Научная статья на тему 'Применение акустического метода свободных колебаний к диагностике технологичеcки неоднородных деталей'

Применение акустического метода свободных колебаний к диагностике технологичеcки неоднородных деталей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
115
25
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Вовк Л. П.

В статье рассматривается возможность применения акустического метода свободных колебаний к диагностике качества внешней поверхности технологически неоднородных деталей. Обсуждаются результаты расчетов методом конечных элементов частот колебаний дефектных и бездефектных деталей. В качестве примера предложен способ определения характеристик дефекта в поршневом пальце двигателя внутреннего сгорания.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Вовк Л. П.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Применение акустического метода свободных колебаний к диагностике технологичеcки неоднородных деталей»

где угол у в радианах. Скорость скольжения в конце линии контакта У5К1' > Кжь так как 1К > 1Н. В пределах угла у точка контакта перемещается от точки К1 к точке К1/, а скорость скольжения растёт. Это свидетельствует об опережающем скольжении контакта на поверхности ролика.

В точке К1' на ролике войдёт в контакт точка профиля зуба, удалённая от первоначального контакта К1 в направлении вершины зуба, т.е. точка К1".

При дальнейшем перемещении полюса за пределы Р2 точка контакта изменяет направление движения на противоположное и выходит из зацепления в положении полюса Р3, которое соответствует повороту водила на угол п. Для других зацеплений активный участок зуба смещается также к вершине с тенденцией к росту скорости скольжения. Таким образом, в беззазорной цевочной внецентроидной передаче плавность зацепления объясняется плавностью сопрягаемых поверхностей, постоянством их контактирования и наличием скольжения при входе зубьев в зацепление. Процесс зацепления заключается в смещении точек контакта по поверхности роликов. Влияет на процесс зацепления сложное плоское движение зубчатого колеса относительно неподвижного. В статическом состоянии беззазорной передачи все сопрягаемые элементы находятся в контакте. Движение колеса как круговое поступательное выделяет из 22 роликов (22/2)-1 активных, в которых точки первоначального контакта стремятся внедриться в ролики. Оставшаяся часть теряет первоначальный контакт с роликами (см. контакт К1 и К11) и переходит в разряд пассивных.

Во второй половине фазы зацепления активность приобретает ранее пассивная часть роликов. Процесс зацепления в них протекает по аналогии с предыдущим зацеплением. За один поворот водила произойдёт смещение зубчатого колеса в направлении ю1 на один угловой шаг и система примет исходное положение. Последующий один поворот водила, с отсчётом от вертикали, повлечёт повторение кинематики контакта предыдущей фазы зацепления. Активные участки зубьев с каждым оборотом будут смещаться от основания к вершине зуба (см. ролик с осью О31 на рисунке). Для того чтобы каждая активная поверхность зуба полностью восприняла контактирование, водило должно сделать 21 оборотов.

Таким образом, в результате выполненных исследований рассмотрен процесс формирования линии контакта внецентроидной цевочной ступени, которая представляет собой семейство дуг роликов цевочного колеса; описан процесс смены фаз в зацеплении и порядок работы цевок; найдена величина скольжения в зацеплении зубьев колёс передачи и дано объяснение плавности процесса зацепления беззазорной передачи.

Литература

1. Киреев С.О., Ковалев В.Н. Структура, кинематика и геометрия планетарных передач с внецентроидным цевочным зацеплением / Новочерк. гос. техн. ун-т. Новочеркасск, 1995.

2. Литвин Ф.Л. Теория зубчатых зацеплений. М., 1968.

3. Берман Г.Н. Циклоида. М., 1980.

22 марта 2004 г.

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)

УДК 620.1:620.771.11

ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ К ДИАГНОСТИКЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ НЕОДНОРОДНЫХ ДЕТАЛЕЙ

© 2004 г.

