756

А.М. Попов, В.Б. Зиновьев, Л.И. Ким, Л.А. Сподарева

Ключевые слова: нагель, древесина, напряженно-деформированное состояние, методголографическойинтерферометрии,лазер,перемещение,деформации,расстановканагелей.

Винтовыенагеликрестообразногосеченияприизготовленииилиремонтедеревянных конструкций до настоящего времени не применялись. По этой причине оказался нерешенным вопрос об их расстановке в узловых соединениях деревянных конструкций.Принагружениинагелявокругнагельногогнездавозникаетсложноенапряженнодеформированное состояние. В случае забивки нескольких нагелей в деревянный элементнеоднородностиполейнапряжениймогутперекрываться,существенноувеличивая опасность разрушения соединения. Оценить величину поля возмущения можно экспериментально.

Среди различных экспериментальных методов исследования напряженно-дефор- мированногосостояниявыгодноотличаютсяметоды,основанныенаголографическом способе записи информации, прежде всего метод голографической интерферометрии во встречных пучках в две экспозиции. Это обусловлено тем, что он позволяет проводить исследования любых объектов, изготовленных из натурных материалов с минимальной виброзащитой изделия.

В работе [1] получены уравнения для интерпретации интерференционных полос, наблюдаемых в отраженном свете, голограммой, записанной в две экспозиции:

вектораперемещения.Направляющиеуглынаблюдения , , задаютсяэкспериментатором при выборе направления наблюдения за точкой объекта, а направляющие углы вектора рассеянного света R, R и R определяются параметрами индикатриссы рассеиванияматериалаповерхностиизделияигеометрическойформойэтойповерхностина участке формирования опорного пучка; N — порядок интерференционных полос, определяемый в эксперименте.

При исследовании инженерных конструкций чаще всего приходится иметь дело с плоскимиучасткамиповерхностиилисучастками,кривизнойкоторыхможнопренеб-

Дляраздельногоопределениякомпонентвекторапокартинаминтерференционных полос,наблюдаемыхвотраженномголограммойсвете,обычнорегистрируюткартины полос,наблюдаемых ссимметричных относительнонормалик регистрирующейсреде направлений. Если направления наблюдений лежат в плоскости xoz, то разрешающие принимают вид:

161

ВестникСГУПСа.Выпуск28

Здесь N1 и N2 — порядки интерференционных полос в картинах, наблюдаемых с симметричных направлений. Компонентавектораперемещения, лежащая в плоскости регистрации, определяется выражением

Определениеперемещенийвплоскостиизделияпокартинамполос,наблюдаемым в проходящем через голограммусвете, возможно только при отсутствии зазора между объектомирегистрирующейсредойилималыхуглахнаблюдения.Впоследнемслучае, как в методе муара или спекла, считают, что положение полос зависит только от перемещения в плоскости.

Поверхность древесины обладает недостаточной отражательной способностью, поэтомудлясозданияотражающегослоянаповерхностьдеревянногобрусаспомощью эпоксидного клея наносился слой алюминиевой пудры. Методика создания отражающего слоя следующая. Предварительно на поверхность бруса наносится тонкий слой эпоксидного клея. Затемна клеевой слой равномерно напыляется алюминиевая пудра. После затвердевания клея (24 ч) остатки пудры тщательно удаляются с помощью марлевоготампона,пропитанногоацетоном.Далееуповерхностизакрепляютвысоко- разрешающуюсреду(фотопластинкуПФГ-3М).Наилучшиерезультатыбылиполучены при закреплении фотопластинки с помощью двух полосок стеклянных пластинок толщиной 1,4 мм и шириной 6–8 мм, приклеенных с помощью полиуретанового клея «Момент гель» к поверхности бруса и к краям фотопластинки, направленным вдоль волокон древесины.Фотопластинкакрепилась эмульсией кобразцу. Попытки приклеитьфотопластинкуспомощьюпромежуточнойоптическойнеактивнойсредыпривели ктому,чтопритонкомслоепромежуточнойсредыпризабиваниинагеляиз-забольших нормальныхперемещенийпроисходитотрывфотопластинки.Вслучаетолстойпромежуточнойсреды,изготовленнойизжелатина,происходитдеполяризацияотраженного света, чтоприводит к резкомуухудшениюкачестваголограмм.

