книги / Прогнозирование долговечности и диагностика усталости деталей машин

лать вывод, что наиболее опасной в смысле усталости зоной коренного листа является зона выхода листа изпод прокладки. Это соответствует эксплуатационным наблюдениям за отказами подвески.

Для оценки напряженного состояния более коротких листов рессоры тензорезисторы наклеивались на листы Т-образного профиля в районе пазов. Регистрация по­ казала, что по мере удаления от коренного листа амп­ литуда напряжений в зоне выхода листов из-под про­ кладки в более коротких листах уменьшается, а среднее напряжение цикла растет. Это говорит о том, что в наи­ более опасных условиях циклического нагружения на­ ходятся коренной и ближайшие к нему листы.

Наложение продольных сил и скручивающего мо­ мента влияет на величину амплитуды и среднего напря­ жения цикла, однако качественно не изменяет описан­ ную выше картину распределения напряжений по длине коренного листа и от листа к листу. Следовательно, наиболее опасной в смысле усталости зоной рессоры яв­ ляется зона выхода коренного и следующих за ним ли­ стов из-под прокладки.

Достаточно точную информацию о напряжениях, действующих в опасной зоне рессоры при эксплуатации автомобиля, можно получить тензометрированием. Для этого в 1 0 .мм от прокладки на коренной лист рессоры наклеивались тензорезисторы. Регистрация напряжений производилась при реальных режимах движения авто­ мобиля-самосвала MA3-503A без груза и с полной на­ грузкой по асфальтобетону, булыжнику и в карьерах.

Результаты тензометрирования обрабатывались по методу анализа полуциклов напряжений (см. гл. 1 ). На рис. 3.42 представлен график экспоненциального рас­ пределения действующих напряжений, приведенных к пульсирующему циклу, для двух режимов движения автомобиля-самосвала с грузом 80 кН.

Зависимость величины напряжений от относительно­ го числа нагружений получена при движении автомоби­ ля в карьере со скоростью 15—20 км/ч. Параметр экс­ поненты равен 154 МПа. Вторая зависимость величи­ ны напряжений от относительного числа нагружений получена при движенииавтомобиля по дороге с булыж­ ным покрытием в хорошем состоянии со скоростью 40 км/ч. Параметр экспоненты равен 34,7 МПа. «Про­

201

бою» рессоры соответствует приведенное к отнулевому циклу напряжение 746 МПа в 1 0 мм от прокладки.

Распределения действующих напряжений во време­ ни характеризуют жесткость режима эксплуатации под­ весок. В качестве меры жесткости режима эксплуатации может быть использован параметр экспоненты. На ри­ сунке изображены распределения, характеризующие один из наиболее жестких режимов эксплуатации авто­

мобиля-самосвала в карь­ ере и один из наиболее мягких режимов эксплуа­ тации автомобиля на до­ роге с булыжным покры­ тием.

Обычно обобщенно рассматривают [192] три категории условий эксплу­ атации. Для автомобилейсамосвалов МАЗ извест-

Рис. 3.42. Экспоненциальные распределения действующих в опасном сечении рессоры на­ пряжений при движении по дороге с булыжным покрыти­

ем (1) и в карьере (2)

ны средние скорости движения и доля пробега по дорогам каждой категории. Так, для дорог первой

лыжным покрытием (дороги второй категории) автомо­

дорогам третьей категории. Средняя скорость по таким дорогам составляет 2 2 км/ч, а доля пробега — 0,217.

2 02

Регистрация нагруженности подвесок при движении автомобиля по дорогам всех трех категорий показала, что параметр экспоненты меняется от 30 до 180 МПа и наиболее существенно влияют на нагруженность неров­ ности дороги. Значительное влияние оказывает ско­ рость движения, с ростом которой параметр распреде­ ления увеличивается.