В последние годы интенсивно развиваются методы упрочнения деталей машин и элементов конструкций путем нанесения покрытий, поверхностной закалки ТВЧ, цементации, азотирования, а также методы, основанные на использовании высококонцентрированных источников энергии и др. Контроль качества таких деталей связан со сложными микроструктурными исследованиями. Приповерхностный слой материала любой детали машины всегда существенно влияет на прочность и долговечность не только данной детали и узла, в который она входит, но и на надежность всей машины в целом. Поэтому при решении задач прочности в машиностроении весьма важно иметь представление о наличии дефектов в приповерхностных слоях и о характере напряженно-деформированного состояния в них, отвечающего

Л.П. Вовк

реальным условиям эксплуатации. С этой точки зрения разработка метода оперативной диагностики наличия дефектов в приповерхностных слоях деталей, имеющих сложные физико-механические свойства, является важной технической проблемой. Но при этом следует отметить, что говорить только о наличии трещин недостаточно, поскольку причинами появления трещины являются не только внешние нагрузки, но и механические свойства материала. С позиций прогнозирования ресурса детали правильнее учитывать все этапы диагностики.

Образование и развитие трещин имеет усталостную природу, поэтому очень важно разработать методы диагностики пальцев на различных стадиях жизненного цикла: изготовление, ремонт и т.д. В настоящее время разработано большое количество методов диагностики

трещин. В зависимости от назначения детали или конструкции те или другие методы могут быть более или менее эффективными (рентгеновские, магнитные, ультразвуковые, микроструктурные, акустические методы).

Методы контроля, основанные на измерении частот собственных колебаний, имеют достаточно широкое распространение при определении физико-механических свойств различного рода материалов и изделий. В их основу положено наличие зависимостей между упругими константами материала детали и такими его свойствами, как твердость, пористость, прочность и т.п. [1-4]. При развитии дефектов в приповерхностных слоях упрочненной боковой поверхности ПП собственные частоты колебаний изменяются, что можно использовать как информативный признак наличия дефекта. Рассмотрим особенности применения этого метода для диагностирования качества приповерхностных слоев технологически неоднородных деталей с упрочненной внешней поверхностью. В качестве примера рассмотрим одну из важнейших деталей цидиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания - поршневой палец (1111).

Предложенный в работе метод является разновидностью акустического метода. Применительно к контролю 1111 такой метод является более производительным, требует меньшего времени для проведения замеров, поэтому можно подвергать контролю большие партии изделий. При этом следует сказать, что ультразвуковые методы для контроля ПП не применяются, поскольку требуют разработки дорогостоящего оборудования и не годятся для поточного контроля качества 1111. Новизна метода заключается в том, что он распространяется на неоднородные по глубине детали. На первом этапе проводится численный анализ СЧ и строится АЧХ отклика на динамическое воздействие. Таким образом, получается «идеальная» АЧХ для бездефектного ПП. Далее экспериментально определяют АЧХ испытываемых ПП и сравнивают с идеальной. В работе принят один из наиболее эффективных методов возбуждения колебаний и диагностики различных конструкций и деталей машин - ударное испытание с регистрацией спектрального отклика на динамическое воздействие. Это позволяет применить численно-экспериментальную методику определения комплекса механических характеристик ПП в зависимости от глубины и использовать полученные данные при определении спектра собственных частот [7].

В динамической теории упругости колебания 1111 описываются сложными системами дифференциальных уравнений движения Ляме эллиптического типа. Частоты колебаний определяются по этим уравнениям с удовлетворительной точностью только для низших форм колебаний. Появление и накопление усталостных повреждений ПП делает эти величины переменными во времени. Это в свою очередь делает решение уравнений движения ПП невозможным. Таким образом, традиционные методы, предполагающие строгое теоретическое обоснование в данном случае применены быть не могут, а расчеты ведутся на основе необоснованных упрощающих гипотез [6], не учитывающих сложный характер нагружения и внутренней структуры ПП.

Для решения поставленной задачи был выбран метод конечных элементов (МКЭ), являющийся мощным современным средством решения динамических задач теории упругости. Проблемы определения собственных форм и собственных частот колебаний в форме МКЭ сводятся к решению системы уравнений

ЫЦ + Кц = 0 . (1)

В задачах гармонического анализа вектор обобщенных перемещений в узлах системы имеет вид

Ъ = Ц exp(iXt).

