CC BY
135
ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ КОНТРОЛЯ УСТАЛОСТИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Неъматжон Рахимович Рахимов
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия»; 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры специальных устройств и технологий, тел. +7(383)344-40-58, факс +7(383)344-40-58, e-mail: n_rah@ngs.ru
Татьяна Вячеславовна Ларина
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия»; 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доцент кафедры технологии оптического производства, тел. +7(383)344-40-58, факс +7(383)344-40-58, e-mail: larina_t_v@mail.ru
Олег Кузьмич Ушаков
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия»; 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор, директор Института оптики и оптических технологий (ИОиОТ) СГГА, тел. +7(383)344-40-58, факс +7(383)344-40-58, e-mail: nst.oot@ssga.ru
Вадим Аркадьевич Жмудь
Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), 630015, Россия, г. Новосибирск, проспект Карла Маркса, 20, доктор технических наук, профессор кафедры автоматики, тел. 8-961-875-19-17, e-mail: oao_nips@bk.ru
Павел Вадимович Петров
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия»; 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, зам. директора ИОиОТ СГГА по научно-исследовательской работе студентов, тел. +7(383)344-40-58, факс +7(383)344-40-58, e-mail p.t.petrov@mail.ru
В статье рассмотрено оптоэлектронное устройство для определения усталости металлических конструкций, которое состоит из датчика и электронного блока.
Ключевые слова: источники и приемники оптического излучения, оптоволокно, оптоэлектронное устройство, усталость материала, усталостная долговечность.
OPTOELECTRONIC SYSTEM FOR CONTROL OF FATIGUE MACHINE-BUILDING STRUCTURES
Nematgon R. Rakhimov
Federal state budgetary educational institution of higher professional-national education «Siberian state Academy of geodesy»; 630108, Russia, Novosibirsk, str. Plaxotnogo, 10, D.Sc., Professor of the Department of special devices, technologies and materials, phone +7(383)344-40-58, fax +7(383)344-40-58, e-mail: n_rah@ngs.ru Tatiana V. Larina
Federal state budgetary educational institution of higher professional-national education «Siberian state Academy of geodesy»; 630108, Russia, Novosibirsk, str. Plaxotnogo, 10, associate Professor of the Department of technology of optical production, body-von +7(383)344-40-58, fax +7(383)344-40-58, e-mail: larina_t_v@mail.ru
Oleg K. Ushakov
Federal state budgetary educational institution of higher professional-national education «Siberian state Academy of geodesy»; 630108, Russia, Novosibirsk, str. Plaxotnogo, 10, Ph.D., professor. Director of the Institute of Optics and Optical Technologies (ИОиОТ) SSGA, phone +7(383)344-40-58, fax +7(383)344-40-58, e-mail: nst.oot@ssga.ru
Vadim A. Zmud
Novosibirsk State Technical University (NSTU), 630015, Russia, Novosibirsk, St. Karl Marx prospect, 20, D.Sc., Professor, Department of Automation, tel. 8-961-875-19-17, e-mail: oao_nips@bk.ru
Pavel V. Petrov
Federal state budgetary educational institution of higher professional-national education «Siberian state Academy of geodesy»; 630108, Russia, Novosibirsk, str. Plaxotnogo, 10, Ph.D., professor. Deputy Director of the IO & ot SGGA on scientific-research work of students, phone +7(383)344-40-58, fax +7(383)344-40-58, e-mail p.t.petrov@mail.ru
In the article the оптоэлектронное device for determination of fatigue metallic-building designs, which consists of a sensor and an electronic unit.
Key words: sources and receivers of optical radiation, optical fiber, opto-reign-a device, material fatigue, fatigue durability.
Усталостью материалов (в частности, металлов) называется явление разрушения при многократном повторении напряжений. Способность материалов сопротивляться разрушению при повторно-переменных напряжениях называется выносливостью материала [1-5].
Усталостное разрушение наблюдается при наличии, одной из следующих особенностей нагружения:
1) при многократном нагружении одного знака, например, периодически изменяющегося от нуля до максимума;
2) при многократном нагружении, периодически изменяющемся не только по величине, но и по знаку (знакопеременное нагружение), когда на выносливость материала одновременно оказывает влияние и повторность, и переменность нагружения. При этом различают симметричное нагруженные и несимметричное.
Для разрушения от усталости недостаточно переменности напряжений. Необходимо также, чтобы напряжения имели определенную величину. Максимальное напряжение, при котором материал способен сопротивляться, не разрушаясь, при любом произвольно большом числе повторений нагружений, называется пределом выносливости.
На усталость деталей влияет ряд факторов (рис. 1).