3.4.3. Прогнозирование долговечности рессор

При прекращении эксплуатации после разрушения одного из листов рессорная подвеска автомобиля не от­ носится к числу узлов, от которых зависит безопасность движения автомобиля. Однако из анализа эксплуатации автомобилей следут, что низкий ресурс рессор вызывает значительные дополнительные расходы листового про­ ката, завышенный в 2 —3 раза объем производства рес­ сорных заводов, дорогостоящие ремонт и простои ав­ томобилей. Следовательно, повышение долговечности рессор — одна из актуальнейших задач автомобильной промышленности.

Расчет медианного ресурса рессор может быть вы­ полнен на базе информации о сопротивлении усталости и нагруженности опасных в смысле усталости зон рес­

циальное распределение напряжений в опасной зоне с максимальным напряжением 746 МПа, соответствую­ щим пробою рессоры, и диапазоном значений парамет­ ра экспоненты 30—180 МПа. Конечное значение преде­ ла выносливости (сггк=63,4 МПа) определено из урав­ нения (6 ). Для расчета медианного ресурса рессор ре­ комендуется уравнение (15). Расчеты показывают, что основное повреждение рессорных листов происходит на дорогах второй и третьей категорий, на долю которых приходится 39,1% от общего пробега автомобиля-само­ свала.

На рис. 3.43 представлена зависимость медианного ресурса задних рессор автомобиля-самосвала МАЗ от параметра распределения действующих напряжений, определенная в диапазоне 30—180 МПа. При переходе от числа повреждающих циклов к пробегу учитывалось

203

среднее число повреждающих напряжений (157) на ки­ лометр пробега автомобиля с грузом и без груза при движении с разными скоростями по дорогам второй и третьей категорий и доля пробега (0,391) по таким до­ рогам.

Из расчетов следует, что медианный ресурс может быть увеличен за счет повышения сопротивления рес­ сор усталости, улучшения качества дорог и временных Дтыснм подъездных путей, а также за счет выбора режимов движения, обеспечивающих мини­ мальные колебания подрессоренных масс автомобиля. Одним из способов повышения долговечности является изменение конструкции крепления рессор к осям автомобиля. Ана-

Рис. 3.43. Зависимости ре­ сурса серийного (1) и реко­ мендуемого (2) вариантов задней подвески от режима эксплуатации автомобиля-

самосвала

лиз эксплуатационных разрушений показал, что рессор­ ные листы разрушаются в зоне выхода из-под прокладок. Исходя из этого, был сделан вывод о влиянии на предел выносливости рессорных листов давления в зоне контак­ та и активизируемого этим давлением процесса фрет- тинг-коррозии.

Для теоретического исследования давлений в зоне контакта рессор с прокладками и рессорными площад­ ками на картере заднего моста и балке переднего мо­ ста автомобиля была использована теория упругости. В серийном варианте крепления в зоне контакта давле­ ния распределены неравномерно. Исследование обна­ ружило резко выраженные пики давления в месте вы­ хода рессор из зоны крепления. Путем расчета была

204

Гла ва

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ УСТАЛОСТНОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Наряду с прогнозированием ресурса деталей в процес­ се производства машин не менее значимой является проблема диагностирования усталости и прогнозирова­ ния остаточного ресурса деталей в процессе эксплуата­ ции машин. Значимость проблемы обусловлена необхо­ димостью обеспечения безопасности эксплуатации машин я обоснованного планирования срокрв ремонта и за­ мены поврежденных узлов и деталей.

Регистрация в эксплуатации степени усталостного •повреждения деталей, отвечающих за безопасность экс­ плуатации машин, дает возможность установить пре­ дельное усталостное повреждение деталей, своевременно провести ремонтные работы и исключить возможность аварий. Для деталей, не отвечающих за безопасность эксплуатации, но лимитирующих надежность машин, регистрация при эксплуатации степени усталостного повреждения дает возможность своевременно установить сроки ремонта и замены поврежденных деталей и ис­ ключить простои, вызванные «внезапными» усталостны­ ми разрушениями.