В массив древесины, с помощью пресса ДМ–30М, вблизи фотопластинки вдавли- валсянагельиобразецвыдерживалсявтечение1,5–2ч,чтобыпрекратиласьползучесть материала древесины. Затем производилась первая экспозиция. Нагель нагружался с помощью пресса ДМ–30М и производилась вторая экспозиция. Голограмма проявлялась в разбавленном проявителе Петрова. Фотопластинка тщательно промывалась в проточнойводеисушиласьестественнымобразом.Полученнаяголограммавосстанавливалась. При этом голограмма освещалась коллимированным пучком белого света и фотографировалиськартиныполос,наблюдаемыевотраженномголограммойсвете.В качестве источника света применялся диапроектор «Ленинград». На рис. 1 и 2 приведеныфотографииинтерферограмм.

Деформации древесины, вызванные усилиями, передаваемыми нагелям, можно представить как сумму деформаций от равномерно распределенной нагрузки и от самоуравновешеннойнагрузки,характеризующейнеоднородностьдеформированного состояния,обусловленнойлокальностьюприложениянагрузки.Прирасчетенагельных соединенийрасстояниемеждунагелями следуетвыбирать таким,чтобы неоднородности деформированных состояний, вызванные разными нагелями, не перекрывались.

Неоднородность деформированного состояния может характеризоваться изменением сдвиговой деформации. Для того чтобы определить закон изменения сдвиговой деформации, строились эпюры порядков полос вдоль одних и тех же сечений на картинах полос, зарегистрированных с симметричных относительно нормали направлений, для каждой голограммы.

162

А.М. Попов, В.Б. Зиновьев, Л.И. Ким, Л.А. Сподарева

Рис.1.Фотографииинтерферограмм.Нагель14 мм.Нагрузка400 Н

Рис.2.Фотографииинтеферограмм.Нагель16мм.Нагрузка1000 Н

Направление сечений совпадает с направлением волокон древесины. Для каждой голограммы строились эпюры порядков полос в двух или трех сечениях. Затем вычислялись разности порядков полос в одних и тех же точках сечений для картин полос, наблюдаемых с симметричных направлений. На рис. 3–5 приведены эпюры распределения разностей порядков интерференционных полос. На всех рисунках эпюра 1 построена вдоль сечения древесины, ближайшего к пластине нагеля, по прямой, параллельной волокнам древесины. На рис. 3 эпюры 2, 3 построены в сечениях, параллельныхсечению1иотстоящихотнегона6мм,эпюра2вовнешнююотноситель- нонагелясторону,эпюра3—вовнутреннюю.Дальнейшиеисследованияпоказали,что наибольшие значения постоянной затухания получаются при обработке сечений 1 и 3, в остальных случаях обрабатывались эти сечения.

Как следует из (5), кривые, представленные на рис. 3–5, пропорциональны компоненте вектора перемещений U, совпадающей с направлением волокон древесины.

координатой x в разных сечениях; h — расстояние между сечениями.

163

Отсюдаследует,чтозапостояннуюзатуханиявозмущения можнопринятьрасстояние, на котором величина ln N уменьшается на единицу.

Нарис.6и7приведеныграфикиизмененияln Nвдольволокондревесинывблизи нагелей.Нарис.6кружочкисоответствуютданным,полученнымприобработкерис.3, темные для сечений 1 и 2 и светлые для сечений 1 и 3. Как видно из рисунков, полученные данные хорошо ложатся на прямые, что подтверждает предположение об экспоненциальнойзависимостидеформаций.Попостроеннымпрямымможноопределить постоянные затухания. Они оказались равными 1,4 см по данным, полученным приобработкесечений1,2,и1,75см—длясечений1и3.Принагружениинагеля12 мм усилием 400 Н постоянная затухания равняется 1,80 см. Для нагеля 19 мм постоянная затухания1,95см.

Чтобы исключить раскалывание деревянного элемента при нагружении нагелей, расстояние между нагелями следует принимать таким, чтобы в области наложения напряжений, обусловленных забивкой двух соседних нагелей, величина каждого из напряжений снижалась до 2 % от максимальной величины, т.е. 8 . Таким образом, для нагелей с характерным размером 12 мм рекомендуется принять расстояние между нагелями 14,4 см, а для нагелей 16 мм — 15,6 см.