Рис. 1. Факторы, влияющие на усталостную прочность
Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей:
- оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке, меньших пределах текучести или временного сопротивления;
- разрушение начинается на поверхности (или вблизи от нее) локально, в местах концентрации напряжений (деформации). Локальную концентрацию напряжений создают повреждения поверхности в результате циклического нагружения либо надрезы в виде следов обработки, воздействия среды;
- разрушение протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопления повреждений в материале, образования трещин усталости, постепенное развитие и слияние некоторых из них в одну магистральную трещину и быстрое окончательное разрушение;
- разрушение имеет характерное строение излома, отражающее последовательность процессов усталости. Излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон - усталости и долома.
Усталостный излом металла имеет характерный вид. На нем обычно можно наблюдать две зоны: одна из них (А) гладкая, притертая, образованная
вследствие постепенного развития трещины; другая (В) крупнозернистая, образованная при окончательном изломе ослабленного развившейся усталостной трещиной сечения детали. Зона В у хрупких материалов имеет крупнокристаллическое, а у вязких - волокнистое строение.
Механизм образования трещин при повторно-переменном напряжении весьма сложен и не может считаться полностью изученным из несомненных положений теории усталости можно отметить следующие.
1) процессы, происходящие в материале при повторно-переменном нагружении носят резко выраженный местный характер;
2) решающее влияние на явление усталости до образования первой трещины оказывают касательные напряжения, вызывающие пластические сдвиги и разрушение путем среза. Развитие усталостных трещин ускоряется при наличии растягивающих напряжений и у пластичных, и в особенности у хрупких материалов (типа чугуна), в которых появление третий отрыва значительно повышает чувствительность к растягивающим напряжениям.
Предел выносливости определяется экспериментально на соответствующих испытательных машинах путем испытания партии образцов из данного материала в количестве не менее 6-12 штук. Предел выносливости зависит от многих факторов, в том числе от формы и размера образца или детали, способа ее обработки, состояния поверхности, вида напряженного состояния (растяжение - сжатие, кручение, изгиб), закона изменения нагрузки во времени при испытании, температуры и т. п.
Усталость материалов и в настоящее время является одной из основных причин отказа деталей машин и элементов конструкции, подверженных действию напряжений, циклически изменяющихся во времени. В связи с этим для повышения ресурса и надежности подобных конструкций важное значение приобретают вопросы выбора материала, обоснования режимов технологии производства полуфабрикатов и деталей и организации контроля технологического процесса, обеспечивающие стабильное и высокое сопротивление элементов конструкций усталостному разрушению.
Решения проблемы повышения ресурса и надёжности машин обусловливает разработку и внедрение вероятностных методов расчёта на прочность при переменных напряжениях, учитывающих случайный характер действующих нагрузок и вариацию характеристик сопротивления усталости материалов и деталей.
Характеристики сопротивления усталостному разрушению материала изделий определяются в результате испытаний на усталость образцов, моделей, натурных деталей и конструкций в целом, что требует больших материальных затрат и весьма длительного времени, которого, как правило, не хватает конструктору на стадии проектирования и доводки конструкции. В связи с этим ученые многих стран ведут поиски расчётных (косвенных) методов оценки характеристик сопротивления усталостному разрушению и методов ускоренных и форсированных испытаний на усталость.
Совокупность последовательных значений напряжений за один период их изменения при регулярном нагружении (рис. 3) называется циклом напряжений.
Характеристики цикла напряжений
Рис. 2. Циклы напряжений Рис. 3. Параметры циклов нагружения
в области растяжения и сжатия
Период цикла Т - продолжительность одного цикла напряжений, Т=1Я" (рис. 2). Максимальное напряжение цикла атах(ттах) - наибольшее по алгебраическому значению напряжение цикла (рис. 2, рис. 3).
Минимальное напряжение цикла атт(хтт) - наименьшее по алгебраическому значению напряжение цикла (рис. 2, 3).
Среднее напряжение цикла ат(хт) — постоянная (положительная или отрицательная) составляющая цикла напряжений (рис. 2, 3), равная алгебраической полусумме максимального и минимального напряжения цикла,
Амплитуда напряжений цикла аа(ха) - наибольшее числовое положительное значение переменной составляющей цикла напряжений (рис. 3, рис. 4), равная алгебраической полуразности максимального и минимального напряжения цикла.
Коэффициент асимметрии цикла напряжений К0(ЯХ), отношение минимального напряжения цикла к максимальному,
?•
Кривая усталости ^^(т) или ^, т(^) - график, характеризующий
зависимость между максимальными напряжениями или амплитудами цикла и циклической долговечностью одинаковых образцов, построенный по параметру среднего напряжения цикла или по параметру коэффициента асимметрии цикла (рис. 4, а, б). Участок I на рис.3 соответствует малоцикловой усталости, а участки
II и III - многоцикловой. Участок III для углеродистых и низколегированных сталей обычно имеет горизонтальный линейный характер. Для высоколегированных сталей и сплавов на магниевой, алюминиевой и титановой основах этот участок представляет собой кривую, стремящуюся к асимптоте при N = .