Тогда матричное уравнение (1) может быть записано в виде

Щ = ХЫЪ, (2)

где К - матрица жесткости системы; - собственный вектор; Xi - собственное значение; Ы - матрица масс.

Уравнение (2) представляет собой уравнение собственных колебаний рассматриваемой системы и имеет решение, кроме тривиального, когда детерминант системы равен нулю

К -X2 ы| = 0.

Решение уравнения проводилось на основе прямых численных схем с использованием пакета А№У8. Чаще всего применялись процедуры сокращенного и подпространственного методов.

Для определения собственных значений и форм колебаний поршневого пальца была разработана МКЭ-модель без трещины и с трещиной (рис. 1). Видно, что в зоне трещины имеется значительное сгущение сетки конечных элементов.

Рис. 1. Геометрия трещины поршневого пальца Трещина в цилиндре имеет пространственную форму (эллиптическую), на поперечном срезе она наклонена под углом примерно 45 Выбор такой ориентации дефекта связан с результатами проведенных металлографических исследований поверхности ПП на микроскопе «Неофот - 21». Шлифы обрабатывали 4 % раствором НЫОз в спирте. Твердость измеряли на приборе Роквелла по шкале С. В качестве исследуемого был выбран ПП, изготовленный из стали 45, подвергнутый термическому улучшению (закалка + высокий отпуск) с последующей закалкой токами высокой частоты (ТВЧ).

Фотография поперечного микрошлифа приведена рис. 2. Из этой фотографии видно, что в поперечном сечении пальца выделяются три зоны. Условно обозначим их: А - соответствует слою толщиной примерно 2 мм, закаленному ТВЧ; В - переходная зона толщиной примерно 1 мм; С - соответствует основному материалу до закалки ТВЧ.

Рис. 2. Поперечный микрошлиф поверхности ПП

Микроструктура в зоне А - мелкоигольчатый мартенсит. Твердость зоны составляет 55 - 56 ИЯС. Переходная зона В представляет собой мелкоигольчатый мартенсит и феррит. Твердость зоны соответственно 37 - 40 ИЯС. В зоне С сохраняется ориентировка по мартенситу. Твердость зоны 25 - 27 ИЯС.

На поверхности пальца, подвергавшейся трению, были обнаружены дефекты двух типов: 1) трещины и 2) вырывы. На рис. 3 трещины показаны на поперечном шлифе. Глубина трещин может достигать 30 % от глубины закаленного слоя. Развитие трещины приводит к тому, что ослабленная часть металла отламывается и образуется каверна. Такое поверхностное разрушение характерно для высокопрочных материалов, испытывающих высокие контактные напряжения, например подшипники, зубчатые колеса и т.д.

Рис. 3. Трещины на поперечном микрошлифе

На рис. 4 показаны характерные формы колебаний и соответствующие им частоты.

В процессе расчета были определены первые 200 форм колебаний и соответствующие им частоты. Эти данные в сравнении с данными по пальцу с трещиной позволяют определить частоты, более чувствительные к трещине заданных размеров и положения в пространстве, а также определить влияние размеров трещины на смещение спектра собственных колебаний при ударе.

DISPLACEMEHT '

JAH 15 2005

FRE 13=109641 DMX =5.731

б)

Рис. 4. Характерные формы колебаний (67 и 187)

На рис. 5 представлены графики собственных частот колебаний для поршневого пальца с трещиной и без трещины. Видно, что в высокочастотной области (более 100 кГц) наблюдается существенное расхождение этих числовых рядов.

Р, Гц

Рис. 5. Сравнение частот собственных колебаний для поршневого пальца с трещиной (1) и без трещины (2)

В результате проведенного анализа численного моделирования установлено, что:

1. Наличие дефектов в детали приводит к изменению спектра частот колебаний.

2. Величина «сдвига» частот зависит от размера и местоположения дефекта на внешней боковой поверхности ПП.

3. Если дефект находится в «пучности» колебаний, то соответствующая частота сдвигается на максимальную для данного размера дефекта величину.

4. Нахождение дефекта в «узле» колебаний не приводит к сдвигу соответствующей частоты.