При разработке методов диагностирования устало­ сти в целях оценки остаточного ресурса необходимо учитывать следующие факторы:

подконтрольная деталь имеет вполне однозначные характеристики сопротивления усталости, часть которых (NQ и Vo) определяется материалом и термической об­ работкой детали и может быть оценена до эксплуатации по результатам /усталостных испытаний деталей, а пре­ дел выносливости G является случайной величиной и в большинстве случаев не может быть оценен в процессе производства машин;

206

предельным повреждением подконтрольной детали может быть как фиксированная степень повреждения, после достижения которой становится невозможной нормальная эксплуатация машин, так и разрушение де­ тали;

в процессе эксплуатации машины подконтрольная де­ таль может работать в условиях как регистрируемого, так и не регистрируемого регулярного и нерегулярного нагружения;

прогнозирование остаточного ресурса подконтроль­ ной детали может базироваться на использовании как критериев сопротивления усталости, так и кинетических диаграмм усталости.

При выборе средств регистрации усталостного пов­ реждения деталей можно базироваться на средствах не­ разрушающего контроля [194—200], но при этом необ­ ходимо иметь в виду, что при эксплуатации могут быть использованы не все средства, применяемые в услови­ ях производства. Средства диагностирования усталости в эксплуатации должны обеспечивать требуемую точ­ ность оценок повреждения без снятия и разборки узлов и агрегатов машин. Они должны также быть до­ статочно безопасными, т. е. не требовать специальной защиты и медицинского контроля обслуживающего пер­ сонала.

В тех случаях, когда нельзя использовать обычные средства неразрушающего контроля, могут быть разра­ ботаны специальные индикаторы для регистрации про­ цесса усталостного повреждения или определения фик­ сированного повреждения, предшествующего предель­ ному.

4.1. ДИАГНОСТИРОВАНИЕ УСТАЛОСТИ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

4.1.1.Средства регистрации усталостного повреждения

Вусловиях производства машин используются сле­ дующие методы и средства неразрушающего контроля [194, 195]: визуально-оптические, магнитные, регистра­ ции вихревых токов, акустические, а также методы и средства контроля йросвечиванием. Наиболее простым и доступным методом обнаружения и измерения разме­

207

ров поверхностных трещин является, визуально-оптиче­ ский. Применяемые при этом оптические приборы поз­ воляют расширить пределы естественных возможностей глаза. Для осмотра подконтрольных деталей применя­ ются приборы в основном с 20—30-кратным увеличени­ ем. В сочетании с фоторегистрадией визуально-опти­ ческий метод становится документальным.

Основные недостатки метода — применение его Для регистрации контрастных трещин лишь на доступных для осмотра поверхностях деталей машин и возмож­ ность измерения только одного параметра зоны уста­ лостного повреждения — поверхностной протяженности этой зоны.

Д ля повышения контрастности трещин на подготов­ ленную поверхность детали наносится проникающая жидкость [194], заполняющая под действием капилляр­ ных сил усталостный излом. После заполнения излома она удаляется с поверхности детали. Контрольное изоб­ ражение (индикаторный рисунок) получается нанесени­ ем проявителя на контролируемую поверхность. Про­ стейшими компонентами могут быть керосин, используе­ мый в качестве проникающей жидкости, и водная сус­ пензия мела, применяемая в качестве проявителя. Проникающие жидкости со взвешенными порошками позволяют без проявителя получить цветные или люми­ несцентные индикаторные рисунки поверхностной зоны усталостной трещины. К недостаткам капиллярной де­ фектоскопии относятся:

большая трудоемкость и длительность контроля, обусловленные необходимостью тщательной подготовки контролируемой поверхности;

вредное воздействие на обслуживающий персонал некоторых материалов, используемых при капиллярной дефектоскопии;

недостаточная изученность влияния проникающих жидкостей на протекание процесса усталости контроли­ руемой детали.