Рис. 4. Варианты представления кривой усталости Уравнения кривых усталости
Для описания кривых усталости сталей используются: Уравнение Велера
или
(1)
Уравнение Басквина
или
(2)
Уравнение Штромейера
или
(3)
Уравнение Пальмгрена
или
Уравнение Вейбулла
(4)
или
(5)
Уравнения (1) и (2) описывают только II участок кривых усталости, уравнение (3) - II и III участки, уравнения (4) и (5) охватывают все три участка кривых усталости. Применительно к легким сплавам (магниевым, алюминиевым и
титановым) для указанных участков кривых усталости могут использоваться уравнения (3), (4) и (5). Однако, как показали специальные исследования, более адекватно экспериментальным данным соответствует уравнение Степнова М.Н.
(6)
Параметр В в уравнениях (4) и (5), а также параметр N1, в уравнении (6), определяют положение кривой усталости только в малоцикловой области (участок I на рис. 4). Поэтому при описании кривой многоцикловой усталости без ущерба для точности принимают В=0 и N^0.
Кривая атах=^Ы) называется кривой усталости или кривой Велера. Из рис. 5 видно, что по мере уменьшения атах, число циклов (Ы) начинает очень быстро расти, поэтому кривая усталости имеет значительную протяженность вдоль оси абсцисс. Для многих материалов кривая усталости асимптотически приближается к некоторому значению максимального напряжения, начиная с которого образцы не проявляют никаких признаков разрушения. Поэтому при соответствующем числе циклов испытания можно прекратить.
А
Рис. 5. Кривая Велера
п
Практика показывает, что образцы, выдержавшие без разрушения 10 циклов, могут при данном нагружении проработать неограниченное время (например, ось железнодорожного вагона на пути от Москвы до Владивостока испытывает около 3х106 циклов).
Левая ветвь кривой усталости на рис. 7, а соответствует уравнению Велера (1), где Ь^а , а на рис. 4, б - уравнению Басквина (2), которое чаще в технической и учебной литературе представляют в виде
где - (7)
Абсцисса точки перелома схематизированной кривой усталости NG (рис. 6, а, б) обычно принимает значения в диапазон 106.. .3-106 циклов.
Ае & N ' Щ
(а) (6)
Рис. 6. Схематизированные кривые усталости для сталей
Усталость материалов и в настоящее время является одной из основных причин отказа деталей машин и элементов конструкции, подверженных действию напряжений, циклически изменяющихся во времени. В связи с этим для повышения ресурса и надежности подобных конструкций важное значение приобретают вопросы выбора материала, обоснования режимов технологии производства полуфабрикатов и деталей и организации контроля технологического процесса, обеспечивающие стабильное и высокое сопротивление элементов конструкций усталостному разрушению.
Например, основные принципы определения усталости материалов и усталостной долговечности изложены в работе [6]. Усталостная долговечность -число циклов напряжения или деформации определенной природы, которую данный образец выдерживает перед отказом
Ресурс многих металлических конструкций в значительной степени определяется сопротивлением усталости конструктивных элементов. Усталостная долговечность элементов конструкций зависит от множества факторов.
Долговечность также зависит от уровня технологии производства, качества материалов и полуфабрикатов, деталей, комплектующих частей и агрегатов, особенностей эксплуатации летательного аппарата, полноты и периодичности регламентных и ремонтных работ, технических обслуживаний и осмотров и т. д. Следовательно, обеспечение ресурсных характеристик авиационной техники является комплексной задачей, которая на стадии проектирования производства и эксплуатации изделия решается различными методами.
В данной работе изучено влияние различных технологических факторов на ресурсные характеристики типовых элементов самолетных конструкций. Исследован механизм формирования остаточных напряжений в области типовых концентраторов напряжений. Произведена оценка методов повышения усталостной долговечности, основанных на создании благоприятных остаточных напряжений.
Решение указанных выше задач создает практическую возможность обоснования путем повышения усталостной долговечности элементов конструкций технологическими методами.
По результатам исследований для качественной оценки влияния ряда конструктивно-технологических факторов на характеристики статической прочности и усталостной долговечности образцов определены коэффициенты влияния.
В результате систематизации и унификации результатов прочностных и усталостных испытаний образцов, изготовленных с использованием различных технологических процессов, появилась возможность на основе CALS-технологий создания банка данных по влиянию конструктивно-технологических факторов на статическую прочность и усталостную долговечность конструктивных элементов.
Создан банк данных по влиянию технологической наследственности на характеристики долговечности, который включает в себя механические характеристики материалов и характеристики долговечности материалов и элементов конструкций, выполненных по перспективным и традиционным технологиям с учетом моделирования эксплуатационных условий.