165

ВестникСГУПСа.Выпуск28

Рис. 6. Графики изменения ln Nвдоль сечений в древесине вблизи нагеля 14 мм

Рис. 7. График изменения ln Nвдоль сечений в древесине вблизи нагеля 16 мм

Для сравнения: при оценке глубины проникновения краевого эффекта для композитных материалов применяют формулу[4]

ЗдесьL—глубиназоныкраевогоэффекта;h—шириназонывозмущения;Ea иEt — модули упругости материалавнаправлении распространения возмущения и по нормаликнемусоответственно.Нагельсхарактернымразмером12ммбылзабитвдоскувдоль радиального направления, поэтому Ea — продольный модуль упругости; Et — тангенциальный модуль упругости. Для сосны Ea = 16,6 ГПа, Е = 0,542 ГПа и L = 6,64 см, следовательно, расстояние между нагелями следует принять равным 2L = 13,3 см. Нагель с характерным размером 16 мм был внедрен в брус вдоль тангенциального направления, поэтому Ea — продольный модуль упругости; Et — радиальный модуль упругости, для сосны ER = 1,124 ГПа. Тогда L = 6,15 см и расстояние между нагелями 12,3 см.Исходяизвышесказанного,можнорекомендоватьрасстояниемеждунагелями вдоль волокон равным 12d при забивании нагеля в радиальном направлении и 10dпри забивании в тангенциальном направлении, где d — характерный размер нагеля.

166

А.М. Попов, В.Б. Зиновьев, Л.И. Ким, Л.А. Сподарева

Библиографический список

1.ЖилкинВ.А.,ЗиновьевВ.Б.Расшифровкаинтерференционныхкартинвметодеголографического муара//Журналтехническойфизики.1986.Т.56.№1.С.113–119.

2.ЖилкинВ.А.,ЗиновьевВ.Б.Определениезоныкраевогоэффектаспомощьюметодаголографическогомуара//Журналприкладноймеханикиитехническойфизики.1986. №5.С.132–135.

3.ЗиновьевВ.Б.,ШведовВ.Н.,ПоповА.М.Орасстановкенагелейкрестообразногосечениявсоединенияхдеревянныхэлементов//Изв.вузов.Строительствоиархитектура.2012. №3.С.127–131.

4.МалмейстерА.К.,ТамужВ.П.,ТетерсГ.А.Сопротивлениеполимерныхикомпозитныхматериалов. Рига,1980.571c.

A.M. Popov, V.B. Zinoviev, L.I. Kim, L.A. Spodareva. Experimental Determination of

AllowableDistancesbetweenDowelsinDowelWood.

Intheworkthemethodologyofdeterminationofallowabledistancebetweenhelicaldowelsof cross-section,driveninwood,basedonexponentialapproximationofshiftdeformationsisproposed. Themethodofholographicinterferometryincross-counterrayswasusedfordeformationdetermination.

Key words: dowel, wood, deflected mode, method of holographic interferometry, laser, shift, deformation, dowels distribution.

167

ВестникСГУПСа.Выпуск28

РАЗДЕЛ III. ТЕХНОЛОГИЯ ТРАНСПОРТНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

КаргинВладимирАнатольевичродилсяв1937г.В1959г.окончил Новосибирскийэлектротехническийинститут(НЭТИ).Внастоящеевремязаведующийкафедрой«Технологиятранспортногомашиностроения иэксплуатациямашин»,доктортехническихнаук,профессорСибирскогогосударственногоуниверситетапутейсообщения.

Е-mail:ter@stu.ru

Кирпичников Антон Юрьевичродился в 1978 г. В 2000 г. окончил факультет«Строительныеидорожныемашины»СГУПСапоспециаль- ности«Подъемно-транспортные,строительные,дорожныесредстваи оборудование».Внастоящеевремя—начальникучебногосервисного центраСибирскогогосударственногоуниверситетапутейсообщения.

Е-mail:antokir@mail.ru

Игумнов Алексей Андреевич родился в 1988 г. В 2011 г. окончил факультет«Строительныеидорожныемашины»СГУПСапоспециальности «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования».Внастоящеевремяпреподавателькафедры«Технологиятранспортногомашиностроенияиэксплуатациямашин»Сибирскогогосударственногоуниверситетапутейсообщения.

Е-mail:iaa@yandex.ru

УДК 629.331

В.А. КАРГИН, А.Ю. КИРПИЧНИКОВ, А.А. ИГУМНОВ

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАШИН

Обоснованная методика расчета остаточного ресурса агрегатов и узлов машин до предельного состояния свидетельствует о необходимости проведения углубленного диагностирования, технического обслуживания, капитального ремонта, базирующегося на сравнении диагностических параметров, изменяющихся с увеличением наработки.

