книги / Прогнозирование долговечности и диагностика усталости деталей машин

у поверхности, что ограничивает контроль небольшими глубинами залегания трещин.

В процессе регистрации представляет интерес анализ показаний токовихревых датчиков с разложением вих­ ревого сигнала в гармонический ряд. Так, предлагается [197] анализировать первую, третью, пятую и седьмую гармоники и использовать первую гармонику для регистрации роста усталостной трещины, седьмую гармонику для регистрации момента образования устойчивых полос скольжения, а третью и пятую — для регистрации момента пересечения полосами скольжения границ зе­ рен металла.

Для диагностирования усталости могут быть исполь­ зованы акустические методы [194] регистрации ульт­ развуковых волн (от 2-104 до 109 Гц): эхо-импульсный и эмиссионный. При использовании эхо-импульсного ме­ тода возбуждение и регистрация ультразвуковых коле­ баний осуществляются с поверхности детали одной ис­ кательной головкой. Изучаемые зондирующие импуль­ сы упругих волн, оставив след на экране регистрирую­ щей электронно-лучевой трубки, проходят через деталь и отражаются от противоположной поверхности (донный импульс на экране) или от внутренней несплошности (импульс на экране от дефекта). Подбором угла ввода ультразвуковых волн и перемещением искательной го­ ловки определяется не только положение, но и протя­ женность несплошности материала детали.

Основными достоинствами метода являются незави­ симость от электромагнитных свойств материала дета­ ли, возможность контроля усталостного повреждения деталей без демонтажа и разборки узлов машин и большая проникающая способность зондирующих им­ пульсов. Применение метода не опасно для обслужива­ ющего персонала. К его недостаткам следует отнести повышенные требования к шероховатости и отсутствию загрязненности поверхностей, контактирующих с иска­ тельными головками, а также возможность существо­ вания незондируемых зон.

Чувствительным спутником усталости является аку­ стическая эмиссия — упругие волны, генерируемые про­ цессами деформации и локального разрушения [198— 200]. Основной трудностью при регистрации акусти­ ческой эмиссии процесса усталости является отделение

цию. Отработка проводится с целью уточнения конст­ рукции средств регистрации и технологии измерений, а при необходимости и тарировки средств регистрации; изучения особенностей распространения усталостных трещин в контролируемых деталях; разработки методи­ ки анализа информации о процессе усталости контро­ лируемых деталей.

В качестве примера рассмотрим отработку акустиче­ ского метода диагностирования усталости листов зад­ ней рессоры автомобиля-самосвала Минского автозаво­ да [2 0 1 ].

Из рассмотренных в подпараграфе 4.1.1 методов с учетом необходимости контроля листов в условиях ав­ тохозяйств без демонтажа и разработки рессоры наибо­ лее приемлемым оказался акустический ультразвуковой контроль. Для обнаружения и регистрации степени пов­ реждения отработан эхо-импульсный метод с использо­ ванием дефектоскопа ДУК-6 6 П. Отработка проводилась на стенде (см. параграф 3.4), моделировавшем крепле­ ние рессоры к раме и заднему мосту автомобиля, а так­ же схему нагружения рессоры в условиях эксплуатации.

Для ввода импульсов ультразвуковых колебаний бы­ ли выбраны боковые поверхности листов, так как верх­ ние и нижние поверхности листов, собранных в пакет, недоступны для контроля, а их торцы имеют фигурный профиль и значительные неровности после вырубки. В качестве датчиков использованы призматические ис­ кательные головки с фигурной контактной поверхностью по форме поверхности боковых сторон рессорных ли­ стов. Учитывая высокую шероховатость и вертикальное расположение рабочих поверхностей, для улучшения акустического контакта поверхности смазывали высо­ ковязким минеральным маслом.

Были исследованы возможности использования по­ верхностных и сдвиговых волн. При изменении угла па­ дения продольных волн экспериментально был найден критический угол падения (64°), при котором прелом­ ленные волны распространяются по поверхности. Для рессорных листов с надрезом получили тарировочный график, позволяющий по положению импульса на экра­ не дефектоскопа с точностью ± 1 мм определять поло­ жение трещины. При этом регистрировались дефекты (усталостные трещины) протяженностью 1/3 от толщи-

213

Обработка результатов регистрации повреждения с использованием С-критерия велась методом поиска та­ кого значения сr/f, при котором

Рис. 4.4. Зависимость степени

повреждения первого (коренного)

листа рессоры от доли вырабо­ танного ресурса долговечности

ции о процессе усталости рессорных листов позволяет сде­ лать вывод о том, что процесс усталости рессорных ли­ стов при регулярном нагружении хорошо описывается критериями сопротивления усталости, линеаризующими данный процесс. Это в значительной мере облегчает ре­ шение задачи прогнозирования остаточных ресурсов долговечности как в тех случаях, когда известно экви­ валентное напряжение (С-критерий), так и в тех слу­ чаях, когда эквивалентное напряжение трудно оценить (G-критерий).

