CC BY
16
УДК 539.319:620.179.18
С. Г. Тютрин, И. И. Манило, А. А. Городских, С. В. Герасимов, А. С. Клочков
ОЦЕНКА ЦИКЛИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬХОЗМАШИН ПОСРЕДСТВОМ МЕТАЛЛОПОКРЫТИЙ
ФГБОУ ВПО «Курганский государственный университет» ФГБОУ ВПО «Курганская государственная сельскохозяйственная академия имени Т. С. Мальцева»
S. G. Tjutrin, I. I. Manilo, A. A. Gorodskikh, S. V. Gerasimov, A. S. Klochkov EVALUATION OF CYCLIC TENSIONS IN PARTS OF AGRICULTURAL MACHINES WITH THE HELP OF METAL COATING Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education «Kurgan State University» Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education «Kurgan State Agricultural Academy by T. S. Maltsev»
Показан принцип определения циклически изменяющихся деформаций и прогнозирование мест усталостного разрушения элементов конструкций сельхозмашин. Приведена схема распределения напряжений и деформаций в металлопокрытии и на поверхности детали. Предложено применять фольгу с концентраторами в виде отверстий или прорезей для повышения чувствительности датчиков. Проиллюстрирован алгоритм применения металлопокрытий с помощью тарировочной зависимости для оценки амплитуды циклических напряжений.
Ключевые слова: усталостное разрушение, датчик, модуль продольной упругости.
The principle of determining deformations which change cyclically and forecasting the fatigue failure locations in structural elements of agricultural machinery is shown. A scheme of the distribution of tensions and deformations in the metal coating on the surface of the parts is given. Made an offer that foil with concentrators in the form of holes or slits must be used to increase sensitivity of the sensors. The algorithm of applying metal coatings using calibration curves to estimate the amplitude of the cyclic tension is illustraited.
Keywords: fatigue failure, the gauge, the module of longitudinal elasticity
Сергей Геннадьевич Тютрин
Sergey Gennadyevich Tyutrin кандидат технических наук, доцент Россия, 640022, г. Курган, ул. Гоголя, 151, кв. 209
E-mail: [email protected]
Иван Иванович Манило
Ivan Ivanovich Manilo доктор технических наук, профессор Россия, 641300, Курганская область, Кетовский район, с. Лесниково, КГСХА E-mail: [email protected]
Андрей Андреевич Городских
Andrey Andreevich Gorodskih аспирант Россия, 641300, Курганская область, Кетовский район, с. Лесниково, КГСХА E-mail: [email protected]
Степан Васильевич Герасимов
Stepan Vasilyevich Gerasimov аспирант Россия, 641300, Курганская область, Кетовский район, с. Лесниково, КГСХА E-mail: rectorat@mail. ksaa.zaural.ru
Александр Сергеевич Клочков
Aleksandr Sergeevich Klochkov аспирант Россия, 641300, Курганская область, Кетовский район, с. Лесниково, КГСХА E-mail: rectorat@mail. ksaa.zaural.ru
Введение. В целях повышения эффективности эксплуатации и совершенствования конструкций сельскохозяйственных машин находят широкое применение экспериментальные методы исследования конструкций и элементов машин с помощью металлических покрытий [1]. Данные методы не требуют больших материальных затрат, трудовых и временных ресурсов и могут быть применены как на специализированных ремонтно-технических предприятиях, так и на предприятиях сельскохозяйственного
и тракторного машиностроения.
Методика. В основе метода лежит определение циклически изменяющихся напряжений и деформаций, а также прогнозирование мест усталостного разрушения при помощи гальванического меднения исследуемых элементов конструкций [2]. В частности, деформации и наиболее вероятное место усталостного разрушения определяются или по характерным темным пятнам, появляющимся на покрытии, или по плотности растущих зерен в нем. А для установления
Инженерно-техническое обеспечение Вестник Курганской ГСХА № 3, 2012 сельского хозяйства
зависимости этих параметров от числа циклов и амплитуды циклических напряжений выполняются калибровочные испытания на образцах, по результатам которых строят тарировочные кривые. Однако качественно нанести медное покрытие на исследуемые детали удается не всегда (из-за большого разнообразия размеров, форм и материалов деталей). Часто покрытие наносится на специально изготовленный катод, снимается с него в виде фольги, разрезается на кусочки нужных размеров, называемых датчиками, и наклеивается на исследуемую деталь. Механизм образования темных пятен заключается в том, что в результате циклического деформирования происходит рост зерна материала датчика, при этом остатки электролита вытесняются на поверхность и вызывают ее окисление [2].
Аналогичный эффект обнаружен при использовании никелевой фольги, полученной не только гальваническим способом, но и катаной. Расширен список материалов датчиков за счет применения алюминия и серебра. Одним из главных выводов исследований зарубежных и отечественных ученых является то, что поведение металлопокрытий подчиняется закономерностям усталости материала.
Условия работы датчика весьма специфичны: он испытывает жесткий режим нагружения, имеет весьма малую толщину, упругие свойства материала покрытия и материала основной детали значительно различаются, датчик и деталь обычно разделены клеевой прослойкой.
Результаты эксперимента. На рисунке 1 схематично представлена система деталь-покрытие, находящаяся под действием статической нагрузки.