Ключевые слова: техническая эксплуатация, остаточный ресурс, техническое обслуживание, отказ, средняя наработка до отказа, диагностические параметры, техническое состояние машин.

Повышение эффективности технической эксплуатации машинных парков может бытьдостигнутоприорганизациинепрерывногомониторингакаждойизмашинпарка.

Для оценки состояния агрегатов, узлов, сопряжений или отдельных деталей существует множество диагностических признаков и параметров, по которым можно сделать заключение о техническом состоянии машины в целом.

168

В.А. Каргин, А.Ю. Кирпичников, А.А. Игумнов

При достижении параметром состояния S (структурным параметром) некоторой предельной величины наступает отказ конструктивного элемента. Вместе с тем связь междупредельнойвеличинойпараметраиотказомимеетвероятностныйхарактер,т.е. существует область его предельных значений, в которой происходит отказ элемента. Поэтомудля прогнозирования наработки на отказ необходимо математическое описание процессов изнашивания агрегатов машин и их узлов. В этих узлах могут быть использованы подходы, рассмотренные, например, в работах Е.С. Кузнецова, В.А. Зо-

рина [1, 2].

У значительной части узлов и деталей изменение технического состояния носит плавный, монотонный характер, при котором параметр технического состояния S изменяется от начального Sн до предельного Sп значений, как это показано на рис. 1.

S

1 2 3

Sп

Sн

t

Рис. 1. Зависимость параметра состояния S от наработки t:

1 — упругое сопряжение, усталостный или кавитационный износ; 2 — пара трения; 3 — жесткое сопряжение,коррозионныйизнос(фреттинг-коррозия)

Вслучаепостепенныхотказовизменениепараметратехническогосостоянияконкретного элемента или среднего значения для группы элементов аналитически может быть описано целой рациональной (возрастающей или убывающей) функцией n-го порядка.

где а1, a2, …, аn — коэффициенты, определяющие характер зависимости параметра состояния от наработки t.

Для практических вычислений по (1) достаточно будет использовать члены до второго,максимумтретьегопорядков.

Но более предпочтительным для описания зависимости износа сопряжений от наработки с точки зрения возможности систематизации результатов анализа является

где Vи — скорость изменения параметра технического состояния; — показатель степени, определяющий характер его изменения.

ПоказателиVии определяютсяпорезультатамобработкипредшествующейинформации об изменении реализации параметров состояния для одного вида элементов машин.

169

ВестникСГУПСа.Выпуск28

Практически все узлы и системы подвержены постепенным отказам, обусловленным изнашиванием, причем время их износа может существенно различаться. Но так как в первую очередь необходимо минимизировать отказы «слабых звеньев», то при прогнозировании обслуживающих воздействий следует ввести их ранжирование по временибезотказнойработы,показателемкоторойможетслужитьлинейнаяинтенсивность изнашивания [2].

гдеI—интенсивностьизнашивания;V —объемматериала,удаленногонапутитрения L; Аа — номинальная площадь контакта.

Интенсивность изнашивания I является безразмерной величиной и может изме- нятьсявширокихпределах—от1·10–3 до1·10–12.Характерныезначенияинтенсивности изнашивания различных деталей машин приведены в табл. 1.

При износе машины происходит ухудшение ее начальных параметров, причем разные параметры, как это следует из табл. 1, изменяются в процессе эксплуатации с неодинаковойскоростью.Чтобыоценитьпотерюработоспособностимашинывцелом, надо установить зависимости между износом, сроками службы отдельных узлов, ее выходными параметрами.

Так как интенсивность изнашивания по (3), приведенная в табл. 1, характеризует объем материала, удаленного на пути трения, то при известной площади контакта и скорости относительно перемещения трущихся поверхностей V, случайная скорость изменения параметратехнического состояния будет иметь следующий вид:

Vи = VI. (4)

ПослеобработкирядареализацийможнополучитьсредниезначенияVи и .Таккак среднеквадратические отклонения величины для однотипных элементов малы, то этот параметр принимается неслучайным и изменяющимся в диапазоне 0–2 в зависимости от типа элемента.

В табл. 2 приведены примерные значения параметра .

Дальнейшая задача состоит в определении реализации, отвечающей конкретному диагностируемомуобъекту.Вобщемслучае,т.е.принеизвестномначальномзначении Sн, проводится двукратное измерение параметров в моменты ti и ti+1, после чего уточняется или определяется параметр Vи при известном :

170