217

Отработка метода и средств диагностики усталости наиболее слабой детали узла в условиях, моделирующих эксплуатацию узла, позволяет также оценить влияние процесса усталости одной детали на повреждение дру­ гих деталей узла [2 0 1 ].

4.1.3. Прогнозирование остаточной долговечности

Выбор метода прогнозирования существенным обра­ зом зависит от регулярности или нерегулярности нагру­ жения контролируемых деталей.

В случаях, когда регулярное нагружение характери­ зуется параметрами, не изменяющимися в процессе эксплуатации, при отработке метода и средств диагно­ стирования достаточно ограничиться испытаниями де­ талей в условиях моделирования фиксированной экс­ плуатационной нагрузки. Полученный ряд значений степени повреждения и соответствующий ряд значений чисел нагружений являются достаточной информацией для описания кинетики процесса с помощью критериев сопротивления усталости.

При использовании С-критерия определяется пара­ метр f (см. гл. 1 ), а при использовании G-критерия со­ противления усталости вычисляется конечное значение критерия GK. Критерии дают возможность определить расчетным путем остаточную долговечность:

N# = N - N ri

для любого фиксированного значения степени повреж­ дения Di.

Схема прогнозирования для рассматриваемых слу­ чаев регулярного нагружения изображена на рис. 4.4. В процессе эксплуатации регистрируются значения сте­ пени повреждения детали (Du D2» D3 и т. д.) и соответ­ ствующие им наработки (WT1»-Мтг» Мтз и т. д.). Затем оп­ ределяются значения критериев сопротивления устало­ сти {Си С2, С3 и т. д. или Gь G2, G3 и т . д .) и с исполь­ зованием метода наименьших квадратов исходные зна­

чения критериев (С0 или Go).

Оценка остаточной долговечности до долома контро­ лируемой детали N р< при использовании С-критерия

218

производится при любой степени повреждения Z), по формуле

где Сг и N n — значения критерия и срока службы дета­ ли в момент оценки остаточной долговечности. Исполь­ зование С-критерия предпочтительно в тех случаях, ког­ да известно действующее напряжение.

В случае использования G-критерия остаточная дол­ говечность определяется по формуле (рис. 4.5)

N m = N - N Ti = N Tl

Go — Oi

где Gi и N n — значения критерия и срока службы дета­ ли в момент оценки остаточной долговечности.

Разрушение (долом) контролируемой детали может быть причиной разрушения или ускоренного поврежде­

Рис. 4.5. Прогнозирование оста­ точного ресурса долговечности с

использованием (5-крнтерия

219

DK— (А Д —i + А Д ) <С Dn <С DK— А Д .

В случаях, когда такой параметр регулярного нагру­ жения, как максимальное напряжение цикла, изменя­ ется при эксплуатации, отработка метода и средств ре­ гистрации степени усталостного повреждения деталей требует изучения процессов усталостного повреждения деталей во всем диапазоне эксплуатационных значений действующих напряжений с тем, чтобы иметь возмож­ ность воспроизвести кинетическую диаграмму устало­ сти (рис. 4.6), каждая кривая которой характеризует долговечность детали при фиксированной степени пов­ реждения. Так как конечная степень повреждения DK зависит от величины действующего напряжения и уменьшается с увеличением напряжения, в качестве об­ щего конечного значения степени повреждения берется

с помощью которых определяются ряды значений оста­ точных ресурсов (N ft= N —N>n), соответствующие теку­ щим значениям степени повреждения в исследуемом диапазоне напряжений. Для каждого текущего значения степени повреждения, исходя из напряжений и соответ­

виях эксплуатации могут быть меньше исходной величи­ ны предела выносливости, при построении кинетической диаграммы усталости необходимо учитывать снижение предела выносливости в процессе повреждения и воз­ можность повреждения контролируемой детали этими напряжениями при а > о н .

Схема прогнозирования, которая может быть реали­ зована как аналитически, так и графически, представ­ лена на рис. 4.6. Например, на первом этапе эксплуата­ ции регулярное нагружение характеризуется макси­ мальным напряжением цикла сгь При достижении сте­ пени повреждения D2 остаточный ресурс на том же

220