Методология оценки нагруженности и усталости металлоконструкций и элементов приводов датчиками деформаций интегрального типа

Важнейшей задачей практически для всех отраслей машиностроения является улучшение качества, снижение металлоемкости, совершенствование конструкции и методов изготовления как серийно выпускаемых, так и новых образцов машин и механизмов. Решение данной задачи невозможно без всесторонних испытаний. Наиболее сложными и длительными являются испытания, связанные с оценкой нагруженности и ресурса элементов машин и конструкций в целом по критерию усталостного разрушения, что вызвано статистической природой показателей долговечности, разнообразием процессов накопления повреждений в деталях и конструкциях, влиянием большого количества конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. Весьма часто объекты таких испытаний, в соответствии с особенностями их работы и нагружения, требуют нестандартных решений. В последнее десятилетие остро встала проблема оценки работоспособности и остаточного ресурса объектов, длительное время находящихся в эксплуатации, а в ряде случаев отработавших нормативный срок службы. Сказанное в полной мере относится к системам транспорта нефти и газа, грузоподъемным машинам и механизмам, авиационной технике и др. Поэтому комплекс средств и методов, позволяющих экспериментально оценивать напряженно-деформированное состояние и процесс накопления усталостных повреждений в материале конструкции и ее отдельных деталях в условиях циклического нагружения, является важным направлением в науке и технике. Результаты диагностики работоспособности и накопленных в деталях усталостных повреждений, полученные именно в процессе натурных испытаний или эксплуатации, не только дают объективную информацию о работе деталей, но и являются основой для совершенствования как методов расчета их на выносливость, так и методов прогнозирования остаточного ресурса.

К настоящему времени как в нашей стране, так и за рубежом опубликовано большое количество работ, посвященных разработке, исследованию и внедрению различных средств и методов изучения напряженно-деформированного состояния в условиях циклического нагружения как отдельных деталей, так и металлоконструкций в целом в условиях стендовых и натурных испытаний. Существенный вклад в развитие данного научного направления внесли отечественные ученые В. В. Болотин, Е. К. Почтенный, С. А. Тимашев, В. И. Бойко, О. Л. Бандин, A.C. Гусев, А. П. Гусенков, Б. С. Касаткин, Э. Г. Керимов, В. П. Когаев, В. А. Копнов, Х. Б. Кордонский, Ю. Н. Коваль, H.A. Махутов, С. М. Набойщиков, В. Н. Сызранцев, В. Т. Трощенко, Д. А. Троценко, O.A. Мамед-Заде и другие.

Анализ отечественной и зарубежной литературы по данной тематике свидетельствует, что наиболее перспективными неразрушающими методами оценки накопленных усталостных повреждений в материале детали или металлоконструкции являются методы, основанные на применении датчиков усталостного повреждения. В связи с этим решение проблемы, объединяющей вопросы разработки новых средств и принципов измерений, конструкции датчиков усталости и теоретических основ методов оценки нагруженности, накопленных повреждений и остаточного ресурса, представляется актуальной задачей, имеющей важное значение для ряда отраслей машиностроения.

Целью работы является обоснование и разработка методов оценки нагруженности и прогнозирования усталостной долговечности деталей и несущих систем машин в условиях эксплуатации на основе использования результатов оценки реакции датчиков деформаций интегрального типа по различным критериям.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи.

1. Создание банка способов тарирования датчиков деформаций интегрального типа (ДДИТ) по различным критериям оценки их реакции и математическое описание результатов тарирования на основе регрессионных, полуэмпирических и аналитических моделей.

2. Определение по показаниям ДДИТ в металлоконструкциях мест с интенсивным накоплением усталостных повреждений в условиях регулярного нагружения машин при их эксплуатационных испытаниях.

3. Разработка (на примере комплексного исследования работоспособности передач Новикова по различным прочностным критериям) методологии использования ДДИТ для восстановления нагруженности и прогнозирования ресурса деталей сложной геометрической формы, подвергающихся в процессе работы циклическому деформированию.

4. Установление корреляционных связей внутренней реакции /ЩИТ с усталостным разрушением образцов деталей, разработка методов прогнозирования ресурса деталей и металлоконструкций машин в условиях регулярного нагружения.

5. Определение взаимосвязей реакции на поверхности ДДИТ с накопленными усталостными повреждениями, описание связей на основе полуэмпирических моделей накопления повреждений и разработка методологии прогнозирования по показаниям ДДИТ остаточного ресурса несущих систем и деталей машин для условий нерегулярного нагружения и известного периода эксплуатации изделий до начала диагностики.

6. Проведение экспериментальных исследований по проверке разработанных методов оценки с использованием ДДИТ нагруженности и прогнозирования ресурса несущих систем и различных элементов машин как в условиях лабораторных, так и эксплуатационных испытаний.

Настоящая диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и 2 приложений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

При выполнении настоящей работы получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Предложена и доведена до конечных алгоритмов методология прогнозирования по показаниям ДДИТ остаточного ресурса деталей и металлоконструкций машин для условий нерегулярного их нагружения в эксплуатации и известного периода работы исследуемого изделия до начала диагностики. Методология основана на реализации способов оценки реакции ДДИТ, обеспечивающих ее регистрацию и количественную обработку в любой момент времени прерывания испытаний, с использованием которых построены математические модели, описывающие взаимосвязи реакции ДДИТ с накопленными усталостными повреждениями, возникающими в деталях при циклическом нагружении.

2. В результате обработки данных проведенного комплекса усталостных испытаний образцов (деталей) с ДДИТ установлены и математически описаны корреляционные связи между изменением микротвердости датчиков и разрушением образцов, на основе которых разработаны методики прогнозирования ресурса деталей для условий регулярного их нагружения в эксплуатации.

3. Разработана и реализована в практике экспериментальных исследований концепция комплексной оценки работоспособности зубчатых передач по различным прочностным критериям, базирующаяся на восстановлении реальной нагруженности зацепления по косвенным характеристикам, устанавливаемая путем обработки информации с ДДИТ, закрепленных в основании и на торцах зубьев. Для передач Новикова концепция оформлена в виде взаимосвязанных экспериментально-расчетных методик, обеспечивающих вскрытие потенциальных возможностей передачи по критериям изгибной, контактной прочности и выносливости, глубинной контактной прочности поверхности зубьев.

4. Применительно к условиям эксплуатационного нагружения деталей и металлоконструкций машин разработаны и прошли проверку в процессе экспериментальных испытаний элементов несущих систем автомобилей экспресс-методы ранжирования мест, исследуемых с помощью ДДИТ, по интенсивности накопления усталостных повреждений.

5. В результате проведенного комплекса экспериментальных и теоретических работ создан банк способов тарирования ДДИТ по различным критериям оценки их реакции, поддержанный математическими моделями, описывающими результаты тарировочных испытаний, методически обеспечивающий возможность реализации экспериментальных исследований характера распределения напряжений и оценки накопленных усталостных повреждений с помощью ДДИТ.

6. Проведенные с помощью ДДИТ экспериментальные исследования по выявлению мест с интенсивным накоплением усталостных повреждений в несущих системах транспортных машин, оценке влияния погрешностей изготовления и монтажа на работоспособность передач Новикова, диагностике остаточного ресурса металлоконструкций мостовых кранов свидетельствуют о высокой эффективности разработанных методов как при конструкторской и технологической доработке изделий новой техники, так и при оценке технического состояния металлоконструкций, длительное время находящихся в эксплуатации.