Отметим, что использование для определения спектра собственных частот ПП численных методов позволяет моделировать дефекты различного местоположения и протяженности. Для этого необходимо проанализировать весь спектр собственных частот. В качестве критерия сравнения состояния бездефектного и дефектного ПП может служить, например, коэффициент корреляции спектров [4]:

г = агаХ1 - а, £ ат)/ и)/

«2 - а, )2/ и)(Х а2- (£ О2/ п) , где аг - значения амплитуд текущего спектра детали с дефектом; а^ - значения амплитуд спектра бездефектной детали; п - количество частот в спектре; суммирование выполняется для значений индекса г , изменяющихся от 1 до п .

Для определения амплитуд аг, а^ в формуле был проведен при помощи компьютерного моделирования гармонический анализ ПП при динамическом воздействии. Он основан на решении системы уравнений динамического равновесия при условии стационарного осциллирующего воздействия.

Анализ собственных форм и частот колебаний выявил характерные частоты, чувствительные к трещине. Гармонический анализ позволяет оценить энергетический вклад каждой гармоники. На рис. 6 приведены АЧХ для точек в зоне трещины. Для простоты анализа приведен только участок частот от 190 до

200 кГц, хотя расчет проводился во всем диапазоне.

иу 0.00012

9e-005

6e-005

3e-005

0

190000 192000 194000 196000 198000 200000 Р, Гц

Рис. 6. АЧХ смещений иу для ПП в зоне трещины: 1 - с трещиной; 2 - без трещины

С целью определения изменения коэффициента корреляции спектров при увеличении размеров дефекта на поверхности ПП проводились исследования ПП с трещинами описанной выше ориентации различной длины, составляющей 0,01 %, 0,05 %, 0,2 %, 1 %, 2 % от общей длины детали. На рис. 7 показаны результаты сравнения спектров бездефектного и дефектного ПП по коэффициенту корреляции.

Рис. 7. Результаты обработки сгенерированных сигналов

Точке с абсциссой 1 соответствует характеристика сгенерированного сигнала бездефектного ПП, точкам 2-6 - характеристики сигналов дефектных ПП. Именно: 2 - длина трещины составляет 0,01 % длины ПП; 3 - 0,05 %; 4 - 0,2 %; 5 - 1 %; 6 - 2 %.

Выводы

Из анализа данных, представленных на рис. 5-7, следует, что теоретические результаты моделирования колебаний ПП с дефектами на внешней поверхности позволяют определить информативные параметры наличия дефектов в деталях рассматриваемой конфигурации по анализу частотного спектра колебаний. Сравнивая спектры колебаний по коэффициенту корреляции, можно обнаруживать дефекты типа трещины длиной 0,2 - 2 % от длины ПП.

Полученные результаты показывают, что использование современных программных комплексов при математическом моделировании колебаний деталей машиностроения сложной внутренней структуры и последующего анализа спектра колебаний могут сделать метод свободных колебаний перспективным для проведения экспресс-контроля неоднородных деталей машиностроения.

Литература

1. Приборы неразрушающего контроля материалов и изделий / Под ред. В.В.Клюева. М., 1985.

2. Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин А.Х. и др. Методы

акустического контроля металлов. М., 1989.

3. Ланге Ю.В. Акустические низкочастотные методы неразрушающего контроля многослойных конструкций. М., 1991.

4. Московенко И.Б., Коварская Е.З., Славина Л.Я. Примене-

ние низкочастотного акустического метода контроля качества изделий и конструкций из металла // Сборник докл. конф. «УЗДМ-98». Санкт-Петербург, 3-5 июня 1998г. С. 217-220.

5. Кинасошвили Р.С. Расчет поршневого пальца авиационного двигателя. М., 1977.

6. Полупанов Ф.П. и др. Упруго-пластическое деформирование поршневых пальцев автомобильных и тракторных двигателей под действием электрогидравлического эффекта. М., 1992.

7. Вовк Л.П. Напряженно-деформированное состояние поршневого пальца при динамическом нагружении // Вестник машиностроения. - 2003. №8. С. 27-29.

-

- ./ 1

- L2

- 1 — ^— 1

Автомобильно-дорожный институт Донецкого национально

технического университета, г. Горловка_10 марта 2004 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.