внешних нагрузок, напряжения в направлении нормали к поверхности равны нулю. Если считать толщину датчика незначительной (она обычно составляет 10 - 20 мкм), адгезию - идеальной, а влиянием клея пренебречь, то напряженное состояние в покрытии будет являться плоским. При этом деформации датчика и поверхности детали будут одинаковыми как по величине, так и по направлению. Такой подход был использован в работе [3] для анализа напряженного состояния хрупких тензочувствитель-ных покрытий.
Применив закон Гука для плоского напряженного состояния и выполнив преобразования с учетом принятых допущений, получаем [1,4]:
+ ап2={аад2+вс, (1)
ьд ьд
1 -у:
1-у:
гг ~ первое и второе главные напряжения в пои 1 ?и 2
крытии, соответственно; (Т^, 0*2 ~~ пеРвое и втоРое главные напряжения в детали, соответственно; Еп у Е^ - модули продольной упругости материалов
покрытия и детали, соответственно; ^п^д ~ коэффициенты Пуассона материалов покрытия и детали, соответственно. Из (1) следует, что напряжения в покрытии могут значительно отличаться от напряжений, возникающих на поверхности детали, поскольку обычно упругие постоянные материалов покрытия и детали существенно различимы.
Известно, что для подавляющего большинства металлов величина коэффициента Пуассона находится в пределах от 0,23 до 0,35. В то же время величины модулей продольной упругости металлов различаются в десятки раз. Поэтому, пренебрегая различием коэффициентов Пуассона, из приведенных выражений получаем:
—и _д _п
сг1 СТЛ
'1
я. еа
(2)
Рисунок 1 - Напряжения и деформации в металлопокрытии и на поверхности детали
Существенной специфической особенностью датчика является то, что он работает при жестком режиме нагружения: напряжения в нем возникают не путем приложения сил, а за счет его деформирования. На наружной поверхности покрытия, где нет
**д п д
Из выражений (2) следует, что при неизменных величинах их правых частей (для одной и той же детали) процесс усталости материала покрытия будет тем сильнее, чем ниже величина отношения предела выносливости материала покрытия к его модулю продольной упругости.
Выполнен [1] анализ найденных по литературным источникам величин предела выносливости, модуля продольной упругости и их отношений практически для всех металлов таблицы Менделеева. Установлено, что для материалов, используемых при изготовлении датчиков (медь, никель, алюминий, сере-
бро), величина отношения предела выносливости к модулю продольной упругости находится в пределах (0,376 - 1,44)-10-3. Примерно в этих же пределах находится эта характеристика у магния, железа, кобальта, иттрия, молибдена, кадмия, олова, золота, таллия. Наиболее низким отношение предела выносливости к модулю продольной упругости оказалось у цинка и свинца. На этом основании была выдвинута гипотеза о применении таких материалов в качестве металлопокрытий для определения напряжений.
Последующие исследования [1] подтвердили принятую рабочую гипотезу. В частности, экспериментально подтверждена высокая чувствительность оловянных металлопокрытий к циклическим деформациям детали (покрытие наносилось путем напайки с помощью специального флюса). Появляющиеся при этом следы дислокаций на поверхности покрытия четко различимы при увеличении 98х (в опытах использовался микроскоп МБС-9). Еще одним предложением, основанным на снижении предела выносливости материала металлопокрытия и повышающим чувствительность датчиков из легкодоступной алюминиевой фольги, было применение фольги с концентраторами в виде отверстий или прорезей. Контроль за состоянием датчика в этом случае ведется по моменту появления макротрещин в зоне концентраторов, что заметно даже невооруженным глазом.
Ведутся дальнейшие исследования по расширению перечня материалов металлопокрытий и конструкций датчиков для контроля циклических деформаций доступными для практического применения методами.
Алгоритм применения металлопокрытий для оценки амплитуды циклических напряжений, возникающих на исследуемой поверхности детали в процессе эксплуатации сельхозмашины, можно проиллюстрировать с помощью рисунок 2. Во время испытания контролируемая машина периодически останавливается и производится осмотр состояния поверхности металлопокрытия. В результате устанавливается число циклов нагружения N при котором на поверхности покрытия появляются следы дислокаций. По величине Nп с помощью тарировочной зависимости (кривая 1 на рисунке 2) определяется амплитуда действовавших циклов напряжения а Если
известна кривая усталости материала контролируемой детали (кривая 2 на рисунке 2), то по найденной величине ад можно спрогнозировать и долговечность Nд детали при данных условиях эксплуатации.
1 - тарировочная кривая металлопокрытия;
2 - кривая усталости детали.
Рисунок 2 - Определение эксплуатационной нагруженности и ресурса детали
Выводы. Разработаны и реализованы алгоритм и методика применения усталостных датчиков, в качестве которых использована фольга, для оценки амплитуды циклических напряжений, возникающих на поверхности деталей сельхозмашин в процессе их эксплуатации. Установленное число циклов нагруже-ния детали и амплитуда действоваших циклов главных напряжений в ней позволяют спрогнозировать долговечность детали до наступления предельных условий эксплуатации.
Список литературы
1 Тютрин С. Г. Техническая диагностика металлическими покрытиями: Монография. -Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2007.
2 Окубо Хадзимэ. Определение напряжений гальваническим меднением/ Пер. с японск. - М.: Машиностроение, 1968.
3 Экспериментальная механика: В 2 кн.: Кн. 2/ Пер. с англ.; Под ред. А. Кобаяси. - М.: Мир, 1990.
4 Тютрин С. Г. О напряженном состоянии тонких покрытий и датчиков усталости // Известия вузов. Машиностроение. - М., 2001, № 5.