Усталость деталей машин в значительной степени зависит от конструктивных, технологических, эксплуатационных и других факторов, которые в большинстве случаев трудно учесть при расчете механических конструкций на усталостную прочность. В этой связи испытания на усталость материалов и натурных деталей в рабочих условиях, на стадии доводки окончательного варианта конструкции являются решающим звеном в процессе создания надежных и долговечных машин.
Однако такие испытания связаны с многочисленными трудностями, так как трещины усталости чаще всего развиваются на деталях, расположенных в труднодоступных местах, которые часто заполнены различными средами. Поэтому появилась необходимость в создании встроенных средств контроля, позволяющих следить за развитием трещин па деталях в рабочих условиях, не нарушая их функционирования и режима испытаний.
Однако такие испытания связаны с многочисленными трудностями, так как трещины усталости чаще всего развиваются на деталях, расположенных в труднодоступных местах, которые часто заполнены различными средами. Поэтому появилась необходимость в создании встроенных средств контроля, позволяющих следить за развитием трещин па деталях в рабочих условиях, не нарушая их функционирования и режима испытаний.
К настоящему времени разработан ряд оптоэлектронных приборов для неразрушающего контроля различных веществ и материалов [7-14].
Эти устройства позволяют заменить визуальный контроль технологических параметров исследуемой поверхности по ГОСТ 9378-93 сравниваемой с эталонными образцами, причем расчеты показали, что стоимость устройства окажется в несколько раз ниже стоимости зарубежных приборов. При этом объективность, оперативность и точность контроля данным устройством намного выше, чем при визуальном контроле. Также устройства можно встраивать и в автоматизированное оборудование для одновременного контроля нескольких технологических параметров металлических.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Клюев, В.В. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий / В.В. Клюев.- М.: Машиностроение, 1986. - 382 с.
2. Ермолов, И.Н. Неразрушающий контроль: Справочник. В 7-ми т. / Под ред. В.В. Клюева. Т. 6. Магнитные методы контроля, Оптический контроль, Радиоволновый контроль. М.: Машиностроение, 2004.
3. Терентьев, В.Ф. Усталость металлических материалов. М., Наука. 2003. 254.
4. Терентьев, В.Ф. О пределе выносливости металлических материалов. Металловедение и термическая обработка металлов. N7. 2004. - С. 15-19.
5. Москвичев, В.В. Трещиностойкость и механические свойства конструкционных материалов, 2002, 335 с.
6. Повышение усталостной долговечности заклепочных и сварных соединений авиационных конструкций технологическими методами: монография/ В.К. Белов, Г.Ф. Рудзей, А.А. Калюта - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. - 180с.
7. Пат. №2428728 Российская Федерация, МПК 5Ш0И 3/46. Анализатор цвета поверхности твердых материалов / Рахимов Б.Н., Ушаков О.К., Кутенкова Е.Ю., Ларина Т.В., заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия». -№ 2009147534/28; заявл. 21.12.2009; опубл. 20.09.2011. Бюл. № 26. - 7с.: 3 ил.
8. Т.В. Ларина, О.К. Ушаков, Н.Р. Рахимов, М.П. Исаев. Оптоэлектронное устройство для определения усталости твердых материалов. Положительное решение о выдаче патента РФ по заявке № 2012101558/28(002116) от 17.01.2012г.
9. Физические основы применения оптоэлектронного метода с использованием световодов для контроля качественных параметров металлических поверхностей / О.К. Ушаков, Н.Р. Рахимов, Т.В. Ларина, Е.Ю. Кутенкова, В.А. Плиско // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 5, ч. 1. - С. 179-185.
10. Ларина Т.В. Исследование оптронов открытого канала для контроля качественных параметров металлических поверхностей // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 120-125.
11. Ларина Т.В. Оптоэлектронный неразрушающий метод контроля усталости металлических конструкций // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). -Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 111-115.
12. Рахимов Н.Р., Ларина Т.В., Сатволдиев И.А. Расчет основных параметров приемников оптического излучения для создания оптрона открытого канала // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 132-137.
13. Оптоэлектронный метод анализа физико-химических параметров нефти и нефтепродуктов/ Н.Р. Рахимов, Е.Ю. Кутенкова, Т.В. Ларина, П.В. Петров, Ш.И. Мадумаров // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 5, ч. 1. - С. 173-179.
14. Анализатор цвета поверхности твердых материалов / Б. Н. Рахимов, О. К. Ушаков, Т. В. Ларина, Е. Ю. Кутенкова // Приборы и техника эксперимента. - 2012. - № 3. - С. 131-132.
© Н.Р. Рахимов, Т.В. Ларина, О.К. Ушаков, В.А. Жмудь, П.В. Петров, 2013