На принципе регистрации магнитных полей рассея­ ния, возникающих в зоне дефектов в намагниченных контролируемых участках деталей, базируются методы магнитной дефектоскопии [194]. Для регистрации маг­ нитных полей может быть использован магнитопорошко­ вый метод, заключающийся в нанесении на намагни-

208

ченные участки деталей ферромагнитных частиц в не­ однородном магнитном гюле над усталостной трещиной, в зоне которой наблюдается наибольшая концентрация магнитных линий; силы магнитного поля концентрируют частицы порошка. Отметим, что ширина сконцентриро­ ванных частиц намного больше ширины раскрытия усталостной трещины, что облегчает выявление недо­ статочно контрастных трещин.

Ограничением в применении магнитопорошкового метода при эксплуатации машин является требование доступности и хорошей подготовленности контролируе­ мых поверхностей деталей, изготовленных из ферро­ магнитных материалов.

Перспективна отработка магнитографических мето­ дов регистрации усталостных трещин. Магнитографиче­ ская дефектоскопия [196] использует запись на магнит­ ную ленту магнитных полей рассеяния над усталостными трещинами в деталях, изготовленных из ферромаг­ нитных материалов. Полученная запись является основ­ ным носителем информации для воспроизведения, доку­ ментирования и расшифровки.

Эффективно намагничивание, перпендикулярное к поверхности трещины. Магнитную ленту также ориен­ тируют перпендикулярно к трещине. Считывание инфор­ мации с магнитной ленты производится или с помощью магнитографического или магнитотелевизионного де­ фектоскопов.

К достоинствам метода можно отнести высокую чув­ ствительность, которая не ниже чувствительности мето­ дов и средств радиационного контроля [196], безопас­

контактирующих с магнитной лентой, и субъективизм в расшифровке считанной с магнитной ленты информации [196].

Для измерения напряженности неоднородного маг­ нитного поля над усталостной трещиной используются пассивные индукционные катушки, феррозонды и пре­ образователи Холла [194, 195]. Сканирующие пассив­ ные индукционные катушки нашли применение в каче­

стве датчиков в приборах для обнаружения дефектов в бесшовных горячекатаных трубах [194, 195] и в уло­ женных в путь железнодорожных рельсах [194, 195], Феррозонды имеют возбуждающую и индикаторную обмотки. При сканировании намагниченных контроли­ руемых участков на выходе индикаторной обмотки ре­ гистрируется ЭДС, которая пропорциональна градиен­ ту или напряженности измеряемого постоянного маг­ нитного поля. Преобразователи Холла — прямоугольные пластины, изготовленные из полупроводниковых мате­ риалов, через которые в одном направлении пропуска­ ется ток. Если поместить преобразователь в магнитное поле, то в направлении, перпендикулярном пропускае­ мому току, возникает ЭДС, которая пропорциональна напряженности поля. Сканирование намагниченных контролируемых участков позволяет выявить дефекты.

Применение средств измерения напряженности маг­ нитного поля для диагностирования усталости в усло­ виях эксплуатации требует проведения специальных ис­ следований по выбору конструкции датчиков, определе­ нию режимов намагничивания контролируемых деталей и установлению связи между количественными измере­ ниями напряженности магнитных полей и степенью усталостного повреждения деталей в условиях эксплуа­ тации.

Для целей диагностирования усталости могут быть использованы методы регистрации вихревых токов. То­ ковихревые датчики имеют возбуждающую и регистри­ рующую катушки. Переменное магнитное поле воз­ буждающей катушки создает в электропроводящем ма­ териале вихревые токи и электромагнитные поля этих токов, чувствительные к усталостным трещинам. Так как напряженности возбуждающего магнитного поля и маг­ нитного поля вихревых токов находятся в противофазе, ЭДС в регистрирующей катушке пропорциональна раз­ ности возбуждающего магнитного потока и магнитного потока, созданного вихревыми токами [194].

К достоинствам метода относится возможность ис­ пользования токовихревых датчиков в малодоступных местах без электрического и механического контакта с поверхностями контролируемых деталей, а к наиболее существенному недостатку — неравномерное распреде­ ление вихревых токов по глубине деталей с максимумом

210