя из известного значения амплитуды тарировочного импульса на пленке у, находился масштаб осциллограмм по оси Р или е:

(2)

Известно, что энергия продольной волны де-

£

8

Ъ р/*<

Рис. 2. К определению масштабов но осям экспериментальных осциллограмм (а - в) и энергии волны деформаций (г)

формации, распространяющейся по стержню без отражений, определяется формулами:

А = —\Р2Л = аЕ/\е2Л, (3)

рр л J

12/1 о о

где б(1) - соответственно усилия и деформации в волне; г - длительность волны деформации.

При обработке осциллограммы разбивались по оси времени на достаточно малые интервалы длительностью А/ (рис. 2, г) и интегралы, входящие в формулы (3), находились суммированием по методу трапеций. При этом

(4)

где п - число интервалов длительностью А /.

Оценка погрешности измерений показала, что относительная среднеквадратическая ошибка в определении длительности и амплитуды волны деформаций не превышает 3%, амплитуд напряжений и усилий - 4%, энергий волн деформаций - 6%.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Еремьянц, В. Э. Волновые процессы в ударной системе «боёк-волновод-пластина» при равных ударных жёсткостях бойка и волновода / В. Э. Еремьянц, Е. Г. Климова // Вестник Кыргызско-Российского Славянского университета. - 2006. - Т. 6, №5. - С. 92-96.

2. Еремьянц, В. Э. К задаче о продольном ударе по стержню, опирающемуся на пластину / В. Э. Еремьянц, Л. Т. Панова, А. А. Слепнев // Проблемы машиностроения и надёжности машин. - 2007. - №4. - С. 58-63.

3. Еремьянц, В. Э. Волны деформации, генерируемые при продольном ударе в стержне, опирающемся на пластину / В. Э. Еремьянц, А. А. Слепнёв // Материалы IV Международной конференции «Проблемы механики современных машин». Т. 1. - Улан-Удэ : Изд-во ВСГТУ, 2009.-С. 175-178.

4. Еремьянц, В. Э. Колебания пластины при поперечном ударе / В. Э. Еремьянц, Л. Т. Панова, А. А. Асанова // Материалы IV Международной конференции «Проблемы механики современных машин». Т. 1. - Улан-Удэ : Изд-во ВСГТУ, 2009.-С. 171-174.

©

Еремьянц Виктор Эдуардовичу академик Международной инженерной академии, доктор технических наук, профессор кафедры «Механика» Кыргызско-Российского Славянского университета. Имеет монографии и статьи в области продольного удара в стержневых системах, динамики машин.

УДК 621.38

• - - •

Р. С.МАКИН - " ""

К МЕХАНИЗМУ ОБРАЗОВАНИЯ СКОПЛЕНИЙ ДЕФЕКТОВ В ТВЁРДЫХ ТЕЛАХ

Предлагается общий механизм неустойчивости однородного поля распределения дефектов большой плотности. Он состоит в возникновении потока дефектов против градиента их концентрации за счёт деформации решётки, обусловленной, в свою очередь, скоплениями дефектов. Получены кинетические уравнения на основе модели дефектов в линейной теории упругости. Показано, что неустойчивость концентрации дефектов возникает при достижении некоторой критической величины.

Ключевые слова: радиационные дефекты, кинетическое уравнение, диффузия, теория упругости, неустойчивость.

1. Хорошо известно, что дефекты решётки (вакансии, междоузельные и примесные атомы) имеют тенденцию к образованию скоплений [1-4].

©МакинР.С.,2010

Для радиационных дефектов этому способствуют относительно низкие температуры и сравнительно высокие скорости создания смещений.

Обычно причину сравнивают с энергетической выгодностью образования скоплений. Однако очень трудно найти энергии связи дефектов